CN108195927A - 基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器，主要包括悬臂梁、调整永磁体、固定于悬臂梁末端的感知永磁体、安装于横梁末端的霍尔元件，其中感知永磁体提供垂直待测非铁磁性材料表面的静磁场；霍尔元件所在的横梁与悬臂梁底座相固定，霍尔元件测量永磁体上方的磁场强度。横梁上侧安装有调整永磁体，调整悬臂梁至水平。非铁磁材料与内部杂质磁化率不同，它们与感知永磁体的作用力大小不一致，导致悬臂梁挠度变化；悬臂梁挠度的改变将引起霍尔元件所在位置的磁场变化，进而导致霍尔元件输出电压改变。本发明公布的传感器，特别针对非铁磁材料中杂质的无损检测，并可依据检测结果对杂质的顺磁、抗磁或铁磁特性进行判定。

Description

基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器

技术领域

本发明公开了一种基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器，属于材料损伤的磁学无损检测领域。

背景技术

材料无损检测即利用材料的各种理化特性对材料的特性进行判定，杂质检测是材料无损检测的重要内容。基于磁化率测量原理，可以对材料中具有不同磁特性的杂质进行无损检测。

材料的磁特性依据材料磁化率的取值范围进行分类，主要分为铁磁材料、顺磁材料和抗磁材料三类。常用材料的磁化率测量方法为磁天平法，其原理为：材料在均匀梯度磁场中受到磁力作用，利用精密天平测量特定体积的材料在均匀梯度磁场中受到的磁力，再依据公式计算材料磁化率，该方法主要适用特定形状的材料样本或溶液样本，原因在于磁天平的励磁元件产生的励磁场只有在一定范围内是均匀的梯度变化的，因此该方法无法对块体材料局部磁化率进行评价。磁化率的另一种测量仪器是振动样品磁强计，适用于微小体积的材料样本。上述方法均无法直接应用于块体材料进行杂质无损检测。

本发明针对块体材料杂质的无损检测问题，基于磁化率测量原理，公布了一种基于悬臂梁结构的新型传感器，可以利用安装于横梁末端的霍尔元件输出电压信号反映被测材料及其内部杂质与悬臂梁末端永磁体间的作用力。本发明主要针对非铁磁性块体材料检测，可以依据磁敏元件输出电压信号变化分析杂质位置和磁特性。

发明内容

本发明基于磁化率测量原理提出一种针对非铁磁材料杂质无损检测的新型传感器。传感器的测量原理为，非铁磁性材料与内部杂质具有不同的磁化率，它们与感知永磁体的作用力大小不一致，导致悬臂梁末端的挠度变化；悬臂梁挠度的改变将引起霍尔元件所在位置处磁场变化，进而导致霍尔元件的输出电压发生改变。基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器主要包括悬臂梁、固定于悬臂梁末端的感知永磁体、安装于横梁上的调整永磁体、安装于横梁末端的霍尔元件。其中，感知永磁体安装于悬臂梁的下侧，提供垂直待测铁磁性材料表面的静态磁场；霍尔元件所在的横梁与悬臂梁底座相固定，霍尔元件固定于横梁末端，用于测量永磁体上方的磁场强度。在横梁上侧安装有调整永磁体，用于吸附悬臂梁末端的感知永磁体，抵消感知永磁体的自重，调整悬臂梁至水平。与磁天平法测量材料磁化率方法不同，采用被测材料固定，感知永磁体受力的方式，实现了材料表面局部磁化率的测量，并且可以通过改变悬臂梁及固定于悬臂梁末端的感知永磁体的尺寸提高检测空间分辨率或者传感器的灵敏度；悬臂梁作为磁力测量元件，相对于磁天平具有测力灵敏度高、体积小、抗干扰能力强、可移动等优点；线性霍尔元件是一种通用磁场检测元件，具有线性度好，稳定性强的优点；采用霍尔元件测量磁场变化，可以准确反映由于磁力变化引起的悬臂梁末端位移。因此，通过霍尔元件的输出信号变化的大小可以精确测量材料磁化率的变化，从而实现非铁磁材料中磁化率不同的杂质检测，霍尔元件输出信号的变化可以判断杂质的有无，变化的极性可以判断材料的磁性(顺磁、抗磁)。综上所述，基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器适用于非铁磁性块体材料杂质无损检测，并且可以确定杂质的磁性。

附图说明

图1为基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器检测原理图

图2为基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器三维图

图3为基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器俯视图

图4为基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器在扫描架上的工作示意图

图5为基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器在扫描架上的安装方式示意图

图6为基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器分别扫过空气、顺磁材料、抗磁材料、空气的扫查结果图

图7为基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器检测微弱抗磁材料中的顺磁杂质和磁化率不同的抗磁杂质的典型检测结果图

具体实施方式

图1示出了基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器的检测原理，所述感知永磁体9固定于悬臂梁1末端，与试件18通过磁力相互作用，试件18内存在两种与试件18磁化率不同的顺磁杂质25和抗磁杂质26，当感知永磁体经过顺磁杂质25或抗磁杂质26时，感知永磁体16与顺磁杂质25或者抗磁杂质26之间产生吸引或者排斥力，与感知永磁体16相固定的悬臂梁1产生向下或者向上的挠曲变形，从而改变了霍尔元件13与感知永磁体16之间的相对位置，导致霍尔元件13处的磁场发生变化，霍尔元件13检测到磁场变化并输出电压信号，通过霍尔元件13电压信号变化的极性和大小可以检测出杂质的磁性和位置等信息。调整永磁体9固定在横梁4上，用于与感知永磁体16相互作用，以消除由感知永磁体16自重引起的悬臂梁1挠曲变形。

图2示出了基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器的三维图，其中悬臂梁1与横梁4通过固定垫片3、螺栓2、螺母5固定在一起，悬臂梁1在两片垫片3之间，横梁4在螺母与垫片之间，横梁4与支架底座7、霍尔传感器支架15采用滑道结构连接，使其能够沿横梁4长度方向滑动，其目的是使霍尔元件位置与调整永磁***置可以随悬臂梁的尺寸改变而改变，以适应不同的检测需求，调整永磁体9固定于永磁体支架8上，支架底座7上有不封闭的半圆弧槽，用于安装永磁体支架8，使永磁体支架8可以绕其轴心转动，永磁体支架8两端的细长轴与支架底座7采用过盈配合，由于调整永磁体9与感知永磁体16之间磁力作用非常微弱，因此过盈配合可以保障永磁体支架8角度固定后不因磁力作用发生转动。固定螺母6用于固定调整永磁体底座7的水平位置，霍尔传感器13通过霍尔传感器支架15与横梁连接，印制电路板(PCB)12简化了霍尔元件的电路连线，并用连接螺栓11固定在霍尔传感器支架15上，霍尔元件13的供电和输出信号通过SMB微型转接头10进行转接。调整永磁体支架底座7及霍尔传感器支架15由横梁前端滑至横梁4中部，封头14封住横梁4的缺口，增加传感器的稳定性，感知永磁体16固定于悬臂梁1下侧，感知永磁体的剩磁强度及尺寸可根据检测需求进行设定，同时悬臂梁1的尺寸也发生相应改变。

图4示出了基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器在扫描架上的工作示意图，传感器21固定在扫描架20上，在距离试件18表面垂直距离0.5mm到2mm的高度处进行水平方向扫查实验，为避免测试误差，垫块17为非磁性材料，其磁化率参数应远小于被测试件，可使用干木料或者塑料等。

图5示出了基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器与扫描架的固定关系，U形固定块22有与传感器21横梁相匹配的滑槽用于固定传感器21横梁，U形固定块22与固定支架19通过固定螺钉23固定，四个调节螺丝24可用于调整传感器21横梁至水平。

图6示出了传感器21依次检测通过空气、顺磁试件、抗磁试件、空气的扫查结果图，设定传感器在空气中的检测电压为参考电压0，传感器21扫掠过顺磁材料时霍尔输出电压降低，扫掠过抗磁材料时霍尔传感器输出电压升高。

图7示出了基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器检测微弱抗磁材料中的顺磁杂质和磁化率不同的抗磁杂质的典型检测结果图，当抗磁材料中存在顺磁杂质时，传感器的输出电压值会迅速下降，当抗磁材料中存在顺磁杂质时，传感器的输出电压值会迅速上升，在实际检测中，传感器可以在试件表面进行C扫描实验，并对检测结果进行成像，可准确判断试件中杂质的位置和磁特性。

Claims (2)

1.基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器，其特征在于：包括悬臂梁、固定于悬臂梁末端的感知永磁体和安装于横梁末端的霍尔元件，霍尔元件所在的横梁与悬臂梁底座相固定，以测量永磁体上方的磁场强度；在横梁上侧安装有调整永磁体，用于吸附悬臂梁末端的感知永磁体，调整悬臂梁至水平；其中感知永磁体安装于悬臂梁的下侧，提供垂直待测铁磁性材料表面的静态磁场，当感知永磁体下方待测材料的磁化率改变时，感知永磁体与待测材料的相互作用力变化，导致悬臂梁末端产生位移，进而引起霍尔元件与感知永磁体的相对距离变化，也即霍尔元件处的电磁场发生变化。

2.依据权利要求1所述的基于磁化率测量原理的非铁磁性材料杂质无损检测传感器，其特征在于：

顺磁或铁磁性待测材料或杂质，对感知永磁体提供吸附作用力，导致悬臂梁末端向朝待测材料或杂质表面方向产生位移，霍尔元件的输出电压减小；抗磁待测材料或杂质，对感知永磁体提供排斥作用力，导致悬臂梁末端向远离待测材料或杂质表面方向产生位移，霍尔元件的输出电压增大。