一种用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器

本发明涉及传感器，具体涉及一种用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器。

背景技术：

1、在工业生产、航空航天、机械制造以及基础设施建设等诸多领域，结构件的完整性与安全性至关重要。裂纹是材料或结构件中常见的缺陷之一，其深度的准确测量对于评估结构的剩余使用寿命、制定合理的维护计划以及预防潜在的安全事故具有极其重要的意义。传统的裂纹深度测量方法主要包括超声波检测、射线检测、磁粉检测等。然而，这些方法各有局限性。例如，超声波检测对操作人员的经验要求较高，且检测结果易受材料特性、表面粗糙度等因素的影响；射线检测虽然精度较高，但存在辐射危害，检测成本高昂，且对环境要求严格；磁粉检测仅适用于铁磁性材料，且难以对裂纹深度进行定量测量。近年来，电磁检测技术因其无损、快速、操作简便等优点而受到广泛关注。电磁传感器通过检测材料的电磁特性变化来识别裂纹的存在和深度。然而，现有的电磁传感器在实际应用中仍面临诸多挑战。一方面，许多传感器的对称性较差，导致其对裂纹的检测精度和灵敏度受到限制。对称性不足会使传感器的信号响应在不同方向上存在差异，从而影响裂纹深度的准确测量。另一方面，现有传感器的灵敏度有待提高。在一些复杂工况下，如裂纹较浅或材料表面存在干扰因素时，低灵敏度的传感器难以有效检测到裂纹信号。此外，成本问题也是制约电磁传感器广泛应用的重要因素之一。高精度的电磁传感器往往需要复杂的制造工艺和昂贵的材料，这使得其在一些对成本敏感的场景中难以推广。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种高对称性、高灵敏、低成本的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，以提高对金属表面的裂纹检测精度和灵敏度，在保证性能的前提下降低成本，可广泛应用于各种工业场景，为裂纹深度检测提供一种高效、可靠且经济的解决方案。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，包括参考线圈组件和检测线圈组件，所述参考线圈组件和检测线圈组件均包括激励线圈和感应线圈，所述参考线圈组件用于覆盖布置于表面无裂纹的金属参考试件上方以采集基准电压信号；所述检测线圈组件用于覆盖布置于被检测工件的裂纹区域上方以采集检测电压信号；所述参考线圈组件和检测线圈组件的激励线圈串联连接，所述参考线圈组件和检测线圈组件的感应线圈串联且两者产生的涡流方向相反以输出用于表征被检测工件的裂纹深度的差分电压信号。

4、可选地，所述参考线圈组件和检测线圈组件设于同一块柔性电路板上。

5、可选地，所述柔性电路板由顶层、第一内层、第二内层和底层构成的四层结构，所述参考线圈组件、检测线圈组件均包括设于所述四层结构上的激励线圈和四层感应线圈。

6、可选地，所述感应线圈为螺旋形线圈。

7、可选地，所述激励线圈为由位于四层结构的不同层的两个互补的半环形线圈形成的环形结构，所述参考线圈组件、检测线圈组件的四层感应线圈层叠布置于两个互补的半环形线圈形成的环形结构的中心区域。

8、可选地，所述参考线圈组件的感应线圈分别包括位于顶层、第一内层、第二内层和底层上的四层参考感应线圈，所述参考线圈组件的激励线圈由分别布置于第一内层和底层上的两个参考半环形线圈组成；所述检测线圈组件的感应线圈分别包括位于顶层、第一内层、第二内层和底层上的四层检测感应线圈，所述检测线圈组件的激励线圈由分别布置于顶层和第一内层上的两个检测半环形线圈组成。

9、可选地，所述顶层上设有激励线圈输入焊盘，所述底层上设有激励线圈输出焊盘，所述第一内层上设有激励线圈连接线，所述激励线圈输入焊盘依次经过顶层的检测半环形线圈、第一内层的检测半环形线圈、激励线圈连接线、第一内层的参考半环形线圈、底层的参考半环形线圈以及激励线圈输出焊盘相连以形成激励回路。

10、可选地，所述激励回路连接有脉冲电流发生器，所述脉冲电流发生器用于为参考半环形线圈和检测半环形线圈注入脉冲电流以形成激励磁场。

11、可选地，所述顶层上设有感应线圈输入焊盘，所述底层上设有感应线圈输出焊盘，所述第二内层上设有感应线圈连接线，所述感应线圈输入焊盘依次经过顶层的参考感应线圈、第一内层的参考感应线圈、底层的参考感应线圈、第二内层的参考感应线圈、感应线圈连接线、第二内层的检测感应线圈、第一内层的检测感应线圈、顶层的检测感应线圈、底层的检测感应线圈以及底层的感应线圈输出焊盘相连以使得参考线圈组件和检测线圈组件产生的涡流方向相反。

12、可选地，所述柔性电路板固定在测量支架上，所述测量支架上设有两个固定夹具，其中一个固定夹具用于固定金属参考试件，另一个固定夹具用于固定被检测工件。

13、和现有技术相比，本发明主要可起到下述有益效果：本发明包括参考线圈组件和检测线圈组件，参考线圈组件和检测线圈组件均包括激励线圈和感应线圈，参考线圈组件用于覆盖布置于表面无裂纹的金属参考试件上方以采集基准电压信号；检测线圈组件用于覆盖布置于被检测工件的裂纹区域上方以采集检测电压信号；参考线圈组件和检测线圈组件的激励线圈串联连接，参考线圈组件和检测线圈组件的感应线圈串联且两者产生的涡流方向相反以输出用于表征被检测工件的裂纹深度的差分电压信号，具有高对称性、高灵敏、低成本的优点，本发明能够提高对金属表面的裂纹检测精度和灵敏度，在保证性能的前提下降低成本，可广泛应用于各种工业场景，为裂纹深度检测提供一种高效、可靠且经济的解决方案。

1.一种用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，包括参考线圈组件（1）和检测线圈组件（2），所述参考线圈组件（1）和检测线圈组件（2）均包括激励线圈和感应线圈，所述参考线圈组件（1）用于覆盖布置于表面无裂纹的金属参考试件上方以采集基准电压信号；所述检测线圈组件（2）用于覆盖布置于被检测工件的裂纹区域上方以采集检测电压信号；所述参考线圈组件（1）和检测线圈组件（2）的激励线圈串联连接，所述参考线圈组件（1）和检测线圈组件（2）的感应线圈串联且两者产生的涡流方向相反以输出用于表征被检测工件的裂纹深度的差分电压信号。

2.根据权利要求1所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述参考线圈组件（1）和检测线圈组件（2）设于同一块柔性电路板上。

3.根据权利要求1所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述柔性电路板由顶层、第一内层、第二内层和底层构成的四层结构，所述参考线圈组件（1）、检测线圈组件（2）均包括设于所述四层结构上的激励线圈和四层感应线圈。

4.根据权利要求3所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述感应线圈为螺旋形线圈。

5.根据权利要求4所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述激励线圈为由位于四层结构的不同层的两个互补的半环形线圈形成的环形结构，所述参考线圈组件（1）、检测线圈组件（2）的四层感应线圈层叠布置于两个互补的半环形线圈形成的环形结构的中心区域。

6.根据权利要求5所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述参考线圈组件（1）的感应线圈分别包括位于顶层、第一内层、第二内层和底层上的四层参考感应线圈（11），所述参考线圈组件（1）的激励线圈由分别布置于第一内层和底层上的两个参考半环形线圈（12）组成；所述检测线圈组件（2）的感应线圈分别包括位于顶层、第一内层、第二内层和底层上的四层检测感应线圈（21），所述检测线圈组件（2）的激励线圈由分别布置于顶层和第一内层上的两个检测半环形线圈（22）组成。

7.根据权利要求6所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述顶层上设有激励线圈输入焊盘（42），所述底层上设有激励线圈输出焊盘（44），所述第一内层上设有激励线圈连接线（45），所述激励线圈输入焊盘（42）依次经过顶层的检测半环形线圈（22）、第一内层的检测半环形线圈（22）、激励线圈连接线（45）、第一内层的参考半环形线圈（12）、底层的参考半环形线圈（12）以及激励线圈输出焊盘（44）相连以形成激励回路。

8.根据权利要求7所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述激励回路连接有脉冲电流发生器，所述脉冲电流发生器用于为参考半环形线圈（12）和检测半环形线圈（22）注入脉冲电流以形成激励磁场。

9.根据权利要求7所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述顶层上设有感应线圈输入焊盘（41），所述底层上设有感应线圈输出焊盘（43），所述第二内层上设有感应线圈连接线（46），所述感应线圈输入焊盘（41）依次经过顶层的参考感应线圈（11）、第一内层的参考感应线圈（11）、底层的参考感应线圈（11）、第二内层的参考感应线圈（11）、感应线圈连接线（46）、第二内层的检测感应线圈（21）、第一内层的检测感应线圈（21）、顶层的检测感应线圈（21）、底层的检测感应线圈（21）以及底层的感应线圈输出焊盘（43）相连以使得参考线圈组件（1）和检测线圈组件（2）产生的涡流方向相反。

10.根据权利要求1所述的用于裂纹深度测量的空间差分电磁传感器，其特征在于，所述柔性电路板固定在测量支架上，所述测量支架上设有两个固定夹具，其中一个固定夹具用于固定金属参考试件，另一个固定夹具用于固定被检测工件。