一种柔性传感器及金属构件缺陷检测方法与流程

1.本发明属于柔性传感器技术领域，涉及一种柔性传感器及金属构件缺陷检测方法。


背景技术：

2.金属构件在航天航空、石油化工、核电等工业领域中应用广泛，而由于各种复杂的服役环境，金属构件易产生各类型缺陷，会影响金属构件的完整性及可靠性，严重时会造成金属构件失效，进而引起重大安全生产事故；因此，采用无损检测技术对金属构件缺陷进行高效检测具有重要意义。
3.超声检测技术能够对缺陷进行精准定位、设备轻便且对人体无害，但是超声检测一般需要被测对象表面光滑、大量耦合剂，且要求操作人员具有较高的技术水平，射线检测技术易于检测被测对象内部体缺陷，但是检测精度较低、成本较高、存在污染环境和伤害操作人员的风险；渗透检测的结果直观可靠，检测灵敏度高，但尽能检出表面缺陷；涡流检测对金属材料的构件缺陷的检测灵敏较高，但受硬件设备约束其阵列探头中的传感器单元数量受限，难以实现快速检测，检测效率低，且易受环境噪声的影响。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种柔性传感器，能够对金属构件缺陷进行快速、无损、准确检测，传感单元的数量不受硬件设备的制约，适用性强，可靠性高，降低了人力成本及经济成本，具有重要的工程应用价值。
5.本发明的另一目的是，提供一种金属构件缺陷检测方法，采用上述柔性传感器。
6.本发明所采用的技术方案是，一种柔性传感器，包括基底，所述基底为柔性；以及传感单元，多个所述传感单元以阵列形式安装于基底上；所述传感单元包括容器，所述容器内充满了密度相同的磁流体与透明溶液，透明溶液与磁流体互不相容、且不发生化学反应；以及激励线圈，所述激励线圈安装于容器靠近基底的外端部，用于通入激励电流后产生磁场。
7.进一步的，所述激励线圈依次连接功率放大器、信号发生器，用于向激励线圈输入方波激励电流信号。
8.进一步的，所述容器的形状为圆柱体。
9.进一步的，所述激励线圈为圆盘形，激励线圈与容器同轴。
10.进一步的，所述传感单元之间的间距为传感单元的直径。
11.进一步的，所述容器的内壁涂有均匀、透明的疏油涂层。
12.进一步的，所述基底采用柔性pcb。
13.一种金属构件缺陷检测方法，采用上述柔性传感器，具体按照以下步骤进行：步骤1，金属构件缺陷深度标定曲线的建立；步骤2，金属构件缺陷检测；将柔性传感器的基底紧密贴附于待测金属构件，采用方波激励电流信号驱动激励线圈工作，一段时间后，获取不同激励电流时各传感单元中磁流体三维形貌，以传感单元中磁流体在不同激励电流时与标准金属构件工况下对应传感单元中磁流体体积差的平均值作为信号特征；将信号特征分别代入标定曲线，即得各传感单元处对应的缺陷深度h1、h2、h3…hn
。
14.进一步的，所述步骤1具体为：依次连接信号发生器、功率放大器与柔性传感器的激励线圈，并将基底紧密贴附于厚度为d的标准金属构件，采用方波激励电流信号驱动激励线圈工作，获取激励电流i1时各传感单元中磁流体的三维形貌p
1,1,1
、p
1,2,1
、p
1,3,1
…
p
1,n,1
，同理可得激励电流i2时各传感单元中磁流体的三维形貌p
2,1,1
、p
2,2,1
、p
2,3,1
…
p
2,n,1
；将柔性传感器的基底紧密贴附于厚度为0.9d的金属构件，采用相同的方波激励电流信号驱动激励线圈工作，一段时间后，分别获取激励电流i1与i2时各传感单元中磁流体的三维形貌p
1,1,2
、p
1,2,2
、p
1,3,2
…
p
1,n,2
和p
2,1,1
、p
2,2,1
、p
2,3,1
…
p
2,n,1
，以v
1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
作为信号特征，其中v
1,1
=（|p
1,1,2
‑ꢀ
p
1,1,1
| |p
2,1,1
‑ꢀ
p
2,1,1
|）/2；v
1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
表示金属构件厚度为0.9d各传感单元对应的信号特征；同理对于厚度分别为0.8d、0.7d、0.6d、0.5d、0.4d、0.3d、0.2d和0.1d的金属构件，各传感单元对应的信号特征分别为v
2,1
、v
2,2
、v
2,3
…v2,n
，v
3,1
、v
3,2
、v
3,3
…v3,n
，v
4,1
、v
4,2
、v
4,3
…v4,n
，v
5,1
、v
5,2
、v
5,3
…v5,n
，v
6,1
、v
6,2
、v
6,3
…v6,n
，v
7,1
、v
7,2
、v
7,3
…v7,n
，v
8,1
、v
8,2
、v
8,3
…v8,n
和v
9,1
、v
9,2
、v
9,3
…v9,n
；分别以信号特征v
1,1
、v
2,1
、v
3,1
…v9,1
，v
1,2
、v
2,2
、v
3,2
…v9,2
，v
1,3
、v
2,3
、v
3,3
…v9,3
…v1,n
、v
2,n
、v
3,n
…v9,n
为横坐标，以0.1d、0.2d、0.3d、0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d和0.9d为纵坐标，可得金属构件缺陷深度d
x
与各传感器信号特征的关联曲线，缺陷深度d
x
＝标准金属构件厚度-待测金属构件厚度；对各关联曲线进行二次拟合得到各传感单元对应的拟合公式d
x，1
=a
1v2
b1v c1，d
x，2
=a
2v2
b2v c2，d
x，3
=a
3v2
b3v c3，
…dx，n
=a
nv2
bnv cn，其中a1、a2、a3…an
，b1、b2、b3…bn
，c1、c2、c3…cn
分别二次项系数、一次项系数和常数项；d
x，n
表示第n个传感单元对应的拟合公式，v表示信号特征。
15.进一步的，所述步骤2具体为：将柔性传感器的基底紧密贴附于待测金属构件，采用方波激励电流信号驱动激励线圈工作，一段时间后，获取激励电流i1与i2时各传感单元中磁流体三维形貌y
1,1,2
、y
1,2,2
、y
1,3,2
…y1,n,2
和y
2,1,1
、y
2,2,1
、y
2,3,1
…y2,n,1
，以传感单元中磁流体在激励电流i1与i2时与标准金属构件工况下对应传感单元中磁流体体积差的平均值v
1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
作为信号特征；将信号特征v
1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
分别代入拟合公式d
x，1
=a
1v2
b1v c1，d
x，2
=a
2v2
b2v c2，d
x，3
=a
3v2
b3v c3，
…dx，n
=a
nv2
bnv cn，即得各传感单元处对应的缺陷深度h1、h2、h3…hn
。
16.本发明的有益效果是：1、本发明通过激励线圈与磁流体有机结合，将缺陷信息转化为磁流体形状信息，突破了传统检测方法的硬件制约，通常电磁噪声频率较高、无固定方向,对磁流体的变形影响较弱，对检测信号影响较低，从而使得本发明柔性传感器抗环境电磁噪声干扰能力较强，
精准度更高。同时，传感单元的数量不受硬件设备的制约，在一次检测中可实现大面积待测区域的快速检测，检测效率更高且对于不同表面形状的金属构件均适用。
17.2、本发明采用的磁流体密度与透明溶液密度相同，使磁流体在激励电流的作用下变形更明显，可有效提升检测信号的灵敏度。所采用的激励电流可保证磁流体在传感单元中能够始终位于激励线圈一侧，因此检测结果不受柔性传感器所处空间位置的影响，可靠性高。
18.3、本发明的方法能够对缺陷进行精准定位，获得缺陷的二维轮廓信息及深度信息，结构简单、成本低，实现了快速高效检测，具有较高的工业应用价值。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例柔性传感器的结构示意图。
21.图2为本发明实施例中激励电流信号示意图。
22.1.基底，2.传感单元，3.容器，4.透明溶液，5.磁流体，6.激励线圈。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护传感单元的范围。
24.实施例1，一种柔性传感器，如图1所示，包括柔性的基底1、传感单元2；多个所述传感单元2以阵列形式安装于基底1上，传感单元2包括容器3和激励线圈6；容器3内充满了密度相同的磁流体5与透明溶液4，透明溶液4与磁流体5互不相容、且不发生化学反应；激励线圈6安装于容器3靠近基底1的外端部，用于通入激励电流后产生磁场。
25.容器3的形状为圆柱体，激励线圈6为圆盘式，激励线圈6与容器3同轴，容器3的内壁涂有均匀、透明的疏油涂层。透明溶液4不能过少，保证磁流体5变形后不会接触到容器3的顶部，提高检测精度；在一些实施例中，磁流体5与透明溶液4的体积比为4:1~1:1之间。
26.磁流体5的密度与透明溶液4的密度相同，使磁流体5在激励线圈6产生的磁场作用下变形更明显，可有效提升检测信号的灵敏度。
27.激励线圈6依次连接功率放大器、信号发生器，用于向激励线圈6输入方波激励电流信号，可保证磁流体5在传感单元2中能够始终位于激励线圈6一侧，因此，检测结果不受柔性传感器所处空间位置的影响。激励线圈6工作后产生的磁力能够使得激励线圈6紧贴待测金属构件，提高了检测精度。
28.透明溶液4化学性能稳定、透明，不与磁流体5及容器3发生化学反应；磁流体5在磁场作用下易变形，实施例中采用一般的黑色磁流体。
29.传感单元2之间的间距为传感单元2的直径，这样既可以保证传感单元2之间互不干扰，又可以有效保障检测效率。
30.基底1为柔性材质，无延展性；实施例中采用柔性pcb。
31.实施例2，一种金属构件缺陷检测方法，具体按照以下步骤进行：步骤1，金属构件缺陷深度标定曲线的建立；依次连接信号发生器、功率放大器与实施例1的柔性传感器，并将柔性传感器紧密贴附于厚度为d的标准金属构件，采用周期为t、占空比为50%、峰值为a、偏置电流为a/2的方波激励电流信号驱动激励线圈6工作，如图2所示。在10t之后，通过3d激光扫描仪获取激励电流0.4t时各传感单元2中磁流体5的三维形貌p
1,1,1
、p
1,2,1
、p
1,3,1
…
p
1,n,1
，同理可得激励电流0.6t时各传感单元2中磁流体5的三维形貌p
2,1,1
、p
2,2,1
、p
2,3,1
…
p
2,n,1
。将柔性传感器紧密贴附于厚度为0.9d的金属构件，采用上述方波激励电流信号驱动激励线圈6工作，在10t之后，通过3d激光扫描仪分别获取激励电流0.4t与0.6t时各传感单元中磁流体三维形貌p
1,1,2
、p
1,2,2
、p
1,3,2
…
p
1,n,2
和p
2,1,1
、p
2,2,1
、p
2,3,1
…
p
2,n,1
，以传感单元2中磁流体5在激励电流0.4t与0.6t时与标准金属构件传感单元2中磁流体5体积差的平均值v
1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
作为信号特征。选择激励电流0.4t与0.6t，取平均值是为了提升精度。激励电流信号均为方波，方波的频谱信息丰富。占空比为50%，保证感应电流有充足的上升时间和下降时间。
[0032]v1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
表示金属构件厚度为0.9d各传感单元2对应的信号特征；同理可得对于厚度分别为0.8d、0.7d、0.6d、0.5d、0.4d、0.3d、0.2d和0.1d的金属构件，各传感单元2对应的信号特征分别为v
2,1
、v
2,2
、v
2,3
…v2,n
，v
3,1
、v
3,2
、v
3,3
…v3,n
，v
4,1
、v
4,2
、v
4,3
…v4,n
，v
5,1
、v
5,2
、v
5,3
…v5,n
，v
6,1
、v
6,2
、v
6,3
…v6,n
，v
7,1
、v
7,2
、v
7,3
…v7,n
，v
8,1
、v
8,2
、v
8,3
…v8,n
和v
9,1
、v
9,2
、v
9,3
…v9,n
。
[0033]
本发明实施例缺陷检测的基本原理是电磁感应原理，存在缺陷时，缺陷会对涡流产生扰动，磁场会发生变化，磁流体的形状也会发生变化。厚度分别为0.9d、 0.8d、0.7d、0.6d、0.5d、0.4d、0.3d、0.2d和0.1d的金属构件指整体厚度为0.9d、 0.8d、0.7d、0.6d、0.5d、0.4d、0.3d、0.2d和0.1d的平板，此处缺陷为整体腐蚀减薄缺陷，是为了方便标定。
[0034]
对各传感单元2，分别以信号特征v
1,1
、v
2,1
、v
3,1
…v9,1
，v
1,2
、v
2,2
、v
3,2
…v9,2
，v
1,3
、v
2,3
、v
3,3
…v9,3
…v1,n
、v
2,n
、v
3,n
…v9,n
为横坐标，以0.1d、0.2d、0.3d、0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d和0.9d为纵坐标，可得金属构件缺陷深度d
x
与各传感器信号特征的关联曲线，对各关联曲线进行二次拟合得到各传感单元对应的拟合公式d
x，1
=a
1v2
b1v c1，d
x，2
=a
2v2
b2v c2，d
x，3
=a
3v2
b3v c3，
…dx，n
=a
nv2
bnv cn，其中a1、a2、a3…an
，b1、b2、b3…bn
，c1、c2、c3…cn
分别二次项系数、一次项系数和常数项。d
x
表示缺陷深度，d
x，n
表示第n个传感器对应的拟合公式，v表示信号特征。
[0035]
步骤2，金属构件缺陷检测；将依次连接信号发生器、功率放大器与实施例1中柔性传感器，并将柔性传感器紧密贴附于待测金属构件，采用周期为t、占空比为50%、峰峰值为a、偏置电流为a/2的方波激励电流信号驱动激励线圈6工作。在10t之后，通过3d激光扫描仪分别获取激励电流0.4t与0.6t时各传感单元2中磁流体5三维形貌y
1,1,2
、y
1,2,2
、y
1,3,2
…y1,n,2
和y
2,1,1
、y
2,2,1
、y
2,3,1
…y2,n,1
，以传感单元2中磁流体5在激励电流0.4t与0.6t时与标准金属构件工况下传感单元2中磁流体5体积差的平均值v
1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
作为信号特征。将信号特征v
1,1
、v
1,2
、v
1,3
…v1,n
分别代入拟合公式d
x，1
=a
1v2
b1v c1，d
x，2
=a
2v2
b2v c2，d
x，3
=a
3v2
b3v c3，
…dx，n
=a
nv2
bnv cn，即通过v
1,1
代替拟合公式d
x，1
=a
1v2
b1v c1的 v，可得各传感单元处对应的d
x，1
、d
x，2
、d
x，3…dx，n
，即缺陷深度h1、h2、h3…hn
。
[0036]
理想状态下，p
1,1,2
、p
1,2,2
、p
1,3,2
…
p
1,n,2
是相同的，但实际上操作中是不相同，因为生产加工工艺及装配问题，各传感单元2会存在尺寸差异，导致检测结果存在差异，因此需对每个传感单元2分别进行标定，其标定时的信号特征不同，拟合公式亦不同。
[0037]
传统磁场传感器受电磁噪声干扰，会影响相关电路中的信号，进一步影响测量结果，而本发明实施例仅有激励线圈，因此抗环境电磁噪声干扰能力较强。本发明实施例无需信号放大器、滤波器、数据采集板卡等硬件，使得传感单元2的数量受硬件设备制约少，适用性强。
[0038]
本发明实施例通过外加激励线圈产生磁场，然后磁流体在该磁场的作用下发生变形，即使磁流体发生主动变形；本发明是以磁流体外形作为信号，进行特征提取，与现有技术以线圈中感应生成的感应电压作为信号相比，本发明实施例的检测效率高、成本低、可靠性高。
[0039]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。