CN103018320A

CN103018320A - 用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器及检测方法

Info

Publication number: CN103018320A
Application number: CN2012105028254A
Authority: CN
Inventors: 鲍丙好
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN103018320B

Abstract

本发明公开一种用于铁磁材料缺陷无损检测的共振型磁电传感器及检测方法，U型软磁件底段中间位置上绕有连接稳频稳幅激励电流源的磁化线圈、左、右两侧段之间设有磁电元件、永磁铁；磁电元件由个相同磁致伸缩材料块和一个压电材料块组成，2个磁致伸缩材料块分别固定粘贴于压电材料块的左、右两侧面上；在磁电元件底端和U型软磁件底段的空隙之间设有固定连接磁电元件的永磁铁；使交流励磁信号频率与磁电元件的共振频率相同；将U型软磁件的左、右两侧段的顶端与被测件密合在一起并沿被测件表面移动，监测压电材料块上的银电极层的电压，若有电压脉冲，则被测件与磁电元件相面对的位置处有缺陷；既可检测极弱的磁场，亦可检测中等强度的磁场。

Description

用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及磁电传感器无损检测领域，具体是用于无损检测铁磁材料缺陷的磁电传感器。

背景技术

输油管道、钢丝绳、钢板等铁磁材料在制造和使用过程中，由于摩擦、磨损、腐蚀等原因会产生如裂纹、孔洞、断丝等各种各样的缺陷，若不能及时检测出缺陷，可能会造成重大事故。

目前，对铁磁材料缺陷无损检测方法有漏磁检测法、磁粉法、声波检测法和射线检测法等。其中漏磁检测法因信号处理电路简单和显示设备简单而被广泛使用,它特别适合于钢管裂缝及钢丝绳断丝检测，其核心部分是检测因材料缺陷而产生的漏磁的传感器，目前在漏磁检测中广泛使用的是基于霍尔效应的霍尔传感器，众所周知，霍尔传感器适合于对中等强度磁场的检测，对弱的漏磁场则难以检测,因此对微小缺陷检测难度较大。比霍尔传感器更灵敏的有磁通门传感器、SQUID等，但磁通门传感器未被用于漏磁检测领域，主要原因之一是它所检测的磁场量程小，而漏磁场可分布在较宽的范围内，磁通门仅对弱磁场敏感,故在漏磁检测中不用磁通门传感器,此外敏感体体积大,信号处理电路复杂也是磁通门传感器的缺点。SQUID可检测极弱的磁场如生物磁场，但SQUID由于它需在超导态下工作,且体积较大,因此它也不适合无损检测场合下漏磁场的检测。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的缺陷，提出一种可检测弱的漏磁场、容易对微小缺陷进行检测、检测磁场量程大且体积小的用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器，本发明同时还提出该该共振型磁电传感器的检测方法。

本发明用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器采用的技术方案是：包含一个U型软磁件，U型软磁件底段的中间位置上绕有磁化线圈，磁化线圈连接稳频稳幅激励电流源，U型软磁件的左、右两侧段之间设有磁电元件、永磁铁以及支撑梁，磁电元件由个相同的磁致伸缩材料块和一个压电材料块组成，2个磁致伸缩材料块分别固定粘贴于压电材料块的左、右两侧面上，压电材料块的左右两侧面上覆有银电极层，2个磁致伸缩材料块分别通过两个支撑梁固定连接U型软磁件的左、右两侧段；在磁电元件的底端和U型软磁件的底段的空隙之间设有固定连接磁电元件的永磁铁。

本发明用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器的检测方法采用的技术方案是具有如下步骤：A、检测出磁电元件的共振频率，在磁化线圈中通入交变电流，并调试电流大小，使交流励磁信号频率与所述共振频率相同；B、将U型软磁件的左、右两侧段的顶端与被测件密合在一起并沿被测件的表面移动，使磁电元件与被测件之间有小间隙；C、监测压电材料块上的银电极层的电压，若监测到有电压脉冲，则被测件与磁电元件相面对的位置处有缺陷。

本发明的优点是：

1、本发明利用层合材料磁电效应原理实现检测，利用磁电效应的磁电元件作为检测漏磁的磁场传感器，检测被检材料有缺陷时产生的交变漏磁场；由磁致伸缩材料和压电材料构成的层合复合材料具有磁电效应，且有磁共振特性，利用其具有的共振特性，共振时可极大地提高磁灵敏度。

2、磁致伸缩材料块与极化的压电材料块构成可检测交变磁场，永磁铁为磁致伸缩材料块提供优化的静态偏置磁场，使磁致伸缩材料提供尽可能大的磁伸量，采用与共振频率相同的励磁频率对被测的钢管、钢板进行激励，磁电元件检测出因被测材料缺陷而产生的漏磁，既可检测极弱的磁场，亦可检测中等强度的磁场，具有极宽的磁场检测范围。

3、磁敏元件无需供电即可将磁信号变成电信号。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的结构及其检测状态图：

图2是图1中磁电元件的放大的主视图；

图3是图2的俯视图；

图4是图1中永磁铁的放大的主视图；

图5是图4的俯视图。

图中：1-稳频稳幅激励电流源；2-U型软磁件；3-永磁铁；4、5-支撑梁；6、7-磁致伸缩材料块；8-压电材料块；9-磁化线圈；10-被测件；11-被测件缺陷处。

具体实施方式

参见图1，本发明包含一个U型软磁件2、一个磁化线圈9和一个磁电元件，U型软磁件2是由连续的底段和左、右两侧段围成的U型结构，在U型软磁件2的底段的中间位置上绕有磁化线圈9，磁化线圈9的两端接入稳频稳幅激励电流源1，磁化线圈9由稳频稳幅激励电流源1提供电流，使磁化线圈9产生交流励磁。

在U型软磁件2的左、右两侧段之间设置磁电元件、永磁铁3以及支撑梁，永磁铁3由具有极高磁能极的NdFeB永磁材料制成，支撑梁将磁电元件固定连接在U型软磁件2上。磁电元件由2个相同的磁致伸缩材料块6、7和一个压电材料块8组成，压电材料块8的左右两侧面上分别固定粘贴一个磁致伸缩材料块6、7，即将压电材料块8置于中间，2个磁致伸缩材料块6、7分别位于压电材料块8的左、右两侧面上，通过粘贴形成磁电元件；压电材料块8的左右两侧面上覆有银电极层，银电极层上制作引线，通过引线引出，压电材料块8在左右方向经电场极化。2个磁致伸缩材料块6、7分别通过两个支撑梁5、4固定连接U型软磁件2的左、右两侧段上。

磁电元件的底端和U型软磁件2底段之间留有空隙，在磁电元件的底端固定永磁铁3，使永磁铁3位于磁电元件的底端和U型软磁件2底段的空隙之间。

如图2-3所示，磁电元件中的2个磁致伸缩材料块6、7的顶端与压电材料块8的顶端相平齐，2个磁致伸缩材料块6、7的前、后侧面也与压电材料块8的前、后侧面分别相平齐。将压电材料块8的底端设计成略高于2个磁致伸缩材料块6、7的底端，其目的是方便引线引出。

如图4-5所示，永磁铁3为圆柱形结构，其直径与磁电元件的左、右面之间的宽度距离相等，其轴向顶端与压电材料块8的底端相配，套在压电材料块8的底端上。

检测时，将U型软磁件2的左、右两侧段的顶端同时与待测的被测件10密合在一起，磁电元件与被测件10应具有小间隙。测出磁电元件的共振频率，不是每次检测都要测共振频率，第一次测出结果即可，此后一直用此频率。在磁化线圈9中通入交变电流，调试通人磁化线圈9的电流大小，使磁化线圈9产生的交流励磁信号频率与磁电元件的共振频率相同，被测件10用共振频率进行励磁，由永磁铁3提供沿轴向的偏置磁场，对被检测的钢管或钢板等被测件10采用交流磁场励磁，磁场被磁致伸缩材料块6、7导入被测的铁磁材料被测件10中，铁磁材料被测件10被磁化。将U型软磁件2在被测件10的表面移动，同时监测压电材料块8左右两侧的银电极层的电压，若监测到有电压脉冲，说明检测到缺陷处产生漏磁场，引起磁电元件产生一突变信号，则被测件10与磁电元件相面对的位置处有缺陷，即检测出被测件缺陷处11。而无缺陷的材料不会出现突变信号。

以下是本发明的一个实施例：

实施例

如图1-5所示，制作一长为12.5mm、宽为16mm、厚度为3mm的磁电元件。磁电元件所用的每个Terfenol-D材料的磁致伸缩材料块6、7的长hm=12mm，宽w=6mm，厚tm=2mm；所用的PZT5A材料的压电材料块8的长hp=12.5mm，其宽、厚与磁致伸缩材料6、7相同。用直径R=6mm、高为wm=4mm 的NdFeB材料的永磁铁3置于磁电元件的一端，实现对磁致伸缩材料块6、7的偏置磁化，偏置磁场沿磁电元件的长度方向。磁电元件是将极化的Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT5A)材料与Terfenol-D(TbDyFe)材料经环氧树脂胶粘贴而成。支撑梁4、5采用有机玻璃材料制作。

励磁信号由幅值及频率可调的任意信号发生器产生，调节励磁频率使其得到共振频率，传感器检测信号送示波器上显示，当被测件10存在缺陷时可观察到幅值显著增强的交变信号。测量时将将U型软磁件2的左、右两侧面的顶端面紧贴被测钢板表面，钢板被导入的交变磁场励磁，若钢板上含缺陷（如缝隙），则在缝隙处产生漏磁，磁电元件可检测该漏磁，产生对应缝隙处输出电压信号，因此若磁电元件有输出信号，说明该处有缺陷。因磁电元件工作于共振频率，具有极高的输出磁灵敏度，因此可实现对微小缝隙的检测。

Claims

1.一种用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器，包含一个U型软磁件（2），U型软磁件（2）底段的中间位置上绕有磁化线圈（9），其特征是：磁化线圈（9）连接稳频稳幅激励电流源（1），U型软磁件（2）的左、右两侧段之间设有磁电元件、永磁铁（3）以及支撑梁，磁电元件由2个相同的磁致伸缩材料块（6、7）和一个压电材料块（8）组成，2个磁致伸缩材料块（6、7）分别固定粘贴于压电材料块（8）的左、右两侧面上，压电材料块（8）的左右两侧面上覆有银电极层，2个磁致伸缩材料块（6、7）分别通过支撑梁固定连接U型软磁件（2）的左、右两段；在磁电元件的底端和U型软磁件（2）的底段的空隙之间设有固定连接磁电元件的永磁铁（3）。

2.根据权利要求1所述的用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器，其特征是：2个磁致伸缩材料块（6、7）的顶端均与压电材料块（8）的顶端相平齐，压电材料块（8）的底端高出2个磁致伸缩材料块（6、7）的底端。

3.根据权利要求1所述的用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器，其特征是：永磁铁（3）为圆柱形结构，其直径与磁电元件的左、右面之间的距离相等，其轴向顶端固定连接磁电元件底端。

4.一种如权利要求1所述的用于铁磁材料缺陷检测的共振型磁电传感器的检测方法，其特征是具有如下步骤：

A、检测出磁电元件的共振频率，在磁化线圈（9）中通入交变电流，并调试电流大小，使交流励磁信号频率与所述共振频率相同；

B、将U型软磁件（2）的左、右两侧段的顶端与被测件（10）密合在一起并沿被测件（10）的表面移动，使磁电元件与被测件（10）之间有小间隙；

C、监测压电材料块（8）上的银电极层的电压，若监测到有电压脉冲，则被测件（10）在与磁电元件相面对的位置处有缺陷。