[发明专利]一种铁磁材料早期损伤检测用高灵敏度电磁混频传感器

说明书

本发明公开了一种铁磁材料早期损伤检测用高灵敏度电磁混频传感器，属于无损检测领域。该传感器主要由磁芯励磁线圈和检测线圈组成。根据电磁混频信号的特征参数，提出传感器优化评价指标。利用三维有限元模型，从混频激励方式、磁芯结构尺寸和混频信号采集位置三个方面，对电磁混频传感器进行整体优化设计。即在保证检测区域磁场均匀性的同时，使磁化场强度尽量大，以获得最大的混频信号强度和检测灵敏度。与常规电磁传感器相比，低频电磁传感器优化了传感器结构，使其体积小，重量轻。此外，电磁混频传感器检测信号稳定，且信号强度和灵敏度较高，实现铁磁材料的早期微损伤检测。

技术领域

本发明涉及一种电磁混频传感器，特别是基于微磁和混频检测技术的高灵敏度传感器，用于铁磁构件早期微损伤的检测，属于无损检测领域。

背景技术

混频技术是一种利用材料弱非线性效应反映其微损伤及性能变化的检测手段，现已广泛应用于声学检测、光谱分析和电子元器件探伤等领域。当铁磁材料处于两不同频率交变电磁场同步叠加产生的混频磁场中时，周期性的低频磁场强度较大，可对被测材料进行饱和磁化；高频磁场强度较小，用于被测材料的局部可逆磁化。基于被测材料的非线性迟滞特性，检测信号在高频区域会衍生出多阶混频分量。此频段检测信号受实验系统的影响较小，检测信号具有较高的信噪比。因此，衍生的混频分量可用作材料微损伤及性能变化的表征量。

在利用电磁混频技术进行无损检测时，增强检测信号中电磁混频分量的强度是提高检测效率的关键。一般可从两个方面提高电磁混频分量的强度。一方面是优化电磁混频检测的激励参数实现混频磁化场的增强，从而提高检测信号中电磁混频分量强度。但该方法需要考虑被测试件的材料特性，当材料变化时，最佳电磁混频激励参数组合随之改变。另一方面可通过对电磁混频传感器的结构优化，来提高电磁混频检测传感器的电磁场转换效率，增强电磁混频检测信号的强度。

现阶段，电磁混频检测方法主要用于流体中磁纳米粒子浓度的检测。由于流体的传输通道为管状结构，传感器大多为嵌套在传输通道外的螺旋线圈结构。Tu L[Tu L,FengY,Klein T,et al.Measurement of Brownian Relaxation of Magnetic Nanoparticleby a Multi-Tone Mixing-Frequency Method[J].IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(11):3513-3516.]设计了双螺旋线圈电磁混频传感器，其中，外部线圈为激励线圈，内部线圈为检测线圈。并利用混频分量的频率漂移量反映了流体中氧化铁磁纳米粒子的存在。Rabehi A[Rabehi A,Garlan B,Achtsnicht S,et al.Magnetic DetectionStructure for Lab-on-Chip Applications Based on the Frequency MixingTechnique.[J].Sensors,2018,18(6):1-14.]基于理论公式分析了激励电流、线圈匝数、直径和长度对激励和检测线圈电压信噪比及灵敏度的影响，在此基础上，优化了两线圈的匝数和线径。针对双螺旋线圈型混频传感器，优化主要集中在线圈的线径和匝数上。此外，Teliban I[Teliban I,Thede C,Chemnitz S,et al.Magnetic moment investigation byfrequency mixing techniques.[J].Review of Scientific Instruments,2009,80(11):631-635.]设计了开环磁芯结构电磁混频传感器，该传感器的励磁线圈绕于磁芯上，检测线圈位于磁芯开环处，有效解决了平面结构的电磁混频检测问题。但上述研究工作尚未对该结构电磁混频传感器的优化展开讨论。