电涡流传感器及监测装置的制作方法

1.本技术属于电磁无损检测技术领域，尤其涉及一种电涡流传感器及监测装置。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，航空航天及核电站等工业中重要结构的健康监测日趋成为研究的课题。通常采用传感器为重要结构进行健康监测，其中涉及到花萼状电涡流传感器，花萼状电涡流传感器用于监测螺栓结构中的螺栓孔边裂纹，其具有良好的柔性、韧性、质量轻、安装方便、抗干扰能力强和不受油水等介质影响等特点，在结构健康监测中具有良好的应用前景。但目前的花萼状电涡流传感器存在监测灵敏度低的问题。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种电涡流传感器，可以解决目前的花萼状电涡流传感器存在监测灵敏度低的问题。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种电涡流传感器，包括激励线圈和n个监测线圈；
5.所述激励线圈包括n 1个均呈圆环状且相互电连通的子线圈，n 1个所述子线圈在同一平面上同轴设置且由内向外依次等间距排布；
6.任意相邻两个所述子线圈之间均设有一所述监测线圈，所述监测线圈包括均与所述激励线圈位于同一平面上的内导线、外导线、第一连接导线和第二连接导线，所述内导线呈弧状，所述内导线所对应的圆心与所述子线圈对应的圆心相重合，所述外导线位于所述内导线的外侧，所述内导线的第一端通过所述第一连接导线与所述外导线的第一端连接，所述内导线的第二端通过所述第二连接导线与所述外导线的第二端连接，所述第一连接导线和所述第二连接导线均沿所述子线圈的径向延伸，所述外导线包括m个子导线部和m-1个弯折导线部，m个所述子导线部均位于同一弧线上且相间隔设置，各所述子导线部所对应的圆心与所述子线圈所对应的圆心相重合，每相邻两所述子导线部之间通过一所述弯折导线部连接，所述弯折导线部朝向所述内导线弯折并与所述内导线相间隔；其中，n为大于0的自然数，m为大于等于2的自然数。
7.在第一方面的一种可能的实现方式中，m个所述子导线部的弧长总和等于所述内导线的弧长。
8.在第一方面的一种可能的实现方式中，n个所述监测线圈中的第一连接导线的延伸方向相同，n个所述监测线圈中的第二连接导线的延伸方向相同。
9.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述弯折导线部包括第一直导线、第二直导线和内连接导线，所述第一直导线的两端分别连接所述子导线部和所述内连接导线的一端，所述第二直导线的两端分别连接所述子导线部和所述内连接导线的另一端，所述内连接导线呈弧状，所述内连接导线所对应的圆心与所述子线圈所对应的圆心相重合。
10.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述内连接导线与所述内导线之间的距离
小于第一距离，所述第一距离为所述内导线与所述子导线部之间距离的一半。
11.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述内导线对应的圆心角为90
°
。
12.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一连接导线与目标弯折导线部的中心线的夹角等于任意两个相邻的所述弯折导线部的中心线的夹角，所述目标弯折导线部为m-1个弯折导线部中距离所述第一连接导线距离最近的弯折导线部。
13.在第一方面的一种可能的实现方式中，当m等于3时，两个相邻的所述弯折导线部的中心线的夹角为30
°
。
14.在第一方面的一种可能的实现方式中，当m等于4时，两个相邻的所述弯折导线部的中心线的夹角为22.5
°
。
15.第二方面，本技术实施例提供了一种监测装置，包括上述的电涡流传感器。
16.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
17.本技术实施例提供的电涡流传感器中，一方面，将监测线圈中的外导线分为m个子导线部和m-1个弯折导线部，m个子导线部均位于同一弧线上且相间隔设置，每相邻两子导线部之间通过一弯折导线部连接，弯折导线部朝向内导线弯折并与内导线相间隔，使得监测线圈的有效面积减小，提高了磁通量变化率，由此提高了监测线圈输出的监测信号，从而提高了电涡流传感器的监测灵敏度。另一方面，使m个子导线部的弧长总和更接近于内导线的弧长，当被监测结构中没有裂纹产生时，监测线圈中内导线感应的电动势与m个子导线部感应的电动势基本可以相抵消，提高了电涡流传感器的监测灵敏度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本技术一实施例提供的电涡流传感器的结构示意图；
20.图2是传统花萼状电涡流传感器的结构示意图；
21.图3是本技术另一实施例提供的电涡流传感器的结构示意图。
22.图4是本技术另一实施例提供的电涡流传感器的结构示意图。
23.图5是本技术另一实施例提供的监测装置的结构示意图。
24.图中：1-激励线圈；11-子线圈；2-监测线圈；21-第一连接导线；22-第二连接导线；23-内导线；24-外导线；241-子导线部；242-弯折导线部；2421-第一直导线；2422-第二直导线；2423-内连接导线；50-监测装置；501-电源模块；502-高频信号模块；503-电涡流传感器；504-信号处理模块。
具体实施方式
25.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
26.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
27.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
28.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当
…
时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0029]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0031]
如图1所示，本技术实施例提供了一种电涡流传感器，包括激励线圈1和n个监测线圈2。激励线圈1包括n 1个均呈圆环状且相互电连通的子线圈11，n 1个子线圈11在同一平面上同轴设置且由内向外依次等间距排布。任意相邻两个子线圈11之间均设有一监测线圈2，监测线圈2包括均与激励线圈1位于同一平面上的内导线23、外导线24、第一连接导线21和第二连接导线22。内导线23呈弧状，内导线23所对应的圆心与子线圈11对应的圆心相重合，外导线24位于内导线23的外侧，内导线23的第一端通过第一连接导线21与外导线24的第一端连接，内导线23的第二端通过第二连接导线22与外导线24的第二端连接，第一连接导线21和第二连接导线22均沿子线圈11的径向延伸。外导线24包括m个子导线部241和m-1个弯折导线部242，m个子导线部241均位于同一弧线上且相间隔设置，各子导线部241所对应的圆心与子线圈11所对应的圆心相重合，每相邻两子导线部241之间通过一弯折导线部242连接，弯折导线部242朝向内导线23弯折并与内导线23相间隔。其中，n为大于0的自然数，m为大于等于2的自然数。
[0032]
具体的，当使用电涡流传感器对被监测结构进行监测时，将被监测结构置于激励线圈1的圆心处，将监测线圈2分布于被监测结构容易产生裂纹的位置。接通电涡流传感器所在装置中的电源，激励线圈1产生激励电流，激发出一次磁场，一次磁场在被监测结构中感生出电涡流，电涡流会激发一个与一次磁场反向的二次磁场，一次磁场与二次磁场矢量叠加，得到合磁场。当被监测结构中没有裂纹产生时，监测线圈2中通过的合磁场不发生变化。当被监测结构中有裂纹产生时，裂纹对被监测结构中的涡流产生扰动并使合磁场发生变化，监测线圈2由于合磁场的变化使感应电动势发生变化并输出监测信号。
[0033]
本技术实施例提供的电涡流传感器，从两方面提升了电涡流传感器的监测灵敏度。第一方面，将监测线圈2的有效面积减小。
[0034]
原理分析：监测线圈2输出的监测信号表示为：其中，为磁通量，b为磁感应强度，s为有效面积。监测线圈2输出的监测信号表示为：由上可以得出监测线圈2输出的监测信号与磁通量变化率呈正比，当磁通量变化率越大，监测线圈2输出的监测信号越大，则监测灵敏度越高。如图2所示，传统花萼状电涡流传感器的监测线圈2由内导线23、外导线24、第一连接导线21和第二连接导线22构成，其中外导线24为一条呈弧状的导线。当有效面积s越大时，监测线圈2中内导线23和外导线24在半径方向上的距离增大，使内导线23和外导线24中间部分的变化量很难提取，即监测线圈2可以拾取的有效信息减少。当有效面积s越小时，监测线圈2中内导线23和外导线24在半径方向的距离减小，使内导线23和外导线24中间部分的变化量容易提取，即监测线圈2可以拾取的有效信息增多。因此在磁感应强度b一定的情况下，减小有效面积s可以提高磁通量变化率。本技术将监测线圈2中的外导线24分为m个子导线部241和m-1个弯折导线部242，m个子导线部241均位于同一弧线上且相间隔设置，各子导线部241所对应的圆心与子线圈11所对应的圆心相重合，每相邻两子导线部241之间通过一弯折导线部242连接，弯折导线部242朝向内导线23弯折并与内导线23相间隔，使监测线圈2的有效面积减小，提高了磁通量变化率，由此提高了监测线圈2输出的监测信号，从而提高了电涡流传感器的监测灵敏度。
[0035]
第二方面，m个子导线部241的弧长总和更接近于内导线23的弧长，当被监测结构中没有裂纹产生时，监测线圈2中内导线23感应的电动势与m个子导线部242感应的电动势基本可以相抵消，提高了电涡流传感器的监测灵敏度。
[0036]
示例性的，当监测线圈2输出监测信号时，从内导线23的第一端和与内导线23相连接的第一连接导线21引出监测信号，或者从内导线23的第二端和与内导线23相连接的第二连接导线22引出监测信号。
[0037]
需要说明的是，第一连接导线21和第二连接导线22不影响监测线圈2拾取有效信息。
[0038]
如图1所示，m个子导线部241的弧长总和等于内导线23的弧长。
[0039]
具体的，根据灵敏度计算公式其中a
rimax
是监测线圈输出的最大电压幅值，a
ri0
是被监测结构中没有裂纹产生时监测线圈输出的电压幅值。
[0040]
当被监测结构中没有裂纹产生时，且m个子导线部241的弧长总和等于内导线23的弧长，监测线圈2中内导线23感应的电动势与m个子导线部感应的电动势相互抵消，监测线圈2输出的电压幅值为0。当被监测结构中有裂纹产生时，监测线圈2输出监测信号。因此，当m个子导线部241的弧长总和等于内导线23的弧长时，监测灵敏度为无穷大，使电涡流传感器的监测灵敏度达到最大，提高了电涡流传感器的监测灵敏度。
[0041]
如图1所示，n个监测线圈2中的第一连接导线21的延伸方向相同，n个监测线圈2中的第二连接导线22的延伸方向相同。
[0042]
具体的，为了减少电涡流传感器在监测过程中产生的噪声及干扰，将n个监测线圈2中的第一连接导线21的延伸方向设置为相同，将n个监测线圈2中的第二连接导线22的延
伸方向设置为相同，使每个监测线圈2的分布范围相同，以达到减小噪声及干扰的效果。
[0043]
如图1所示，弯折导线部242包括第一直导线2421、第二直导线2422和内连接导线2423。第一直导线2421的两端分别连接子导线部241和内连接导线2423的一端，第二直导线2422的两端分别连接子导线部241和内连接导线2423的另一端。内连接导线2423呈弧状，内连接导线2423所对应的圆心与子线圈11所对应的圆心相重合。
[0044]
具体的，每相邻两子导线部241之间设置一弯折导线部242，弯折导线部242朝向内导线23弯折并与内导线23相间隔，所以弯折导线部242的设置使得监测线圈2的有效面积减小，提高了磁通量变化率，由此提高了监测线圈2输出的监测信号，从而提高了电涡流传感器的监测灵敏度。
[0045]
需要说明的是，第一直导线2421和第二直导线2422不影响监测线圈2拾取有效信息。
[0046]
如图1所示，内连接导线2423与内导线23之间的距离小于第一距离。第一距离为内导线23与子导线部241之间距离的一半。
[0047]
具体的，内连接导线2423靠近内导线23，使监测线圈2的有效面积减小，提高了磁通量变化率，由此提高了监测线圈2输出的监测信号，从而提高了电涡流传感器的监测灵敏度。
[0048]
如图1所示，内导线23对应的圆心角为90
°
。
[0049]
具体的，当监测线圈2分布的范围越广时，监测线圈2提取到的噪声及干扰会越多。为了提高电涡流传感器的监测灵敏度及减少不必要的干扰，将电涡流传感器的监测线圈2分布于被监测结构容易产生裂纹的位置，即被监测结构的左右两侧，使电涡流传感器只提取该部分信息，以达到减小误差、干扰及噪声的效果，因此为了限定监测线圈2的分布范围，将内导线23对应的圆心角设置为90
°
，使监测线圈2只提取被监测结构容易产生裂纹的位置信息。
[0050]
如图1所示，第一连接导线21与目标弯折导线部的中心线的夹角等于任意两个相邻的弯折导线部242的中心线的夹角。目标弯折导线部为m-1个弯折导线部242中距离第一连接导线21距离最近的弯折导线部242。
[0051]
具体的，上述设置使得m-1个弯折导线部242的中心线将内导线23对应的圆心角平分为m个角，每个角均可以对应被监测结构中裂纹产生的角度，以使电涡流传感器监测不同角度的裂纹。
[0052]
如图3所示，当m等于3时，两个相邻的弯折导线部242的中心线的夹角为30
°
。
[0053]
具体的，假设以子线圈11的水平中心线为x轴，竖直中心线为y轴，x轴对应0
°
，则每个弯折导线部242分别位于-15
°
和 15
°
的位置。
[0054]
如图4所示，当m等于4时，两个相邻的弯折导线部242的中心线的夹角为22.5
°
。
[0055]
具体的，假设以子线圈11的水平中心线为x轴，竖直中心线为y轴，x轴对应0
°
，则每个弯折导线部242分别位于-22.5
°
、0
°
和 22.5
°
的位置。
[0056]
如图5所示，本技术实施例提供了一种监测装置50，包括电涡流传感器503。监测装置50还包括电源模块501、高频信号发生模块502和信号处理模块504。电源模块501与高频信号发生模块502电连接，高频信号发生模块502与电涡流传感器503电连接，电涡流传感器503与信号处理模块504电连接。电源模块501用于为高频信号发生模块502供电。高频信号
发生模块502用于产生高频电流信号。电涡流传感器503用于根据高频电流信号对被监测结构进行监测，若被监测结构有裂纹产生时，则输出监测信号，并将监测信号传输至信号处理模块504。信号处理模块504用于对监测信号进行处理和显示。
[0057]
具体的，当使用监测装置50对被监测结构进行监测时，将被监测结构置于电涡流传感器的中心处。电源模块501为高频信号发生模块502供电。高频信号发生模块502产生高频电流信号。电涡流传感器503根据高频电流信号对被监测结构进行监测，若被监测结构有裂纹产生时，则输出监测信号，并将监测信号传输至信号处理模块504。信号处理模块504对监测信号进行处理和显示，使技术人员有效掌握被监测结构的真实状况，从而进行预防性维修和更换。
[0058]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0059]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。