[发明专利]一种铁磁材料损伤检测用高灵敏度扫描式低频电磁传感器

摘要

本发明公开了一种铁磁材料损伤检测用高灵敏度扫描式低频电磁传感器，属于无损检测领域。该传感器主要由稳压电源、引线接头、激励线圈、磁芯、磁屏蔽层、磁敏感元件、轴承滚轮和封装外壳组成。根据检测信号的变化规律，对磁芯形状、磁芯尺寸、绕线匝数、绕线长度和位置、磁屏蔽层厚度和层数进行了整体的优化设计，即在保证检测区域磁场均匀性的同时，使漏磁场强度尽量大，以获得最大的信号强度和检测灵敏度，实现缺陷的准确定位和识别。与常规漏磁传感器相比，低频电磁传感器优化了传感器结构，使其体积小，重量轻，可手持扫描，且受扫描速度影响小。此外，低频电磁传感器检测信号稳定，且信号强度和灵敏度较高，可实现在役设备的连续实时检测。

主权项

1.一种铁磁材料损伤检测用扫描式低频电磁传感器，该传感器包括传感器外壳(1)、稳压电源(2)、引线接头(3)、激励线圈(4)、磁芯(5)、磁屏蔽层(6)、磁敏感元件(7)、轴承滚轮(8)，其特征在于：稳压电源(2)固定于传感器外壳(1)顶部凹槽内；激励线圈(4)绕置于磁芯(5)之上，整体固定在传感器外壳(1)内部，且磁芯(5)底部与传感器外壳(1)底部持平；焊有引线接头(3)的PCB电路板置于传感器外壳(1)一侧的卡槽内；磁屏蔽层(6)置于传感器外壳(1)内部的卡槽内，且底部与传感器外壳(1)底部持平；焊有磁敏感元件(7)的PCB电路板内嵌于传感器外壳(1)底部的槽内，且磁敏感元件(7)与传感器外壳(1)底部持平；轴承滚轮(8)共四组，分别位于传感器外壳(1)两侧底部，且轴承滚轮(8)底部低于传感器外壳(1)底部；磁敏感元件(7)与稳压电源(2)和引线接头(3)通过PCB电路板及导线连接；本传感器的结构具体设计步骤如下，定义低频电磁传感器的结构设计参量，包括：磁芯结构、绕线方式和磁屏蔽层结构；对于磁芯结构的设计，包括磁芯形状的选择和磁芯关键尺寸的优化；对于绕线方式的设计，包括绕线匝数的计算和绕线长度及绕线位置的选取；对于磁屏蔽层结构的设计，包括磁屏蔽层厚度和磁屏蔽层数量的选择；定义切向检测信号中用于表征缺陷的特征值，包括：扫描基准值即无缺陷时的扫描基线值，为检测信号的最小值；缺陷检测峰值即扫描至缺陷处时曲线出现单峰畸变的峰值，为检测信号的最大值与最小值之差；基准线最大偏离值即扫描基线在无缺陷处偏离扫描基准值的最大差值；步骤一：选择磁芯形状；根据常用作磁芯的铁氧体形状，分别设计磁芯形状为U型和C型的低频电磁传感器；将两种传感器的磁芯的尺寸、绕线匝数、绕线位置和绕线长度设置为相同参量，且无磁屏蔽结构时，对比相同激励条件下，两种形状传感器检测同一缺陷时，检测信号随频率变化的结果，以及检测不同深度缺陷时，检测信号随缺陷深度变化的结果，从而选取优的磁芯形状；步骤二：优化磁芯尺寸；磁芯尺寸包括磁芯两极间距a、磁芯高度b和磁极宽度c；在步骤一选择出的磁芯形状上设置相同的绕线匝数、绕线位置和绕线长度，当无屏蔽层结构，且被测试件、检测条件均相同时，控制磁芯高度b和磁极宽度c不变，改变磁芯两极间距a，对比其变化对缺陷表征特征值的影响；步骤三：与步骤二条件相同，控制磁芯两极间距a和磁极宽度c不变，改变磁芯高度b，对比其变化对缺陷表征特征值的影响；步骤四：与步骤二条件相同，控制磁芯两极间距a和磁芯高度b不变，改变磁极宽度c，对比其变化对缺陷表征特征值的影响；步骤五：根据步骤二～步骤四，得到不同磁芯尺寸对检测信号的影响程度，将不影响检测结果的尺寸参量选为常规尺寸，对影响检测结果的尺寸参量，利用遗传算法对其进行优化，得到磁芯尺寸的最优组合参数；步骤六：计算绕线匝数；当已知被测试件的磁特性曲线时，根据缺陷分布和尺寸，选择磁化区域，即选定H的取值，当给定激励电流I和绕线长度l时，绕线匝数N由公式(1)计算；步骤七：绕线位置及绕线长度；将磁芯划分三个等长度的绕线位置：磁芯顶部、磁芯右磁极和磁芯左磁极；当绕线匝数固定为N匝，三个位置的绕线长度均为l时，将三个绕线位置进行组合选择，得到七种不同位置、不同长度的绕线方式；将传感器设为无磁屏蔽层结构，且磁芯形状、尺寸一定，检测条件相同，对比七种不同绕线方式的检测结果，选择出最佳的绕线位置及绕线长度；步骤八：磁屏蔽层厚度；将传感器的磁芯形状、尺寸、绕线匝数、绕线位置及绕线长度固定，且控制检测条件相同时，将磁屏蔽层的层数设为1层，磁屏蔽层的厚度分别设为无屏蔽层和不同厚度值，对比不同磁屏蔽层厚度时缺陷检测信号的特征值，确定最佳的磁屏蔽层厚度；步骤九：磁屏蔽层层数；与步骤八条件相同，在此基础上，将磁屏蔽层的厚度设为p，磁屏蔽层的层数分别设为无屏蔽层和不同层数，对比不同磁屏蔽层层数时缺陷检测信号的特征值，确定最佳的磁屏蔽层层数。