CN104359969B - 一种极顶漏磁检测头 - Google Patents

Abstract

本发明适用于磁探伤技术领域，提供了一种极顶漏磁检测头，包括：检测部分，屏蔽部分，磁通控制部分和缓冲部分；所述检测部分用于拾取缺陷的漏磁信号；所述屏蔽部分用于截取从励磁单元来的杂散磁场以及屏蔽其他磁场的干扰；所述磁通控制部分提供磁场回路，在保障充分局域饱和磁化待测样品时，避免过多的磁通通过检测部分和屏蔽部分；所述缓冲部分用于导通励磁单元，引导过剩的励磁磁通的通过。本发明提供的一种极顶漏磁检测头，降低检测时需要的激励磁场，提高缺陷位置及其大小的分辨率，便于检测仪对微小裂纹的检测，推广了检测仪的使用范围。

Description

一种极顶漏磁检测头

技术领域

本发明属于磁探伤技术领域，尤其涉及一种极顶漏磁检测头。

背景技术

运输业，是国民经济中极其重要的一环，运送货物和旅客的铁路、石化管道、远洋油轮等等的运输工具的检测，是国民经济正常运转、发展的保障。在这种需求下，多种检测技术得到了发展。比较成熟的检测技术有超声波检测技术和射线检测技术。超声波技术利用缺陷对超声波的界面反射来计算缺陷位置和维度；而射线检测技术就是直接通过射线粒子对缺陷的不同反射率或者透过率来检测缺陷。在缺陷尺寸比较大的情况下，这两种技术能满足需求。但是当缺陷较小的时候，特别是到了毫米级的时候，这两种技术就面临挑战了。

漏磁检测技术的作为一种新兴的无损检测技术，近年取得巨大的发展。其关键原理在于利用待测样品中缺陷的磁导率的不同。这种磁导率的不同，表现在待测样品饱和磁化时，缺陷周围的磁场的不均匀。这个不均匀的磁场通过待测样品散发处理，形成漏磁。通过检测漏磁，可以知道缺陷的位置和维度。现实中，为扩展漏磁检测技术的应用范围，面临两个挑战：缺陷信号的大小，以及缺陷的深度判断。

待测样品的饱和磁化，对于缺陷信号的大小，是一个关键点。待测样品里面的缺陷，在未饱和的情况下，其引起的漏磁较小。为了加大漏磁，一般的做法是把样品磁化到接近饱和。这样，导磁率不同的缺陷就可以显现出来，具体表现为漏磁的大小和各分量的关系。在检测板材的时候，这是个实际可行的办法。但是，对于比较大或者厚的待测样品，饱和磁化就相对困难了。另一方面，在进行在线检测时，由于检测仪和待测样品的相对运动，待测样品的饱和磁化就更困难了。例如，对高铁铁轨的检测，一般的检测车速度在60千米每小时，也就是16.67米每秒。在这种情况下，要做到整段高铁铁轨的饱和磁化，就比较困难。

其中有交流励磁技术。在这个方案中，励磁单元采用电磁铁，通过改变励磁线圈的交流电频率，来得到不同的励磁场频率。因为电磁场的趋肤效应，激励的磁场频率越高，其磁场越集中于内外表面。因此不同的频率的磁场所检测到的缺陷深度位置不同。由此，这种交流励磁技术可以帮助检测仪得到更多的缺陷位置和维度信息。在待测样品和励磁单元比较小的情况，这种技术可以做到频率2000赫兹左右。但是，在待测样品比较大，或者励磁单元比较大的情况下，这样的变频技术就难以做到需要的高频了。

缺陷信号的大小，以及缺陷的深度这两个方面的检测需求，从现在的励磁单元-磁敏器件布局技术方案来说，其解决之道彼此矛盾：要增大缺陷信号的大小，就必需饱和磁化待测样品，因而需要大磁铁；而要用交流磁场来确定缺陷的深度，就要用到交流磁场，因而要求小磁铁。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种极顶漏磁检测头，以解决现有技术漏磁检测中无法同时实现待测样品的饱和磁化以及高频交流磁场的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种极顶漏磁检测头，所述检测头包括：检测部分，屏蔽部分，磁通控制部分和缓冲部分；

所述检测部分用于拾取缺陷的漏磁信号；

所述屏蔽部分用于截取从励磁单元来的杂散磁场以及屏蔽其他磁场的干扰；

所述磁通控制部分提供磁场回路，在保障充分局域饱和磁化待测样品时，避免过多的磁通通过检测部分和屏蔽部分；

所述缓冲部分用于导通励磁单元，引导过剩的励磁磁通的通过。

本发明实施例提供的一种极顶漏磁检测头的有益效果包括：

1、漏磁检测的适用范围的增大，表现在两个方面：降低需要激励磁场，提高缺陷位置及其大小的分辨率，同时，便于检测仪对微小裂纹的检测，推广了检测仪的使用范围；

2、待测样品的局域饱和磁化降低了整体励磁磁场强度需求，在检测样品时，可以用小励磁单元取代原有的大励磁单元，便于检测仪的小型化，以及励磁交流频率的提高；

3、对缺陷定位的进一步提高，这对于微小裂纹的检测特别有利，楔形尖作为检测头的优点是，楔形尖可以做到很小，结合上述的局域饱和磁化，也同样有利于微小裂纹的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的极顶漏磁检测头应用在n形铁芯或永磁体中的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的极顶漏磁检测头结构的截面示意图；

图3是本发明实施例提供的缺陷位于楔形尖下方时磁场的分布图；

图4是本发明实施例提供的沿磁场测量路径上各点测量到的X和Y磁场分量因为缺陷通过时所引起的漏磁变化示意图；

图5为本发明实施例提供的测量的A点的Y磁场分量随缺陷位置的变化的示意图；

图6为本发明实施例提供的测量的A点、B点和C点的Y磁场分量随缺陷位置的变化的示意图；

图7为本发明实施例提供的测量的A点的X磁场分量随缺陷位置的变化的示意图；

图8为本发明实施例提供的测量的A点、B点和C点的X磁场分量随缺陷位置的变化的示意图；

1为励磁单元，2为待测样品，3为待测样品缺陷，4为极顶漏磁检测头，1-1为楔形头，1-2为楔屏间隔，1-3为屏蔽罩缩进，1-4为楔缓间隔，1-5为外屏蔽罩，1-6为内屏蔽罩，1-7为屏极间隔，1-8为楔形尖，1-9为极尖，1-10为极，1-11为极磁缓冲，1-12为待测样品表面，1-13为极样间隔，1-14为磁场测量路径。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为本发明提供的极顶漏磁检测头应用在n形铁芯或永磁体中的结构示意图，图1中，1为励磁单元，2为待测样品，3为待测样品缺陷，4为极顶漏磁检测头，由图1可知，本发明提供的一种极顶漏磁检测头，设置于极顶漏磁检测仪检测部分的n形铁芯或者永磁体的一极，可以拆卸或者更换。

极顶漏磁检测头4包括：检测部分，屏蔽部分，磁通控制部分和缓冲部分。

检测部分用于拾取缺陷的漏磁信号。

屏蔽部分用于截取从励磁单元来的杂散磁场以及屏蔽其他磁场的干扰。

磁通控制部分提供磁场回路，在保障充分局域饱和磁化待测样品时，避免过多的磁通通过检测部分和屏蔽部分。

缓冲部分用于导通励磁单元，引导过剩的励磁磁通的通过。

如图2所示为本发明提供的极顶漏磁检测头结构的截面示意图，该截面为垂直于待测样品的方向的截面，该截面上部为长方形，下部为梯形。检测头的上部为长方体板形，下部为梯形条状，即该检测头为图2中截面往截面两侧延伸形成的结构体形。

由图2可知，极顶漏磁检测头4的结构包括：楔形头1-1、楔屏间隔1-2、屏蔽罩缩进1-3、楔缓间隔1-4、外屏蔽罩1-5、内屏蔽罩1-6、屏极间隔1-7、楔形尖1-8、极尖1-9、极1-10、极磁缓冲1-11、待测样品表面1-12、极样间隔1-13和磁场测量路径1-14。

楔缓间隔1-4和极磁缓冲1-11为极顶漏磁检测头4的上部，楔缓间隔1-4的截面为长方形，位于极磁缓冲1-11的内部的一侧底端，极磁缓冲1-11的截面为极顶漏磁检测头4的长方体板形上部去掉楔缓间隔1-4的结构。

楔形头1-1为位于楔缓间隔1-4正下方的截面形状为等腰三角形的结构，楔形头1-1的顶点部分为楔形尖1-8，该楔形头1-1的两侧为截面为平行四边形的楔屏间隔1-2。

楔形头1-1一侧的楔屏间隔1-2的外侧设置有截面为平行四边形的外屏蔽罩1-5，另一侧的楔屏间隔1-2的外侧依次设置有内屏蔽罩1-6、屏极间隔1-7和极1-10。内屏蔽罩1-6、屏极间隔1-7和极1-10的截面均为平行四边形。

外屏蔽罩1-5和内屏蔽罩1-6的底部为截面是平行四边形的屏蔽罩缩进1-3，极1-10靠近屏极间隔1-7侧的底部角为极尖1-9。

检测部分包括楔形头1-1和楔形尖1-8，漏磁经楔形尖1-8读取后，经楔形头1-1，通过楔缓间隔1-4和极磁缓冲1-11，返回励磁单元。其中楔形尖的宽度和角度为一个关键尺寸，直接决定楔形头1-1对缺陷漏磁磁场的读取能力。

屏蔽部分包括楔屏间隔1-2、外屏蔽罩1-5和内屏蔽罩1-6。

楔屏间隔1-2数量为两个，分别设置于外屏蔽罩1-5内屏蔽罩1-6与楔形头1-1之间，阻断屏蔽罩和楔形头之间的干扰。

外屏蔽罩1-5的作用是截取从励磁单元来的杂散磁场(stray field)，以及从待测样品中出来的非局域(non-localized)磁场。如图3所示为本发明实施例提供的缺陷位于楔形尖下方时磁场的分布图，图3中显示了外屏蔽罩1-5的屏蔽效应，可以看到，前屏蔽罩整体上磁化强度远超楔形头1-1。

内屏蔽罩1-6的作用是阻断极1-10对楔形头1-1的影响，使楔形头的检测范围局限在很小的尺寸内，提高漏磁检测技术对微小裂纹的定位和检测能力。

进一步的，内屏蔽罩1-6和外屏蔽罩1-5的底部分别设有屏蔽罩缩进1-3。屏蔽罩缩进1-3的作用是调节屏蔽罩屏蔽的局域大小，同时防止屏蔽罩本身饱和磁化，失去屏蔽作用。

磁通控制部分包括极1-10和楔缓间隔1-4。

极1-10位于楔形头1-1的一侧，其作用在于提供一个磁场回路，在保障充分局域饱和磁化待测样品时，避免过多的磁通通过外屏蔽罩1-5、内屏蔽罩1-6和楔形尖1-8。

极1-10的大小和角度可以依实际情况而定。极1-10靠近屏极间隔1-7侧的底部角为极尖1-9，极1-10采用高磁导率软磁材料，在待测样品已经饱和的情况下，还可以维持非饱和状态，这样就形成一个从极尖1-9往后的逐渐降低磁场，有利于楔形头的局域化检测微小缺陷。

通过调节楔缓间隔1-4的厚度可以控制楔形头1-1磁通的大小，楔缓间隔1-4的厚度越厚时，通过楔形头1-1的磁通越小，也就是安装在图2中A点的磁敏器件所检测到的直流背景分量越小。

缓冲部分包括极磁缓冲1-11，极磁缓冲1-11位于楔形头1-1极1-10与励磁单元1之间，其作用是导通励磁单元，引导过剩的励磁磁通从极1-10中通过，防止楔形头1-1的饱和磁化，失去对漏磁的检测作用。同时也有引导磁通路线的作用，使直流磁通尽可能的从待测样品深层通过。

本发明实施例，漏磁检测的适用范围的增大，表现在两个方面：降低需要激励磁场，提高缺陷位置及其大小的分辨率，同时，便于检测仪对微小裂纹的检测，推广了检测仪的使用范围；待测样品的局域饱和磁化降低了整体励磁磁场强度需求，在检测样品时，可以用小励磁单元取代原有的大励磁单元，便于检测仪的小型化，以及励磁交流频率的提高；对缺陷定位的进一步提高，这对于微小裂纹的检测特别有利，楔形尖作为检测头的优点是，楔形尖可以做到很小，结合上述的局域饱和磁化，也同样有利于微小裂纹的检测。

实施例一

本发明提供的实施例一为本发明提供的极顶漏磁检测头的测试实施例。图4是沿磁场测量路径上各点测量到的X和Y磁场分量因为缺陷通过时所引起的漏磁变化示意图。磁敏器件用于显示漏磁大小，可以安装在A点，B点或者其它位置。其中A点为楔形尖1-8的正下方，B点为极尖1-9正下方，C点为位于极1-10下方设定的起点位置。

图4中横坐标为测量路径上各点与起点位置的距离，纵坐标为磁场分量信号变化量，单位为特斯拉。从图4可以明显看出，在缺陷经过时，A点Y磁场分量也就是垂直待测样品表面方向，有一个明显的信号峰形。而B点在缺陷经过时，其X磁场方向，也就是平行待测样品表面方向，也有一个明显的信号峰形。这种明显的信号峰形，有利于缺陷的检测和判断。

具体的，图5为本发明实施例提供的测量的A点的Y磁场分量随缺陷位置的变化的示意图，图6为本发明实施例提供的测量的A点、B点和C点的Y磁场分量随缺陷位置的变化的示意图，图7为本发明实施例提供的测量的A点的X磁场分量随缺陷位置的变化的示意图，图8为本发明实施例提供的测量的A点、B点和C点的X磁场分量随缺陷位置的变化的示意图。

图5-图8中，横坐标为缺陷离磁铁中心的位置，单位为米，纵坐标为磁场分量，单位为特斯拉。从图5-图8可以看出，随着缺陷离磁铁中心位置的增加，A点、B点和C点的X磁场分量和Y磁场分量会存在极值，并且X磁场分量和Y磁场分量出现极值时，缺陷离磁铁中心位置靠近。

实施例二

本发明提供的实施例二为本发明提供的极顶漏磁检测头的实施例。

在本发明实施例中，极顶漏磁检测头利用高磁导率的软磁材料，例如NiFe，CoFe合金或者纯铁等制造。

在本发明实施例中，极顶漏磁检测头的实施例的尺寸为：

楔形头1-1底部宽度：0.4毫米；

楔形头1-1顶部宽度：8毫米；

楔形头1-1高度：10毫米；

楔屏间隔1-2宽度：1毫米；

屏蔽罩缩进1-3：1毫米；

楔缓间隔1-4宽度：1毫米；

外屏蔽罩1-5宽度：2毫米；

内屏蔽罩1-6宽度：2毫米；

屏极间隔1-7宽度：1毫米；

极1-10宽度：10毫米；

极磁缓冲1-11高度：15毫米；

极样间隔1-13高度：0.5毫米。

在本发明实施例中，调整极1-10的大小之后，整个极端检测头2-4可以前后颠倒过来安装。这种安装方式的一个优点是，缺陷的检测深度进一步加深。

极1-10的大小优化可以配套励磁单元的大小。同时楔形头1-1，楔屏间隔1-2，外屏蔽罩1-5，内屏蔽罩1-6，屏极间隔1-7，极1-10等的角度，会因为不同待测样品和不同缺陷种类而有所变化。其不同的角度变化，都是本发明的自然延伸，并且包含在本发明之内。

磁敏器件的安装位置，除上述楔形尖1-8正下方A点，极尖1-9正下方B点之外，还可以在楔形头1-1里面或者其它位置。在楔形头1-1里面的优点是，信号的直流分量减小。

本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极顶漏磁检测头，其特征在于，所述极顶漏磁检测头包括：检测部分，屏蔽部分，磁通控制部分和缓冲部分；

所述检测部分用于拾取缺陷的漏磁信号；

所述屏蔽部分用于截取从励磁单元来的杂散磁场以及屏蔽其他磁场的干扰；

所述磁通控制部分提供磁场回路，在保障充分局域饱和磁化待测样品时，避免过多的磁通通过检测部分和屏蔽部分；

所述缓冲部分用于导通励磁单元，引导过剩的励磁磁通的通过。

2.如权利要求1所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述极顶漏磁检测头(4)在垂直于待测样品的方向的截面的上部为长方形、下部为梯形；所述极顶漏磁检测头(4)的结构为所述截面往所述截面两侧延伸形成的结构体形；

所述极顶漏磁检测头(4)的结构包括：楔形头(1-1)、楔屏间隔(1-2)、屏蔽罩缩进(1-3)、楔缓间隔(1-4)、外屏蔽罩(1-5)、内屏蔽罩(1-6)、屏极间隔(1-7)、楔形尖(1-8)、极尖(1-9)、极(1-10)和极磁缓冲(1-11)；

所述极顶漏磁检测头(4)的上部为所述楔缓间隔(1-4)和所述极磁缓冲(1-11)；所述楔缓间隔(1-4)的截面为长方形，位于极磁缓冲(1-11)的内部的一侧底端；所述极磁缓冲(1-11)的截面为所述极顶漏磁检测头(4)的长方体板形上部去掉所述楔缓间隔(1-4)的结构；

所述楔形头(1-1)为位于所述楔缓间隔(1-4)正下方的截面形状为三角形的结构，所述楔形头(1-1)的顶点部分为所述楔形尖(1-8)，所述楔形头(1-1)的两侧为截面为平行四边形的所述楔屏间隔(1-2)；

所述楔形头(1-1)一侧的所述楔屏间隔(1-2)的外侧设置有截面为平行四边形的外屏蔽罩(1-5)，另一侧的所述楔屏间隔(1-2)的外侧依次设置有所述内屏蔽罩(1-6)、所述屏极间隔(1-7)和所述极(1-10)；所述内屏蔽罩(1-6)、屏极间隔(1-7)和极(1-10)的截面均为平行四边形；

所述极(1-10)靠近屏极间隔(1-7)侧的底部的角为极尖(1-9)。

3.如权利要求2所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述检测部分包括所述楔形头(1-1)和所述楔形尖(1-8)，漏磁经所述楔形尖(1-8)读取后，经所述楔形头(1-1)，通过所述楔缓间隔(1-4)和所述极磁缓冲(1-11)，返回励磁单元。

4.如权利要求2所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述屏蔽部分包括楔屏间隔(1-2)、外屏蔽罩(1-5)和内屏蔽罩(1-6)；

所述楔屏间隔(1-2)数量为两个，分别设置于所述外屏蔽罩(1-5)和内屏蔽罩(1-6)与所述楔形头(1-1)之间，阻断所述外屏蔽罩(1-5)和内屏蔽罩(1-6)与所述楔形头(1-1)之间的干扰；

所述外屏蔽罩(1-5)的作用是截取从励磁单元来的杂散磁场，以及从待测样品中出来的非局域磁场；

所述内屏蔽罩(1-6)阻断所述极(1-10)对所述楔形头(1-1)的影响。

5.如权利要求4所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述外屏蔽罩(1-5)和所述内屏蔽罩(1-6)的底部为截面是平行四边形的屏蔽罩缩进(1-3)；所述屏蔽罩缩进(1-3)调节屏蔽罩屏蔽的局域大小，同时防止屏蔽罩本身饱和磁化，失去屏蔽作用。

6.如权利要求2所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述磁通控制部分包括所述极(1-10)和楔缓间隔(1-4)；

所述极(1-10)位于所述楔形头(1-1)的一侧，提供一个磁场回路，在保障充分局域饱和磁化待测样品时，避免过多的磁通通过所述外屏蔽罩(1-5)、内屏蔽罩(1-6)和楔形尖(1-8)；通过调节所述楔缓间隔(1-4)的厚度控制所述楔形头(1-1)磁通的大小，所述楔缓间隔(1-4)的厚度越厚时，通过所述楔形头(1-1)的磁通越小。

7.如权利要求6所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述极(1-10)的大小和角度依实际情况设定；所述极(1-10)采用高磁导率软磁材料，在待测样品已经饱和的情况下，继续维持非饱和状态，形成一个从所述极尖(1-9)往后的逐渐降低磁场；

所述高磁导率软磁材料为NiFe、CoFe合金、纯铁中的一种。

8.如权利要求2所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述缓冲部分包括极磁缓冲(1-11)，极磁缓冲(1-11)位于楔形头(1-1)极(1-10)与励磁单元之间，导通所述励磁单元，引导过剩的励磁磁通从所述极(1-10)中通过，防止所述楔形头(1-1)的饱和磁化，失去对漏磁的检测作用，并引导磁通路线，使直流磁通尽可能的从所述待测样品的深层通过。

9.如权利要求2所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述极顶漏磁检测头的尺寸为：

所述楔形头(1-1)底部宽度：0.4毫米；顶部宽度：8毫米；高度：10毫米；

所述楔屏间隔(1-2)宽度：1毫米；

所述屏蔽罩缩进(1-3)：1毫米；

所述楔缓间隔(1-4)宽度：1毫米；

所述外屏蔽罩(1-5)宽度：2毫米；

所述内屏蔽罩(1-6)宽度：2毫米；

所述屏极间隔(1-7)宽度：1毫米；

所述极(1-10)宽度：10毫米；

所述极磁缓冲(1-11)高度：15毫米。

10.如权利要求2所述的极顶漏磁检测头，其特征在于，所述极顶漏磁检测头上安装有磁敏器件，所述磁敏器件安装于所述极顶漏磁检测头的所述楔形尖(1-8)的正下方或所述极尖(1-9)正下方或所述楔形头(1-1)里面。