一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法与流程

1.本发明涉及电涡流传感器无损检测技术领域，是一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法。


背景技术：

2.涡流传感器在无损检测领域有着广泛的应用，一些表面缺陷如裂纹，缝隙等都可以通过涡流传感器感应线圈内的感应电流的变化来表征。对于一些涡流传感器如巨磁电阻涡流传感器，拾波线圈传感器等，其线圈是特殊的矩形线圈。相比于扁平线圈，矩形线圈具有对方向性变化及频率变化敏感的特点，因此在涡流传感器无损检测中应用较为广泛。由于矩形线圈结构的特殊性，线圈感应的涡流仅由底部的绕线决定，其他部分的绕线对于感应涡流作用较小，因此矩形线圈的耦合效果差，产生的电流密度低，对于涡流传感器的灵敏度影响较大。如果增加矩形线圈的耦合效果，将极大地增强涡流传感器的灵敏度，进而可以更方便地检测出待测缺陷件的表面裂纹等缺陷特征。
3.为了增加电流密度，提高涡流传感器的灵敏度，很多研究机构通过优化探头结构等方式来提高涡流探头的性能。扬州工业职业技术学院提出一种基于涡流传感测量的金属探伤仪((专利)号：cn202022380248.9),涉及一种基于涡流传感测量的金属探伤仪,包括柜体、支撑板、位置移动组件、第一侧板、第二侧板、减速电机、第一丝杆、第一螺母、安装板和电涡流传感器，采用电涡流传感器的电磁感应原理检测刹车盘工件上的缺陷。该方法利用电磁感应原理可以通过无损检测的方法测得金属的表面缺陷，但是未从本质上提高涡流传感器的线圈耦合效果。爱德森(厦门)电子有限公司提出了一种改进型正交电扰动涡流传感器((专利)号：cn201911369449.4)，该发明公开了一种改进型正交电扰动涡流传感器,通过改进常规正交涡流探头的结构,具体为,将正交缠绕的两个涡流检测线圈均各自改为同轴且平行设置的两个涡流检测线圈,同轴且平行设置的两个涡流检测线圈采用差分输入方式连接至输出检测电路,检测时,通过电子切换开关的快速转接切换,实现传感器中仅与行进方向垂直的一组涡流检测线圈具有检测的功能,即把与传感器行进方向平行的一组涡流检测线圈的检测功能取消,使得该传感器具有了检测孔状缺陷的功能。该方法是通过改进探头结构使得涡流传感器有了检测孔状缺陷的作用，但是这样会使探头部分体积庞大，且没有提高线圈的灵敏度。


技术实现要素：

4.本发明为提高涡流传感器的检测灵敏度，本发明提供了一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法，本发明提供了以下技术方案：
5.一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法，所述方法具体为：当电涡流探头的线圈中通入高频交流电时，线圈周围产生磁场，线圈产生的磁场与环形磁铁产生的磁场发生耦合，产生新的耦合强磁场；涡流传感器的线圈在耦合一个环形磁铁后对引起磁场改变的扰动更加敏感，用以增强灵敏度。
6.优选地，所述环形磁铁分为16个不同极化方向的部分，且有4个不同的极化方向，在90
°
的扇形区域内磁块的极化方向分别为向左极化，向上极化，向右极化，向下极化；每90
°
为一个排列周期，构成特殊排列的环形磁铁；环形磁铁靠近线圈一侧的磁通量密度远大于远离线圈一侧的磁通量密度，当有金属的表面靠近线圈时磁阻抗变化更加明显，而远离线圈部分的磁阻抗没有变化。
7.优选地，环形磁铁中心位置走线，线圈的抽头通过环形磁铁的中心与外部电路连接。
8.优选地，环形磁铁的材质采用n50。
9.优选地，环形磁铁外半径为5mm，内半径为3mm，环形磁铁的厚度为3mm。
10.本发明具有以下有益效果：
11.本发明有利于在线圈外部产生更强的磁场，进而提高检测的灵敏度。本发明设计的环形磁铁及线圈耦合方式是通过一种特殊的磁铁排列方式将磁铁一侧的磁场叠加在另一侧，这样可以用最少量的磁铁产生最强的单侧磁场。对于涡流探头，其直径一般在10mm左右，使用这种耦合方法不会使得探头部分体积庞大，从而更有利于电涡流传感器探头的小型化设计。
附图说明
12.图1为涡流传感器探头示意图；
13.图2为线圈及环形磁铁耦合部分示意图；
14.图3为环形磁铁截面磁感线分布示意图；
15.图4为环形磁铁表面法向垂线的磁通密度分布示意图。
具体实施方式
16.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
17.具体实施例一：
18.根据图1至图4所示，本发明提供一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法，针对目前用于无损检测的涡流传感器线圈耦合强度不高，检测灵敏度较低等缺点，本发明设计了一种可以用来增强矩形线圈耦合强度的方法，该方法对各种涡流探头都普遍适用。本发明是通过在线圈上方放置一个特殊的环形磁铁，来加强线圈附近的磁场。当线圈与金属导体表面发生变化引起线圈特征阻抗变化时，线圈内的电流也会发生变化，通过测量电流变化即可得到线圈与金属导体表面的变化的距离。
19.如图1所示是涡流传感器探头示意图，包括探头外壳1、线圈及环形磁铁耦合部分2、线圈2a，环形磁铁2b，探头螺纹3，当电涡流探头的线圈2a中通入高频交流电时，线圈周围会产生磁场，线圈产生的磁场会和环形磁铁2b产生的磁场发生耦合，产生新的耦合强磁场。根据法拉第电磁感应定律，当有金属物体在耦合强磁场中运动时，由于金属物体切割磁感线，产生感应电流的同时会产生一个与耦合强磁场方向相反的感应磁场，感应磁场会影响线圈的有效阻抗，导致线圈内的电流发生变化。涡流传感器线圈在耦合一个特殊排列的环形磁铁后会对引起磁场改变的微小扰动更为敏感，从而灵敏度大大增加。
20.如图2所示是线圈与环形磁铁的耦合部分示意图。线圈在环形磁铁正下方，上方为
特殊排列的环形磁铁。环形磁铁分为16个不同极化方向的部分，从图中可以看出在90
°
的扇形区域内磁块的极化方向分别为向左极化，向上极化，向右极化，向下极化。每90
°
为一个排列周期，构成如图2所示的特殊排列的环形磁铁。环形磁铁靠近线圈一侧的磁通量密度远大于远离线圈一侧的磁通量密度，这样使得当有金属的表面靠近线圈时磁阻抗变化更为明显，而远离线圈部分的磁阻抗几乎没有变化。
21.环形磁铁中心位置可以走线，线圈的抽头可以通过环形磁铁的中心与外部电路连接，从而提高探头空间的利用效率。
22.对本发明中的磁环及线圈进行磁场仿真，得到磁环截面部分的磁感线分布图如图3所示。从图中可以看出靠近线圈部分的磁感线密集，远离线圈部分磁感线稀疏，且下方的磁通量密度大于上方的磁通量密度。
23.取一垂直于环形磁铁环面的法线，分析线上的磁场强度变化如图4所示，从图中可以看出环形磁铁上表面处的磁通量密度下降迅速，稍远离上表面处的磁通量密度几乎为0，而下表面的磁通量密度随着距离的增加缓慢下降，稍远离下表面的磁通量密度远大于稍远离上表面处的磁通量密度。
24.环形磁铁由16部分构成，且有4个不同的极化方向，每个小部分都易于制备，组合后即可成为磁环，这样相比于传统的单独制备特殊形状的单极化方向耦合磁铁更具有制造及成本优势。
25.环形磁铁与线圈的耦合方法如图2所示。其中环形磁铁的材质可以是n50。环形磁铁外半径为5mm，内半径为3mm，环形磁铁的厚度为3mm。环形磁铁分为16个部分，每90
°
有4部分，极化方向分别为向左极化，向上极化，向右极化，向下极化。环形磁铁下方为涡流传感器线圈。本发明方法中的环形磁铁通过特殊的组成方式使得靠近线圈部分的磁通量远大于远离线圈部分的磁通量。
26.本发明提出了一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法，在不增加探头尺寸的前提下提高线圈与磁铁的耦合强度，进而提高传感器的检测灵敏度。该种方法可以结合不同尺寸的探头进行不同尺寸的环形磁铁设计，对多种涡流传感器探头普遍适用。
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以上所述仅是一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法的优选实施方式，一种增强涡流传感器线圈灵敏度的方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。