CN109856232A - 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 - Google Patents
一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109856232A CN109856232A CN201910318008.5A CN201910318008A CN109856232A CN 109856232 A CN109856232 A CN 109856232A CN 201910318008 A CN201910318008 A CN 201910318008A CN 109856232 A CN109856232 A CN 109856232A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnetic field
- bragg grating
- chamber
- fiber bragg
- field sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 3
- XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N iron silicon Chemical compound [Si].[Fe] XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 8
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 abstract 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 abstract 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 5
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 102100024513 F-box only protein 6 Human genes 0.000 description 1
- 101001052796 Homo sapiens F-box only protein 6 Proteins 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅F‑P腔磁场传感器的漏磁无损探测器。包含电源模块，宽带光源，耦合器，光纤光栅F‑P腔磁场传感器，光电探测器，数据采集卡，磁化线圈结构，计算机，精密电位器，单片机，液晶屏，按键。磁化结构将被测物体局部磁化至饱和，当其表面有裂缝存在时，即产生漏磁场；光源发射光波经过耦合器到达光纤光栅F‑P腔的磁敏感结构，在漏磁场作用下，磁致伸缩管发生伸缩效应导致F‑P腔腔长会发生变化，最终导致光纤F‑P腔反射光干涉信号光谱特性发生变化，带有磁场信息的反射光干涉信号经耦合器的输出口由光电探测器转变成电信号，传输到数据采集卡经A/D转化为数字信号输送至计算机，计算机再对缺陷信号进一步处理和分析，明确缺陷特性。
Description
技术领域
本发明属于无接触金属检测的仪器仪表技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损检测技术。
背景技术
国外对漏磁检测技术展开研究的时间较早，1933年，Zuschlug初次指出采用磁敏传感器探测漏磁场的概念，但是一直到1947年Hanstings才研制出第一代缺陷漏磁探伤***，然后社会开始认识到漏磁检测技术的真实性及价值。
1966年，Shcherb-inin、Zatsepin通过建立磁偶极子模型，计算管道外表面上的无限长开口裂纹，苏联在同一年发表文章定量分析工件故障处产生的漏磁场，在文章中表示用无限长磁偶极带、磁偶极线、磁偶极子模拟被测物体外表上的点状缺陷、裂开的缝、浅裂痕。
基于铁磁性材料的高磁导率和磁折射物理特性基础之上的漏磁检测原理一直沿用到现在，但这些应用主要还是以定性检测为主。
现有技术均建立在现有的漏磁检测原理认识基础之上，也即缺陷的磁泄漏从机制上讲是由被检测导磁构体的磁导率所决定的。这导致现有的漏磁检测方法存在着有待解决的工程问题。
光纤传感主要是以光纤本身作为传输介质，光波传输作为载体，光能传输和调制解调待测信号，传感灵敏度非常高。跟传统的传感技术比较，光纤直径小质量轻、信号衰减较弱、可以同时完成信息传输与传感，由于其独特的性能优势，光纤传感器非常适合于强磁场、易燃易爆、强热福射、高温高压等异常环境下检测。因此，光纤传感技术受到了广泛的关注，能够应用于很多领域，推动传感技术不断地向前进步。所以下面会介绍该理念状态下的革新变化装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在新理论：基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的作用下，利用漏磁来达到无损检测被测物体的方法，且拥有高效率低能耗高准确率的优点
本发明通过以下技术方案实现：由电源模块(1)，宽带光源(2)，耦合器(3)，光纤光栅F-P腔磁场传感器(4)，光电探测器(5)，PCIe9757数据采集卡(6)，磁化线圈结构(7)，计算机(8)，精密电位器(9)，单片机(10)，液晶屏(11)，按键(12)其特征在于：电源模块(1)为各部分供电，单片机(10)产生可调方波通过精密电位器(9)调节幅值、通过按键(12)调节频率，并在液晶屏(11)上显示，送入磁化线圈结构(7)产生磁场，磁化待测构件，宽带光源(2)发射光波经过耦合器(3)到达光纤光栅F-P腔磁场传感器(4)，在漏磁场的作用下，磁致伸缩管发生伸缩效应，导致光纤F-P腔的腔长会发生变化，最终导致光纤F-P腔反射光干涉信号光谱特性发生变化，带有磁场信息的反射光干涉信号经过耦合器(3)的输出口端经由光电探测器(5)转变成电信号，传输到PCIe9757数据采集卡(6)中经A/D转化为数字信号输送至计算机(8)，计算机(8)再对缺陷信号进一步处理、分析、判断，探测出缺陷的尺寸类型等特性。
所述的磁化线圈结构(7)的材料为铁硅氧体，为圆弧形，张角为270°，厚度为2cm，半径为10cm，长度为7cm。
本发明的工作原理是：磁场具有扩散与聚集特性，在介质的分界面处，磁场的扩散与聚集传递遵循连续条件：①切向磁场强度相等；②法向磁感应强度相等。即:
式中，e是垂直于界面的单位矢量，由介质1指向介质2；B1(H1)及B2(H2)分别为介质1(磁导率为μ1)和介质2(磁导率为μ2)内的磁感应强度(磁场强度)，它们在介质1及2内与中法线e的夹角分别为α1、α2。由式(1)可得：
式(2)中，Bne(Hne)及Bnτ(Hnτ)分别为在介质n(n＝1,2)内磁感应强度(磁场强度)的法向分量和切向分量，也即得：
式(3)构成磁折射扩散规则。磁的折射偏转方向与入射角以及介质的导磁率有关。磁场方向与介质面几何形状构成入射角α1。由于α1＝0°或α1＝90°的磁入射角只有在理想的介质面几何形状条件下发生，所以结合实际的磁入射角范围0<α1<90°对式(3)作如下讨论。
(1)当μ2＝μ1时，有α2＝α1，磁感应线直接穿越界面不发生折射。在同一磁化场H下，由B＝μH可知B2＝B1，此时两者磁压相等，磁压差为零的情况下互不发生磁泄漏。
(2)当μ2≤μ1时，有α2≤α1，μ2介质内磁感应线发生折射，且折向法线n，形成磁通量由μ1介质向μ2介质的泄漏扩散。
此时，由于B2＝μ2H≤μ1H＝B1，存在着由μ1介质向μ2介质的磁压差，会形成由前者向后者的磁泄漏扩散，当μ1介质为导磁构件，μ2介质为空气时，最终形成由导磁构件向空气的磁泄露。由于在介质的交界面，突变的缺陷也即0<α1<90°条件，所以这就是现有的缺陷磁空气泄漏原理及其相应的漏磁检测方法。
但不管怎样，因为μ2(μair＝1)≥1，所以
可见，由于μ2(μair＝1)≥1的存在，导致偏转泄漏角有最大值90°-α2。
(3)由(1)、(2)分析，进一步地，假设存在某种介质μ2→0或μ2＝0，则会得到：
或
这样，磁感应线的折射线更加偏向中法线并与之重合，发生最为严重的极端折射，导致最终磁泄漏。此时，光纤光栅F-P腔磁场传感器内：根据FBG F-P的光谱特征理论模型。
设光纤光栅FBG1的长度L1，反射及透射系数分别为rg1、tg1；光纤光栅FBG2的
长度L2，反射及透射系数分别为rg2、tg2；FBG F-P腔长为h。
假设两个光纤光栅完全一样，并令反射系数和折射系数分别为rg1＝rg2＝|rg|exp(iфr)，tg1＝tg2＝|tg|exp(iфt)，其中фr，фt分别是两光栅的反射相移系数及透射相移系数。将两个光栅均设计成弱反射率的光栅时，能进一步得出弱反射率P-FFBG腔的反射系数为：
rF-P(λ)≈rg(λ)【1+exp(iфF-P)】 (7)
其中为FBG F-P腔的相移系数，其中LF-P≈Lg+h，Lg＝(L1+L2)/2,rg为光栅反射系数，λ为光波波长。
光纤光栅F-P腔弱磁场传感器中的腔长在磁场作用下发生变化，通过解调F-P传感器的腔长，即可实现微弱磁场的探测。采用条纹计数法处理光谱信号从而计算得出腔长值。干涉光的输出光强表达式为：
由于设计中采用的啁啾光纤光栅具有很低的反射率(R<<1)，上式可近似为：
IR＝2R【1-cos(4Πnh/λ)】I0 (9)
在腔长h不变的情况下，干涉光输出强度随波长的分布呈近似余弦，假设光源为理想光源，即输出光强随波长均匀分布，由式(9)可以看出当波长位于λmin时，干涉输出光有极小值；同理当波长位于λmax时，干涉输出光有极大值.
λmin,λmax分别满足：
假设干涉输出条纹的第m级和第m+n级极大值处对应的波长分别为λm和λm+n，则有：
由式(10)与式(11)可得F-P腔腔长h的表达式为：
式(12)中不含光源光强项，避免了光强波动对求解腔长的影响，干涉输出
条纹的峰值波长准确性决定腔长求解的准确性。然后可有计算机计算出腔长变化对于漏磁的检测从而提高精确度。
本发明的有益效果是：本发明的设计中以漏磁探测原理为探测方法辅以光纤光栅传感器，以磁场强度变化和损伤位置与损伤情况的函数关系为基础，对金属构件的损伤进行无损检测。能实现无接触探测，且测量精确度较高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损探测器工作流程图。
图2是基于光纤光栅F-P腔磁场传感器结构示意图。
具体实施方式
一种基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损探测器，由电源模块(1)，宽带光源(2)，耦合器(3)，光纤光栅F-P腔磁场传感器(4)，光电探测器(5)，PCIe9757数据采集卡(6)，磁化线圈结构(7)，计算机(8)，精密电位器(9)，单片机(10)，液晶屏(11)，按键(12)其特征在于：电源模块(1)为各部分供电，单片机(10)产生可调方波通过精密电位器(9)调节幅值、通过按键(12)调节频率，并在液晶屏(11)上显示，送入磁化线圈结构(7)产生磁场，磁化待测构件，宽带光源(2)发射光波经过耦合器(3)到达光纤光栅F-P腔磁场传感器(4)，在漏磁场的作用下，磁致伸缩管发生伸缩效应，导致光纤F-P腔的腔长会发生变化，最终导致光纤F-P腔反射光干涉信号光谱特性发生变化，带有磁场信息的反射光干涉信号经过耦合器(3)的输出口端经由光电探测器(5)转变成电信号，传输到PCIe9757数据采集卡(6)中经A/D转化为数字信号输送至计算机(8)，计算机(8)再对缺陷信号进一步处理、分析、判断，探测出缺陷的尺寸类型等特性。
Claims (5)
1.基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损探测器，由电源模块(1)，宽带光源(2)，耦合器(3)，光纤光栅F-P腔磁场传感器(4)，光电探测器(5)，数据采集卡(6)，磁化线圈结构(7)，计算机(8)，精密电位器(9)，单片机(10)，液晶屏(11)，按键(12)组成；其特征在于：电源模块(1)为各部分供电，单片机(10)产生可调方波通过精密电位器(9)调节幅值，通过按键(12)调节频率，并在液晶屏(11)上显示，送入磁化线圈结构(7)产生磁场，磁化待测构件，磁化线圈结构(7)的材料为铁硅氧体，为圆弧形，张角为270°，厚度范围为0.5-2cm，半径范围为5-10cm，长度范围为3-7cm，宽带光源(2)发射光波经过耦合器(3)到达光纤光栅F-P腔磁场传感器(4)，在漏磁场的作用下，磁致伸缩管发生伸缩效应，导致光纤F-P腔的腔长会发生变化，最终导致光纤F-P腔反射光干涉信号光谱特性发生变化，带有磁场信息的反射光干涉信号经过耦合器(3)的输出口端经由光电探测器(5)转变成电信号，传输到数据采集卡(6)中经A/D转化为数字信号输送至计算机(8)，计算机(8)再对缺陷信号进一步处理，探测出缺陷的尺寸和类型。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损探测器,其特征在于:光纤光栅F-P腔磁场传感器(4)与待测构件间隔1mm-2mm。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损探测器,其特征在于:单片机(10)产生的方波频率范围为10HZ-1KHZ，幅值范围为1V-3.3V可调。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损探测器,其特征在于:电源模块(1)型号是MPS-3002L-3，输出电压范围是0～30V、精度范围为0～2V，输出电流精度是0.1A。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P腔磁场传感器的漏磁无损探测器,其特征在于:数据采集卡(6)作为漏磁检测装置中的数据采集模块，该数据采集卡兼容PCI2.0总线接口标准，能够实现高速数据传输。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910318008.5A CN109856232A (zh) | 2019-04-19 | 2019-04-19 | 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910318008.5A CN109856232A (zh) | 2019-04-19 | 2019-04-19 | 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109856232A true CN109856232A (zh) | 2019-06-07 |
Family
ID=66889337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910318008.5A Pending CN109856232A (zh) | 2019-04-19 | 2019-04-19 | 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109856232A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110537925A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-12-06 | 河南大学 | 光纤导入式氧饱和度检测装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7413011B1 (en) * | 2007-12-26 | 2008-08-19 | Schlumberger Technology Corporation | Optical fiber system and method for wellhole sensing of magnetic permeability using diffraction effect of faraday rotator |
| US20120218559A1 (en) * | 2011-02-25 | 2012-08-30 | University Of Western Australia | Optical cantilever based analyte detection |
| WO2015155877A1 (ja) * | 2014-04-10 | 2015-10-15 | 株式会社日立製作所 | 検査プローブ、検査システム、及び検査方法 |
| CN107632060A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-01-26 | 电子科技大学 | 一种基于光纤磁场传感的管道缺陷检测装置 |
| CN108956756A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-07 | 浙江科技学院 | 一种高灵敏铁磁材料无损检测方法及*** |
| CN209727848U (zh) * | 2019-04-19 | 2019-12-03 | 中国计量大学 | 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 |
-
2019
- 2019-04-19 CN CN201910318008.5A patent/CN109856232A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7413011B1 (en) * | 2007-12-26 | 2008-08-19 | Schlumberger Technology Corporation | Optical fiber system and method for wellhole sensing of magnetic permeability using diffraction effect of faraday rotator |
| US20120218559A1 (en) * | 2011-02-25 | 2012-08-30 | University Of Western Australia | Optical cantilever based analyte detection |
| WO2015155877A1 (ja) * | 2014-04-10 | 2015-10-15 | 株式会社日立製作所 | 検査プローブ、検査システム、及び検査方法 |
| CN107632060A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-01-26 | 电子科技大学 | 一种基于光纤磁场传感的管道缺陷检测装置 |
| CN108956756A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-07 | 浙江科技学院 | 一种高灵敏铁磁材料无损检测方法及*** |
| CN209727848U (zh) * | 2019-04-19 | 2019-12-03 | 中国计量大学 | 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 孙燕华;康宜华;: "一种基于磁真空泄漏原理的漏磁无损检测新方法", 机械工程学报, no. 14, 20 July 2010 (2010-07-20), pages 18 - 23 * |
| 郭振武;李维祥;郭转运;孙桂玲;王文博;: "F-P光纤传感器的损耗特性分析及其研制", 仪表技术与传感器, no. 05, 15 May 2007 (2007-05-15), pages 11 - 14 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110537925A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-12-06 | 河南大学 | 光纤导入式氧饱和度检测装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN209727848U (zh) | 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 | |
| CN106526277B (zh) | 一种用于低压光学电流传感器的新型光路传感单元 | |
| CN104297642B (zh) | 一种光纤局部放电检测*** | |
| CN102859383A (zh) | 光纤电流传感器 | |
| CN104165684B (zh) | 基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器 | |
| CN101509962A (zh) | 一种磁感应强度的测量方法及装置 | |
| CN207352076U (zh) | 一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器 | |
| Buchade et al. | Simulation and experimental studies of inclined two fiber displacement sensor | |
| CN105928469B (zh) | 一种高灵敏可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传感器 | |
| CN101782601A (zh) | 一种级连式光纤光栅自解调电流传感器 | |
| CN105043718A (zh) | 一种光学偏振器件分布式偏振串扰测量的噪声抑制装置与抑制方法 | |
| CN107632060A (zh) | 一种基于光纤磁场传感的管道缺陷检测装置 | |
| CN109856232A (zh) | 一种基于光纤光栅f-p腔磁场传感器的漏磁无损探测器 | |
| CN109116272A (zh) | 一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器以及制备方法 | |
| CN109387760A (zh) | 一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***及方法 | |
| CN101403768A (zh) | 基于光纤磁光效应的光纤电流传感测量*** | |
| CN103759776B (zh) | 一种全光学化的气体质量流量监测装置和方法 | |
| CN102645168A (zh) | 一种全光纤频域干涉纳米微位移测量*** | |
| CN207600625U (zh) | 一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器 | |
| CN208313481U (zh) | 基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪 | |
| CN101710148A (zh) | 一种电流互感器及电流检测*** | |
| CN109839433A (zh) | 基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置及方法 | |
| CN106291039A (zh) | 磁光电流互感器 | |
| CN109406103A (zh) | 一种基于白光干涉的光缆损伤识别及电流传感装置 | |
| CN209589854U (zh) | 一种基于光纤环形腔衰荡的无芯光纤氢气传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |