CN113608154A - 一种原位磁导率检测探头、设备和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位磁导率检测探头、设备和检测方法，原位磁导率检测探头包括U型铁芯、励磁线圈和接收线圈，励磁线圈激发出磁感线，接收线圈待测件在磁路中产生内部感应磁场，接收线圈在内部感应磁场的作用下产生感应电压，进而根据感应电压获得待测件的磁导率。将原位磁导率检测探头设计成U型结构，在检测待测件时U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合时形成一个闭合环路，克服了现有环形结构对大结构组件无法测量的缺陷，实现了磁导率的原位、无损检测。

Description

一种原位磁导率检测探头、设备和检测方法

技术领域

本发明涉及磁导率检测领域，特别是涉及一种原位磁导率检测探头、设备和检测方法。

背景技术

在现代社会，在生产和维护过程中，不可否认需要对机器、金属部件、工具和建筑材料中的金属质量进行控制。

无损检测传感器已经被证明是确定材料服役质量的最有效的方法，因为它们不仅可以在施工过程中检测缺陷，也可以在维护过程中检测缺陷，而不会干扰或阻碍其使用。而现有的无损检测传感器是环形结构，当待检测组件是大结构的一部分时，待检测组件不容易拆卸或完全停止运转，导致无损检测传感器无法环绕在待检测组件上进行检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位磁导率检测探头、设备和检测方法，以实现待测件磁导率的原位检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种原位磁导率检测探头，所述探头包括：U型铁芯、励磁线圈和接收线圈；

励磁线圈缠绕在U型铁芯的中部，接收线圈缠绕在U型铁芯的一个芯脚上；

所述U型铁芯用于在U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合时形成一个闭合环路；所述励磁线圈用于通入电源后在闭合环路中激发出磁感线，激发出的磁感线在所述闭合环路中形成磁路；所述待测件用于在所述磁路中产生内部感应磁场；所述接收线圈用于在所述内部感应磁场的作用下产生感应电压。

可选的，所述励磁线圈为直径1mm的漆包线，总长度为2cm；

所述励磁线圈在U型铁芯的中部缠绕4层，每层缠绕17圈。

可选的，所述接收线圈为直径0.1mm的漆包线，总长度1.8cm；

所述接收线圈在U型铁芯的一个芯脚上缠绕15层，每层缠绕10圈。

一种原位磁导率检测设备，所述设备包括：信号发生器、信号显示装置和前述的原位磁导率检测探头；

原位磁导率检测探头中U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合；

信号发生器与原位磁导率检测探头的励磁线圈的两端连接，所述信号发生器用于为所述励磁线圈提供交流信号，使励磁线圈在交流信号的作用下激发出磁感线；

原位磁导率检测探头的接收线圈的一端与信号显示装置连接，原位磁导率检测探头的接收线圈的另一端接地；所述接收线圈用于在待测件产生的内部感应磁场中产生感应电压，并将所述感应电压传输至信号显示装置进行显示。

可选的，所述设备还包括：信号放大电路；

信号放大电路的输入端与所述原位磁导率检测探头的接收线圈的一端连接，信号放大电路的输出端与信号显示装置连接；

所述信号放大电路用于放大所述电压信号，并将放大后的电压信号传输至信号显示装置。

可选的，所述信号放大电路包括：运算放大器、分压电阻和电容；

所述运算放大器的第一输入端与所述原位磁导率检测探头的接收线圈的一端连接，所述运算放大器的第二输入端接地，所述运算放大器的输出端与信号显示装置连接；

分压电阻和电容并联后的一端与所述运算放大器的第一输入端连接，并联后的另一端与所述运算放大器的输出端连接。

可选的，所述信号显示装置还与励磁线圈的一端连接，所述信号显示装置还用于显示励磁线圈的交变电压，根据励磁线圈的交变电压和接收线圈的感应电压获得磁滞回线并显示。

可选的，所述信号显示装置为数字示波器。

一种原位磁导率检测方法，所述方法应用前述的原位磁导率检测设备，所述方法包括：

将原位磁导率检测探头中U型铁芯的两个芯脚的底部与已知磁导率的参考测件表面贴合，获得所述参考测件的感应电压；

将原位磁导率检测探头中U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合，获得所述待测件的感应电压；

根据所述参考测件的感应电压、所述参考测件的磁导率和所述待测件的感应电压，利用磁导率与电压的关系式，确定所述待测件的磁导率。

可选的，所述磁导率与电压的关系式为：

其中，μ为磁导率，R₁为电阻，l₁为励磁线圈的长度，S为横截面的面积，N₁为励磁线圈的匝数，V₁为励磁线圈的电压，V₂为接收线圈的电位差，t为时间。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种原位磁导率检测探头、设备和检测方法，原位磁导率检测探头包括U型铁芯、励磁线圈和接收线圈，励磁线圈激发出磁感线，接收线圈待测件在磁路中产生内部感应磁场，接收线圈在内部感应磁场的作用下产生感应电压，进而根据感应电压获得待测件的磁导率。将原位磁导率检测探头设计成U型结构，在检测待测件时U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合时形成一个闭合环路，克服了现有环形结构对大结构组件无法测量的缺陷，实现了磁导率的原位、无损检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例一提供的原位磁导率检测探头的结构图；

图2为本发明实施例一提供的原位磁导率检测探头测量待测件时的等效磁路；

图3为本发明实施例一提供的原位磁导率检测探头测量待测件时的简化等效磁路；

图4为本发明实施例一提供的励磁线圈的等效电路；

图5为本发明实施例二提供的原位磁导率检测设备的电路图；

图6为本发明实施例三提供的原位磁导率检测方法的流程图；

符号说明：1-U型铁芯，2-励磁线圈，3-接收线圈，4-待测件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种原位磁导率检测探头、设备和检测方法，以实现待测件磁导率的原位检测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明主要利用轭形传感器对铁磁材料的磁导率进行原位检测，检测原理为：

磁导率(μ)定义为外磁场H作用于材料内部产生的磁场的磁通密度(B)之间的关系，如公式[1]所示:

任何材料的磁导率μ与自由空间的磁导率μ₀相比，可由公式2表示:

μ＝μ_r·μ₀ (2)

其中μ_r称为材料的相对磁导率。

对于铁磁性材料，μ_r的值远大于1，这使得其内部产生的磁场比在自由空间或空气中产生的磁场强得多。利用这一原理，可以很容易地检测出铁磁性材料，并且相比于一个无缺陷的组件，铁磁性材料内部的感应磁场将比预期的弱得多。

实施例一

本发明提供了一种原位磁导率检测探头，如图1所示，探头包括：U型铁芯1、励磁线圈2和接收线圈3。

励磁线圈2缠绕在U型铁芯1的中部，接收线圈3缠绕在U型铁芯1的一个芯脚上。图1中N₁为励磁线圈的匝数，N₂为接收线圈的匝数。

U型铁芯1用于在U型铁芯1的两个芯脚的底部与待测件4表面贴合时形成一个闭合环路；励磁线圈2用于通入电源后在闭合环路中激发出磁感线，激发出的磁感线在闭合环路中形成磁路；待测件4用于在磁路中产生内部感应磁场；接收线圈3用于在内部感应磁场的作用下产生感应电压。

传感器本身由于其形状，可以实现四分之三的磁路，被测材料完成剩下的部分，从而形成闭合回路如图1所示。

传感器由三个主要部分组成：轭型核心，由DTC4电工纯铁，作为整个磁路的磁通来源的励磁线圈2，和一个接收信号磁密度的接收线圈3。图1中，4为待测件。待测件4和原位磁导率检测探头之间的间隙也是可见的，在测量时必须考虑到这一点，因为如果估算不正确，它们可能会破坏测量结果。

原位磁导率检测探头的等效磁路如图2所示。图3为将间隙和铁芯的磁阻改为单一磁阻的简化形式。F₁和F₂分别为励磁线圈2和接收线圈3的磁动势，R_g1、R_g2为原位磁导率检测探头与待测件4间隙的磁阻，图2中的Rγ为轭形铁芯磁阻，图3中的Rγ为磁芯与上述间隙的组合磁阻，R_m为待测材料的磁阻，Φ为电路的磁通。

励磁线圈2由DT4C纯铁制成，DT4C纯铁具有高导磁率的特性，励磁线圈2为直径1mm的漆包线，总长度为2cm；励磁线圈2在U型铁芯1的中部缠绕4层，每层缠绕17圈。励磁线圈2可以被认为是一个理想电感Ls，串联电阻Rs，如图4所示。

接收线圈3为直径0.1mm的漆包线，总长度1.8cm；接收线圈3在U型铁芯1的一个芯脚上缠绕15层，每层缠绕10圈。

实施例二

本发明还提供了一种原位磁导率检测设备，如图5所示，设备包括：信号发生器、信号显示装置和实施例一的原位磁导率检测探头。

原位磁导率检测探头中U型铁芯1的两个芯脚的底部与待测件4表面贴合；

信号发生器与原位磁导率检测探头的励磁线圈2的两端连接，信号发生器用于为励磁线圈2提供交流信号，使励磁线圈2在交流信号的作用下激发出磁感线；

原位磁导率检测探头的接收线圈3的一端与信号显示装置连接，原位磁导率检测探头的接收线圈3的另一端接地；接收线圈3用于在待测件4产生的内部感应磁场中产生感应电压，并将感应电压传输至信号显示装置进行显示。

设备还包括：信号放大电路。信号放大电路的输入端与原位磁导率检测探头的接收线圈3的一端连接，信号放大电路的输出端与信号显示装置连接；信号放大电路用于放大电压信号，并将放大后的电压信号传输至信号显示装置。

信号放大电路包括：运算放大器、分压电阻和电容。运算放大器的第一输入端与原位磁导率检测探头的接收线圈3的一端连接，运算放大器的第二输入端接地，运算放大器的输出端与信号显示装置连接；分压电阻和电容并联后的一端与运算放大器的第一输入端连接，并联后的另一端与运算放大器的输出端连接。

信号显示装置还与励磁线圈2的一端连接，信号显示装置还用于显示励磁线圈2的交变电压，根据励磁线圈2的交变电压和接收线圈3的感应电压获得磁滞回线并显示。信号显示装置为数字示波器。

原位磁导率检测设备的设计原理为：

根据公式(1)，磁场强度H为:

磁通量密度B表示为：

通过公式(1)，利用公式(3)、(4)，磁导率为：

式(3)和(4)表明H正比于V₁，而B正比于V₂的积分。这意味着一个积分器电路必须实现获得接收线圈3的信号，以便在振荡器上形成滞后环。

基本积分器电路如图5所示。电气元件的取值如下:C₁＝2.2μF，C₂＝1μF，C₃＝C₄＝100nF，R₁＝0.1Ω，10W(功率电阻)，R₂＝1Ω，R3＝1kΩ，R₄＝1ΜΩ。输入电平由电流放大器控制。

电路图的组成详解：

本发明设计的磁导率检测的信号检测、处理及显示过程如图5所示，由A、B、C三个部分组成，A部分为检测探头部分，由实线框的信号拾取探头部分和分压电阻组成，电阻R₁、R₂和R₃为分压保护电阻；B部分为信号处理放大部分，由运算放大器及电阻R₄和电容C₁组成，运算放大器由正负15V的直流电源供电工作，正负15V的直流电源通过电容C₃和电容C₄接地；C部分为信号显示部分，信号处理放大部分通过电容C₂与信号显示部分的Y输入端口连接，检测探头部分的励磁线圈与信号显示部分的X输入端口连接，信号显示部分主要由数字示波器组成。

A部分中的实线框中左半部分为检测线圈，右半部分为接受线圈，分别对应图1中的励磁线圈2与接收线圈3，励磁线圈2与信号发生器连接，并由信号发生器提供交流信号V_in，将轭形探头的两脚置于待测材料表面，保证两脚与材料紧密贴合，由于检测线圈激发的磁导线在轭形铁芯与待测材料组成的闭合环路中形成，由于待测材料的磁导率与铁芯不同，对磁路的影响不同，这一变化由接收线圈3接收，信号通过导线传输至信号处理放大部分，由运算放大器将信号处理放大，最后传输至C部分由示波器显示。

实施例三

本发明还提供了一种原位磁导率检测方法，如图6所示，方法应用实施例二的原位磁导率检测设备，方法包括：

步骤101，将原位磁导率检测探头中U型铁芯1的两个芯脚的底部与已知磁导率的参考测件表面贴合，获得参考测件的感应电压；

步骤102，将原位磁导率检测探头中U型铁芯1的两个芯脚的底部与待测件4表面贴合，获得待测件4的感应电压；

步骤103，根据参考测件的感应电压、参考测件的磁导率和待测件4的感应电压，利用磁导率与电压的关系式，确定待测件4的磁导率。

磁导率与电压的关系式为：

其中，μ为磁导率，R₁为电阻，l₁为励磁线圈的长度，S为横截面的面积，N₁为励磁线圈的匝数，V₁为励磁线圈的电压，V₂为接收线圈的电位差，t为时间。

进而可推导出参考测件的感应电压、参考测件的磁导率、待测件4的感应电压和待测件4的磁导率的比例关系，根据比例关系即可确定待测件4的磁导率。

实施例四

作为传感器检测实例的支撑，证明传感器的可行性和实用性。

(一)典型材料的测量。

为了测试磁导率传感器的功能，首先在实验室中测量了各种样品。为了测试他们的校准，使用了传感器A和B。他们的结果放在一起比较。测量了输出的峰-峰值和均方根值，作为样品的磁导率的指示。这类测量是典型的用于检测工业应用组件的缺陷。

1.空气和铜片

首先，对传感器进行无负载测量。然后，测量一个典型的铜片。正如预期的那样，由于它们的磁性(或无磁性)，空气和铜制成的材料没有磁滞现象。

2.狗骨形钢试样测量

下一组测量的是狗骨形钢试样，首先测量其较宽的边缘，然后测量其较薄的中间部分。

3.电工钢样品

测量三种不同的电工钢试样，试样A表面涂绝缘清漆，轧制方向与试样长度平行。试样B也涂有绝缘清漆，其轧制方向与其长度垂直。最后，C试样无绝缘，轧制方向与长度平行。如式(6)所示，磁导率为μ，与V₂在已知所有其他值的情况下的积分成正比。输出结果由数字示波器(峰值-峰值)和台式万用表(RMS值)测量，如表1所示。

表1测量结果

很容易观察到两个传感器之间有轻微的变化。然而，这只影响传感器的偏移值，而不是它们测量应力的能力。

检查上述测量结果，很容易得出结论，磁导率传感器可以检测施加于金属部件的力，测量结果可以重复。这个基本原则可以用来评估组件所处的状态，以及它是有缺陷的还是有功能的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种原位磁导率检测探头，其特征在于，所述探头包括：U型铁芯、励磁线圈和接收线圈；

励磁线圈缠绕在U型铁芯的中部，接收线圈缠绕在U型铁芯的一个芯脚上；

所述U型铁芯用于在U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合时形成一个闭合环路；所述励磁线圈用于通入电源后在闭合环路中激发出磁感线，激发出的磁感线在所述闭合环路中形成磁路；所述待测件用于在所述磁路中产生内部感应磁场；所述接收线圈用于在所述内部感应磁场的作用下产生感应电压。

2.根据权利要求1所述的原位磁导率检测探头，其特征在于，所述励磁线圈为直径1mm的漆包线，总长度为2cm；

所述励磁线圈在U型铁芯的中部缠绕4层，每层缠绕17圈。

3.根据权利要求1所述的原位磁导率检测探头，其特征在于，所述接收线圈为直径0.1mm的漆包线，总长度1.8cm；

所述接收线圈在U型铁芯的一个芯脚上缠绕15层，每层缠绕10圈。

4.一种原位磁导率检测设备，其特征在于，所述设备包括：信号发生器、信号显示装置和权利要求1-3任一项所述的原位磁导率检测探头；

原位磁导率检测探头中U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合；

信号发生器与原位磁导率检测探头的励磁线圈的两端连接，所述信号发生器用于为所述励磁线圈提供交流信号，使励磁线圈在交流信号的作用下激发出磁感线；

原位磁导率检测探头的接收线圈的一端与信号显示装置连接，原位磁导率检测探头的接收线圈的另一端接地；所述接收线圈用于在待测件产生的内部感应磁场中产生感应电压，并将所述感应电压传输至信号显示装置进行显示。

5.根据权利要求1所述的原位磁导率检测设备，其特征在于，所述设备还包括：信号放大电路；

信号放大电路的输入端与所述原位磁导率检测探头的接收线圈的一端连接，信号放大电路的输出端与信号显示装置连接；

所述信号放大电路用于放大所述电压信号，并将放大后的电压信号传输至信号显示装置。

6.根据权利要求5所述的原位磁导率检测设备，其特征在于，所述信号放大电路包括：运算放大器、分压电阻和电容；

所述运算放大器的第一输入端与所述原位磁导率检测探头的接收线圈的一端连接，所述运算放大器的第二输入端接地，所述运算放大器的输出端与信号显示装置连接；

分压电阻和电容并联后的一端与所述运算放大器的第一输入端连接，并联后的另一端与所述运算放大器的输出端连接。

7.根据权利要求4所述的原位磁导率检测设备，其特征在于，所述信号显示装置还与励磁线圈的一端连接，所述信号显示装置还用于显示励磁线圈的交变电压，根据励磁线圈的交变电压和接收线圈的感应电压获得磁滞回线并显示。

8.根据权利要求4所述的原位磁导率检测设备，其特征在于，所述信号显示装置为数字示波器。

9.一种原位磁导率检测方法，其特征在于，所述方法应用权利要求4-8任一项所述的原位磁导率检测设备，所述方法包括：

将原位磁导率检测探头中U型铁芯的两个芯脚的底部与已知磁导率的参考测件表面贴合，获得所述参考测件的感应电压；

将原位磁导率检测探头中U型铁芯的两个芯脚的底部与待测件表面贴合，获得所述待测件的感应电压；

根据所述参考测件的感应电压、所述参考测件的磁导率和所述待测件的感应电压，利用磁导率与电压的关系式，确定所述待测件的磁导率。

10.根据权利要求9所述的原位磁导率检测方法，其特征在于，所述磁导率与电压的关系式为：

其中，μ为磁导率，R₁为电阻，l₁为励磁线圈的长度，S为横截面的面积，N₁为励磁线圈的匝数，V₁为励磁线圈的电压，V₂为接收线圈的电位差，t为时间。

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