CN114137065A - 一种金属裂纹/应力梯度检测传感器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属裂纹/应力梯度检测传感器及其应用方法，本发明的金属裂纹/应力梯度检测传感器包括杜瓦瓶，所述杜瓦瓶的外部套设有激励线圈，所述杜瓦瓶的内部分别设有超导环线圈和设于超导环线圈上方的隧道结磁传感器，所述杜瓦瓶内设有用于使得超导环线圈处于超导环境中的制冷介质。本发明可有效检测金属表面缺陷与埋藏缺陷及应力梯度，具有结构简单、灵敏度高、信噪比高的优点，可有效提高对埋藏缺陷和应力梯度的检测能力，提升了金属裂纹/应力梯度检测领域中涡流测量方法的检测能力。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，具体涉及一种金属裂纹/应力梯度检测传感器及其应用方法。
背景技术
无损检测是进入21世纪后相较传统检测方法的新型探测技术。顾名思义，无损检测是指在探测过程中，不会对被探测对象其使用性能、内部组织结构产生损害。如果存在材料内部结构未连续或存在缺损等，此类的物理特征会被提取出来，利用现代化测试技术与探测仪器，实现无损检测的目的。无损检测至出现后发挥了它重要的作用，在航空航天、工业工程、交通运输、建筑等领域大展拳脚，成为预防故障和检测安全的核心手段。
常规的五种无损探测，它们是：超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测。现如今，技术不断发展，新的方法不断涌现，渐渐扩展到了无损检测应用领域中。铁道钢轨裂纹的出现具有一定特点，初期钢轨裂口较小，深度也小(甚至微米级别)，需要检测仪器的灵敏度较高才能达到要求，对于另一类型的缺陷——埋藏盲孔则要求仪器的磁场穿透力要高。磁粉检测、射线检测和渗透检测三种方法，它们可以在静态下进行检测，不过检测的效率较低，并不适用于高速铁路钢轨裂纹检测和故障预防中。超声检测技术作为现在裂纹检测里运用最多的检测方法，它的巡检速度虽然已经能够达到80km/h,但表面和进表面是其检测的盲区；并且超声检测要在接触表面使用耦合剂。电磁检测方法主要有涡流、电流扰动、核磁共振、磁粉、磁记忆等。其中涡流检测因其检测灵敏度高、响应快，使得涡流检测在金属裂纹检测中有着不可取代的优势。但是现有针对金属埋藏裂纹和应力梯度普遍都存在检测信噪比低的问题，如何提高金属裂纹/应力梯度检测的准确度，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种金属裂纹/应力梯度检测传感器及其应用方法，本发明可有效检测金属表面缺陷与埋藏缺陷及应力梯度，具有结构简单、灵敏度高、信噪比高的优点，可有效提高对埋藏缺陷和应力梯度的检测能力，提升了金属裂纹/应力梯度检测领域中涡流测量方法的检测能力。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种金属裂纹/应力梯度检测传感器，包括杜瓦瓶，所述杜瓦瓶的外部套设有激励线圈，所述杜瓦瓶的内部分别设有超导环线圈和设于超导环线圈上方的隧道结磁传感器，所述杜瓦瓶内设有用于使得超导环线圈处于超导环境中的制冷介质。
可选地，所述超导环线圈包括超导环和绕设在超导环上的线圈，所述超导环由两个半圆形超导体通过中间的半圆连接线路首尾相连构成，所述激励线圈、两个半圆形超导体三者同圆心布置，所述两个半圆形超导***于同一平面上且线圈绕设方向相反，使得超导环线圈整体对均匀的以及中心对称的垂直方式磁场不产生感应电流，且不对水平磁场产生感应电流、仅对有水平梯度的垂直方向磁场产生感应电流。
可选地，所述半圆连接线路包括直径超导梁、两根半径超导梁和一根桥形超导体，所述直径超导梁分别将两个半圆形超导体的不同侧的一个端部相连，每一个半圆形超导体的另一个端部则通过对应的一根半径超导梁各与桥形超导体的一个端部相连，所述隧道结磁传感器布置于桥形超导体的顶部。
可选地，所述超导环紧贴杜瓦瓶的内壁布置。
可选地，所述超导环采用低温超导材料制成。
可选地，所述杜瓦瓶的外部还设有前置信号处理模块，所述隧道结磁传感器的输出端通过杜瓦瓶上的电极端子与前置信号处理模块的输入端相连。
可选地，所述制冷介质为液氮。
此外，本发明还提供一种前述金属裂纹/应力梯度检测传感器的应用方法，包括：
1)往激励线圈施加正弦电流激励；
2)将金属裂纹/应力梯度检测传感器沿着被测金属表面扫动，使得往激励线圈施加正弦电流激励在杜瓦瓶所在空间产生垂直方向的交变磁场，并在下方的被测金属内产生涡流场和感应磁场；获取隧道结磁传感器的输出信号；
3)基于输出信号判断被测金属是否存在金属裂纹/应力梯度。
可选地，步骤3)中基于输出信号判断被测金属是否存在金属裂纹/应力梯度是指判断输出信号是否出现一对对称峰，如果出现一对对称峰，则判定被测金属存在金属裂纹/应力梯度。
可选地，所述判定被测金属存在金属裂纹后，还包括根据对称峰的峰值大小得到裂纹的埋藏深度。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明的金属裂纹/应力梯度检测传感器包括杜瓦瓶，所述杜瓦瓶的外部套设有激励线圈，所述杜瓦瓶的内部分别设有超导环线圈和设于超导环线圈上方的隧道结磁传感器，所述杜瓦瓶内设有用于使得超导环线圈处于超导环境中的制冷介质。本发明利用超导环线圈的极低电阻率、抑制均匀背景磁场干扰和抑制对称背景磁场干扰的能力，能实现大信噪比与高灵敏度特性，并且可以在高提离条件下实现对金属裂纹/应力梯度的检测，可有效检测金属表面缺陷与埋藏缺陷及应力梯度。相比于已有的裂纹/应力检测技术，本发明可有效提高对埋藏缺陷和应力梯度的检测能力，提升了金属裂纹/应力梯度检测领域中涡流测量方法的检测能力，具有结构简单、灵敏度高、信噪比高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的传感器剖视结构示意图。
图2为本发明实施例的传感器立体结构示意图。
图3为本发明实施例中超导环线圈以及激励线圈的立体结构示意图。
图4为本发明实施例中隧道结磁传感器的输出信号结构示意图。
图例说明：1、杜瓦瓶；2、激励线圈；3、超导环线圈；31、半圆形超导体；32、半圆连接线路；321、直径超导梁；322、半径超导梁；323、桥形超导体；4、隧道结磁传感器。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例的金属裂纹/应力梯度检测传感器包括杜瓦瓶1，杜瓦瓶1的外部套设有激励线圈2，杜瓦瓶1的内部分别设有超导环线圈3和设于超导环线圈3上方的隧道结磁(TMR)传感器4，杜瓦瓶1内设有用于使得超导环线圈3处于超导环境中的制冷介质。当对激励线圈2施加以交变电流后，激励线圈2将产生一个垂直方向的磁场，并在下方的待测金属(如图1中a所示)上激励出一个涡流场，并且此涡流场会产生一个与激励线圈2的磁场方向相反的交变磁场。当本实施例的金属裂纹/应力梯度检测传感器在待测金属上方移动时，其涡流场的位置也随着本实施例的金属裂纹/应力梯度检测传感器的移动而移动。当待测金属的涡流场区域有裂纹、应力梯度、埋孔等缺陷时，会使得待测金属的涡流场分布的对称性受到干扰，故而引起感应磁场的对称性发生变化。
本实施例中，杜瓦瓶1内设有用于使得超导环线圈3处于超导环境中的制冷介质，用于将超导环线圈3保持在超导环境中。激励线圈2用于输入交变电流激励信号以产生一个垂直方向(杜瓦瓶1的轴线方向)的磁场。超导环线圈3用于对待测金属的金属裂纹/应力梯度产生感应电流，该感应电流会形成感应磁场。隧道结磁传感器4则用于检测超导环线圈3产生的感应磁场，从而获得待测金属的金属裂纹/应力梯度的状态信息。
如图3所示，本实施例中超导环线圈3称为“8”字型结构，具体包括超导环和绕设在超导环上的线圈，超导环由两个半圆形超导体31通过中间的半圆连接线路32首尾相连构成，激励线圈2、两个半圆形超导体31三者同圆心布置，两个半圆形超导体31位于同一平面上且线圈绕设方向相反，使得超导环线圈3整体对均匀的以及中心对称的垂直方式磁场不产生感应电流，且不对水平磁场产生感应电流、仅对有水平梯度的垂直方向磁场产生感应电流，这一特性可以很好的提高信噪比，有效抑制均匀背景磁场和关于超导环圆心中心对称的磁场干扰。由于超导环线圈3相对待测金属平行布置(例如都水平布置)，故超导环线圈3不会因平行布置方向的磁场发生变化而产生感应电流，并且由于超导环线圈3的两个半圆形超导体31是面积相等并环绕方向相反的，故而超导环线圈3不会对无水平梯度的垂直方向磁场产生感应电流。由于超导环线圈3的极低电阻率与仅会对包含裂纹信息的磁场即有水平梯度的垂直方向磁场产生感应电流的特性，因此本实施例的金属裂纹/应力梯度检测传感器具有大信噪比与高灵敏度的检测特点，可以实现对小信号的捕捉，因此，可以在低频、高提离条件下工作。
如图3所示，本实施例中半圆连接线路32包括直径超导梁321、两根半径超导梁322和一根桥形超导体323，直径超导梁321分别将两个半圆形超导体31的不同侧的一个端部相连，每一个半圆形超导体31的另一个端部则通过对应的一根半径超导梁322各与桥形超导体323的一个端部相连，隧道结磁传感器4布置于桥形超导体323的顶部。
本实施例中，超导环紧贴杜瓦瓶1的内壁布置，使得其半径与杜瓦瓶1的内径接近，可提高激励线圈2施加正弦电流激励在杜瓦瓶1所在空间产生垂直方向的交变磁场的效率。
本实施例中，超导环采用低温超导材料制成，例如TBCO等。本实施例中，超导环两端焊接，安装时紧贴着杜瓦瓶1固定放置。
本实施例中，杜瓦瓶1的外部还设有前置信号处理模块，隧道结磁传感器4的输出端通过杜瓦瓶1上的电极端子与前置信号处理模块的输入端相连。需要说明的是，前置信号处理模块是可选部件，此外也可以直接将隧道结磁传感器4的输出端通过杜瓦瓶1上的电极端子输出。
本实施例中，制冷介质为液氮。在杜瓦瓶1内安装好各个传感器部件后，加入液氮即可使超导环线圈3工作在超导环境中。
本实施例的金属裂纹/应力梯度检测传感器的工作原理如下：本实施例的金属裂纹/应力梯度检测传感器在使用时整个放置在被测金属上方，当传感器经过被测金属的裂纹时，超导环线圈3可放大被测金属上由于裂纹存在带来的涡流扰动磁信号，从而被所述的隧道结磁传感器4所测得。本实施例的金属裂纹/应力梯度检测传感器以电磁涡流技术为基础，引入“8”字型超导环感应线圈3、利用其对均匀激励磁场和中心对称激励磁场的屏蔽能力及超导特性可实现目标测量磁场的增强与不相关磁场的抑制，并以高灵敏度的TMR元件(隧道结磁传感器4)作为检测单元，设计一种高灵敏、高分辨力、高信噪比的金属裂纹/应力梯度检测复合传感器，提升了检测能力，并降低了后端信号处理电路的要求。
此外，本实施例中还提供一种前述金属裂纹/应力梯度检测传感器的应用方法，包括：
1)往激励线圈2施加正弦电流激励；
2)将金属裂纹/应力梯度检测传感器沿着被测金属表面扫动，使得往激励线圈2施加正弦电流激励在杜瓦瓶1所在空间产生垂直方向的交变磁场，并在下方的被测金属内产生涡流场和感应磁场；获取隧道结磁传感器4的输出信号；
3)基于输出信号判断被测金属是否存在金属裂纹/应力梯度。
图4为本实施例中金属裂纹检测仿真过程中由于金属裂纹对涡流的干扰，隧道结磁传感器4的输出信号图，其中横坐标BCWZ为被测对象位置，单位mm，纵坐标为磁通密度(单位：nT)，曲线A为测量点X方向磁通密度随位置的变化，曲线B为测量点Y方向磁通密度随位置的变化。图4中，金属裂纹固定在x轴零点处，传感器整体从-120mm扫描到+120mm处，隧道结磁传感器4输出了对应各点的磁信号。可进一步根据检测到的磁信号的突变位置与大小，可反演待测金属的裂纹位置与裂纹特征。
本实施例中，步骤3)中基于输出信号判断被测金属是否存在金属裂纹/应力梯度是指判断输出信号是否出现一对对称峰，如果出现一对对称峰(如图4所示曲线A和B所示)，则判定被测金属存在金属裂纹/应力梯度，从而实现对被测金属存在金属裂纹/应力梯度的位置识别。对于应力梯度检测时，当超导环覆盖的区域存在应力不同差时，由于应力会使电导率发生变化，从而使两侧的涡流磁场存在差异，“8”字型的超导环线圈3可以感应这种磁场差异，通过测量这种磁场差别，就可以间接测量到应力梯度，整个检测过程和检测裂纹类似，当该区域存在应力梯度时，检测信号也会存在类似的一对对称峰。
经试验发现，对称峰的峰值大小与裂纹的埋藏深度成反比关系，可以由对称峰的峰值大小求解出裂纹的埋藏深度。本实施例中，前述判定被测金属存在金属裂纹后，还包括根据对称峰的峰值大小得到裂纹的埋藏深度。
基于上述对称峰的峰值大小与裂纹的埋藏深度成反比关系，可采用多种实现上述映射的方式，例如作为一种可选的实施方式，可采用标定的方式：预先标定不同裂纹的埋藏深度、对称峰的峰值大小之间的对应关系，建立裂纹的埋藏深度-对称峰的峰值大小映射表，需要检测裂纹深度时，根据对称峰的峰值大小查询裂纹的埋藏深度-对称峰的峰值大小映射表，即可获得对应的裂纹的埋藏深度。此外，还可以采用机器学习的方式：预先采集不同裂纹的埋藏深度、对应的对称峰的峰值大小的训练数据，通过训练数据来训练机器学习模型，从而建立不同裂纹的埋藏深度、对称峰的峰值大小之间的对应关系，需要检测裂纹深度时，将对称峰的峰值大小输入训练好的机器学习模型，即可获得对应的裂纹的埋藏深度。此外，还可以进一步建立对称峰的峰值大小与裂纹的埋藏深度之间的数学模型，需要检测裂纹深度时，将对称峰的峰值大小输入数学模型计算获得对应的裂纹的埋藏深度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种金属裂纹/应力梯度检测传感器，其特征在于，包括杜瓦瓶(1)，所述杜瓦瓶(1)的外部套设有激励线圈(2)，所述杜瓦瓶(1)的内部分别设有超导环线圈(3)和设于超导环线圈(3)上方的隧道结磁传感器(4)，所述杜瓦瓶(1)内设有用于使得超导环线圈(3)处于超导环境中的制冷介质。
2.根据权利要求1所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器，其特征在于，所述超导环线圈(3)包括超导环和绕设在超导环上的线圈，所述超导环由两个半圆形超导体(31)通过中间的半圆连接线路(32)首尾相连构成，所述激励线圈(2)、两个半圆形超导体(31)三者同圆心布置，所述两个半圆形超导体(31)位于同一平面上且线圈绕设方向相反，使得超导环线圈(3)整体对均匀的以及中心对称的垂直方式磁场不产生感应电流，且不对水平磁场产生感应电流、仅对有水平梯度的垂直方向磁场产生感应电流。
3.根据权利要求2所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器，其特征在于，所述半圆连接线路(32)包括直径超导梁(321)、两根半径超导梁(322)和一根桥形超导体(323)，所述直径超导梁(321)分别将两个半圆形超导体(31)的不同侧的一个端部相连，每一个半圆形超导体(31)的另一个端部则通过对应的一根半径超导梁(322)各与桥形超导体(323)的一个端部相连，所述隧道结磁传感器(4)布置于桥形超导体(323)的顶部。
4.根据权利要求3所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器，其特征在于，所述超导环紧贴杜瓦瓶(1)的内壁布置。
5.根据权利要求4所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器，其特征在于，所述超导环采用低温超导材料制成。
6.根据权利要求5所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器，其特征在于，所述杜瓦瓶(1)的外部还设有前置信号处理模块，所述隧道结磁传感器(4)的输出端通过杜瓦瓶(1)上的电极端子与前置信号处理模块的输入端相连。
7.根据权利要求6所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器，其特征在于，所述制冷介质为液氮。
8.一种权利要求1～7中任意一项所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器的应用方法，其特征在于，包括：
1)往激励线圈(2)施加正弦电流激励；
2)将金属裂纹/应力梯度检测传感器沿着被测金属表面扫动，使得往激励线圈(2)施加正弦电流激励在杜瓦瓶(1)所在空间产生垂直方向的交变磁场，并在下方的被测金属内产生涡流场和感应磁场；获取隧道结磁传感器(4)的输出信号；
3)基于输出信号判断被测金属是否存在金属裂纹/应力梯度。
9.根据权利要求8所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器的应用方法，其特征在于，步骤3)中基于输出信号判断被测金属是否存在金属裂纹/应力梯度是指判断输出信号是否出现一对对称峰，如果出现一对对称峰，则判定被测金属存在金属裂纹/应力梯度。
10.根据权利要求9所述的金属裂纹/应力梯度检测传感器的应用方法，其特征在于，所述判定被测金属存在金属裂纹后，还包括根据对称峰的峰值大小得到裂纹的埋藏深度。
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| CN202111371653.7A Active CN114137065B (zh) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 一种金属裂纹/应力梯度检测传感器及其应用方法 |
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2888445Y (zh) * | 2005-11-23 | 2007-04-11 | 中国科学院物理研究所 | 扫描样品无损检测多极激励场发生装置 |
| CN104614440A (zh) * | 2015-02-10 | 2015-05-13 | 重庆交通大学 | 钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置及方法 |
| CN109633757A (zh) * | 2019-02-18 | 2019-04-16 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 涡流补偿方法及涡流补偿*** |
| CN110187004A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-08-30 | 兰州理工大学 | 一种对顶角双扇形拾取的差动涡流传感器 |
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| US20210057134A1 (en) * | 2018-04-09 | 2021-02-25 | Mitsubishi Electric Corporation | Superconducting magnet apparatus |
-
2021
- 2021-11-18 CN CN202111371653.7A patent/CN114137065B/zh active Active
Patent Citations (7)
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