CN112782274A

CN112782274A - 一种聚磁式的涡流传感器

Info

Publication number: CN112782274A
Application number: CN202110182154.7A
Authority: CN
Inventors: 龚裕; 黄晓菲; 刘增华; 陈政宇; 田九洲; 何存富
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-05-11

Abstract

本发明公开了一种聚磁式的涡流传感器，该传感器由激励线圈、线圈骨架、霍尔传感器、漏斗形磁屏蔽罩和铁氧体磁芯组合而成的磁聚焦涡流传感器。由于加入了磁芯和磁屏蔽罩等结构，将磁力线束缚在传感器内部，减小漏磁作用和背景磁场。并且通过引入漏斗形激励线圈的结构，可以起到磁场聚集的作用，随着倾斜角度的增加，传感器中心位置磁场会增强，增大了信号强度。该传感器从激励信号和接收信号两个方面提高了缺陷检测能力，有效提高了涂层微小缺陷的辨识率，增强检测信号的灵敏度。

Description

一种聚磁式的涡流传感器

技术领域

发明涉及一种用于涂层检测的聚磁式涡流传感器，属于电磁无损检测技术领域，由于磁场区域的中心集中，可以有效提高微小缺陷的辨识率，增强检测信号的灵敏度。

背景技术

涂层在制备过程中，常常出现微小裂纹、气孔等缺陷，裂纹的扩展会导致涂层分层，垂直的裂纹会导致结构失效。目前，最常用设备检测涂层方法包括：电涡流检测、金相检测、太赫兹检测、超声技术、红外检测等。金相检测虽然测量的误差比较小，达到了微米级，但该方法的实验试件制作加工过程较为复杂且厚度要求精确，所以成本比较高，而且会对试件造成损伤，只适合进行抽检。超声检测技术是利用波的反射原理，该方法测量的厚度范围比较大，一般为毫米级涂层，但是如遇到的涂层较薄，达到微米级厚度时，入射波与反射波很容易发生混叠，信号不易分离，并且超声检测在测试过程中还需要使用耦合剂，造成操作不便。太赫兹检测方法只适用于非导电涂层，并且价格昂贵，成本较高。X射线衍射法检测材料内部缺陷，但耗用的X射线胶片等器材费用较高，检验速度较慢，此外，射线对人体有害，需要采取适当的防护措施。在众多的无损检测技术中，涡流检测技术具有操作简单、设备便携、高灵敏度、不损伤检测试件、使用成本低等优点。另外它不需要耦合剂，价格便宜，非常适合涂层检测。

涡流传感器具有测量线性范围大，结构简单，不受油污等介质影响的特点，并且它频响宽，抗干扰能力强，在各个领域内被广泛使用。然而应用在涂层检测的涡流传感器面临许多困难，例如检测灵敏度不够，无法检测到微小缺陷等。因此研制一款以提高涂层微小缺陷识别能力的聚磁式涡流传感器是很有必要的。但是涡流传感器在检测时往往会受到磁噪声的干扰，使得检测灵敏度降低，为了减小消除背景磁场的干扰，为了更好地得到被检试件中由于缺陷存在扰动磁场的信号，需要引入磁屏蔽等结构。并且传感器线圈的几何形状及其参数也会对磁场的分布产生重要影响，因此通过传感器参数的优化，设计合理的传感器结构，从而提高传感器的检测性能是非常重要的。

本发明选择在磁场最强的位置采用霍尔传感器作为接受信号装置，搭配漏斗形铁氧体磁屏蔽罩，增大了缺陷检出效率，并且减小了背景噪声的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种高灵敏度的涂层缺陷检测的聚磁式涡流传感器，针对普通线圈信号强度低、检测灵敏度的问题，从激励信号和接收信号两个方面提高信号幅值。通过加入了磁芯和漏斗形磁屏蔽罩等结构，将磁力线束缚在传感器内部，屏蔽背景磁场的干扰，使能量集中在被测试件的局部区域，实现待检试件区域的中心磁场集中，增大缺陷检测的精度和检测效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

一种聚磁式的涡流传感器，包括激励线圈1、线圈骨架2、霍尔传感器3、漏斗形磁屏蔽罩4和圆柱形铁氧体磁芯5；其特征在于：线圈骨架2采用直径从底部到顶部均匀增大的漏斗形结构，骨架中心有一通孔用于将圆柱形铁氧体磁芯5固定，骨架顶部与磁屏蔽罩4底部相连，与圆柱形铁氧体磁芯5顶部处于同一平面；线圈骨架2外缠绕若干匝激励线圈，产生激励磁场；霍尔传感器3水平放置在骨架底部中心位置，位于圆柱形磁芯5正下方，霍尔传感器3底部与骨架底部2处在同一平面；磁屏蔽罩4嵌套在激励线圈外侧顶部采用全封闭结构，与线圈骨架2保持倾斜角度一致，与激励线圈1外部相连，并且骨架2、磁屏蔽罩4和圆柱形磁芯5的轴线重合。

所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：线圈骨架2外面绕制激励线圈，直径从底部到顶部均匀增大，其截面为平行四边形，将磁场聚焦在待测区域部分，产生梯度分布和高能量磁场。

所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：漏斗形磁屏蔽罩4嵌套在激励线圈外侧，由高磁导率锰锌铁氧体材料制成，减小空气中背景噪声的影响，将磁力线束缚在磁屏蔽罩内部，起导磁和屏蔽的作用。

所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：圆柱形磁芯5位于骨架中心通孔处，束缚空间磁力线以增强下方霍尔传感器检测信号的强度且获得丰富的磁场频率成分。

所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：霍尔传感器3位于所述磁芯下方，用于测量纵向方向上由线圈激励磁场与待测试件的磁场叠加后的总磁场，此位置磁场强度最大，接受信号磁场强度最强；

所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：该涡流传感器能够从激励和接收两个方面提高磁场强度，减小漏磁和背景磁场的影响，同时在有效趋肤深度范围内提高涂层微小缺陷辨识率，提高检测灵敏度。

本发明可以获得如下有益效果：

1、漏斗形线圈相较于常规涡流传感器中采用的圆形线圈，在接收信号位置处以及被测对象附近产生更大更集中的磁场、更集中的涡流分布；

2、铁芯置于接收信号装置的上方，使得更多磁力线经过接收信号装置，尽可能多的接收到信号，起到了聚磁作用；

3、漏斗形屏蔽罩将磁力线束缚在传感器内部，同时屏蔽了背景磁场的噪声，减小了空气中的漏磁。

附图说明

图1：聚磁式涡流传感器结构示意图；

图2：骨架与激励线圈示意图；

图3：磁屏蔽罩示意图；

图4：两种传感器涡流分布示意图；

图5：两种传感器磁力线分布示意图；

图6：两种传感器激励下磁场强度随距离变化示意图；

图7：两种传感器差分信号对比示意图；

图中，1、激励线圈，2、线圈骨架，3、霍尔传感器，4、磁屏蔽罩，5、铁氧体磁芯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

聚磁式涡流传感器结构示意图为图1所示。该传感器包括激励线圈1、线圈骨架2、霍尔传感器3、漏斗形磁屏蔽罩4和圆柱形铁氧体磁芯5。检测对象为45号钢喷涂铁基非晶涂层，规格为100×50×10(单位：mm)。激励线圈选用漏斗形，线圈的底部内径、外径、高度及线径对被测试件中的感应涡流密度和二级磁场强度起决定性作用，具体尺寸根据仿真结果确定。根据传感器结构，选用聚丙乙烯作为线圈骨架的材料，采用直径为0.06mm漆包线均匀同向围绕骨架绕制线圈；由于霍尔传感器线性度好、灵敏度高并且具有很大的量程范围，没有磁场滞后效应，选用霍尔传感器放置于线圈骨架底部中心位置处，测量轴向方向由线圈激励磁场与被检件检测磁场叠加后的总磁场；采用高磁导率锰锌铁氧体制作金属屏蔽罩，装配于线圈骨架的外部；采用高磁导率锰锌制作铁芯，装配于线圈骨架中心位置的通孔处。

在有限元仿真中建立二维轴对称模型，根据仿真结果采用控制变量法确定最终传感器尺寸。激励线圈内与骨架结构示意图如图2(a)所示，激励线圈高H＝8mm，倾斜角度为θ＝25°，线圈骨架通孔处***铁芯，底部放置霍尔传感器，铁芯高为6.5mm，并且从底部引出信号线。激励线圈与骨架中心高度处横截面示意图如图2(b)所示，线圈中心位置处内径R_i＝3mm，外径R_o＝4mm，铁芯内径d＝1mm。磁屏蔽罩结构示意图如图3所示，顶部为全封闭结构，厚度w＝2mm。

在线圈内通入频率f＝100Hz，幅值为5V的方波，研究聚磁式涡流传感器和普通线圈式传感器两种激励效果。图3所示为涡流分布，图4所示为磁力线分布。得到的普通线圈式和聚磁式下的感应电流密度最大值是8.7╳10⁵A/m²和1.27╳10⁴A/m²，普通线圈式下的感应电流密度较大，其原因是激励线圈产生的磁场遇到铁磁性材料时，磁场发生了部分衰减。但普通线圈的涡流分布却没有聚磁式的涡流分布集中，聚磁式的涡流更多集中分布在中心位置处。铁芯底部中心位置处有大部分磁力线经过，普通线圈在空气求解域中漏磁很多，聚磁式由于加入了磁屏蔽罩，将磁场控制在一定的范围之内，有效的减少了漏磁。如图5所示提取了磁场强度信号，可以看出聚磁式传感器中心位置处磁场强度最强最集中，普通线圈式分布范围广，并且磁场强度相对于聚磁式传感器小一些。

采用霍尔传感器作为接收信号装置，装配于铁芯底部中心位置，由于霍尔传感器是线性传感器，其输出电压与磁场成正比。因此提取该中心位置处磁场强度Z分量，将缺陷与无缺陷信号做差得到差分信号_△T，其值越大，说明传感器灵敏度越高。如图6所示，从图中可以看出，聚磁传感器相较于普通线圈传感器更为灵敏。随着缺陷半径增大，差分信号先增大后不变，这是由于可识别缺陷的尺寸受限于传感器的位置和尺寸，需根据检测目标量大小调整适合的传感器尺寸，因此，聚磁式传感器相较于同样尺寸的普通线圈式传感器的性能更好。

本发明设计的一种聚磁式涡流传感器，该传感器采用漏斗形线圈、圆柱形铁芯以及漏斗形磁屏蔽罩三种结构提高信号强度，并搭配以霍尔传感器作为接收装置，以提高激励信号和接收信号的信号强度两个方面为目的进行设计。当传感器工作时，对激励线圈通入电流，线圈产生动态磁场，同时在被测试件趋肤深度内产生涡流和感应磁场，涡流以及磁场受到缺陷扰动，作用于检测元件上，此时霍尔传感器检测的是由线圈激励的磁场与被检件检测磁场叠加后的总磁场。通过仿真发现，聚磁传感器相较于常规涡流传感器的磁场强度差分信号在相同缺陷半径下变化量更大，说明其灵敏度更高，验证了聚磁式涡流传感器可以提高缺陷识别能力、增强信号强度的特点。

Claims

1.一种聚磁式的涡流传感器，包括激励线圈、线圈骨架、霍尔传感器、漏斗形磁屏蔽罩和圆柱形铁氧体磁芯；其特征在于：线圈骨架采用直径从底部到顶部均匀增大的漏斗形结构，骨架中心有一通孔用于将圆柱形铁氧体磁芯固定，骨架顶部与磁屏蔽罩底部相连，与圆柱形铁氧体磁芯顶部处于同一平面；线圈骨架外缠绕若干匝激励线圈，产生激励磁场；霍尔传感器水平放置在骨架底部中心位置，位于圆柱形磁芯正下方，霍尔传感器底部与骨架底部处在同一平面；磁屏蔽罩嵌套在激励线圈外侧顶部采用全封闭结构，与线圈骨架保持倾斜角度一致，与激励线圈外部相连，并且骨架、磁屏蔽罩和圆柱形磁芯的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：骨架外面绕制激励线圈，直径从底部到顶部均匀增大，其截面为平行四边形，将磁场聚焦在待测区域部分，产生梯度分布和高能量磁场。

3.根据权利要求1所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：漏斗形磁屏蔽罩嵌套在激励线圈外侧，由高磁导率铁氧体材料制成，减小空气中背景噪声的影响，将磁力线束缚在磁屏蔽罩内部，起导磁和屏蔽的作用。

4.根据权利要求1所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：圆柱形磁芯位于骨架中心通孔处，束缚空间磁力线以增强下方霍尔传感器检测信号的强度且获得磁场频率成分。

5.根据权利要求1所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：霍尔传感器位于所述磁芯下方，用于测量纵向方向上由线圈激励磁场与待测试件的磁场叠加后的总磁场，此位置磁场强度最大，接收信号磁场强度最强。

6.根据权利要求1所述的一种聚磁式涡流传感器，其特征在于：涡流传感器能够从激励和接收两个方面提高磁场强度，减小漏磁和背景磁场的影响，同时在有效趋肤深度范围内提高涂层微小缺陷辨识率。