一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器

1.发明涉及一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，应用于铁磁性材料热老化试件表面产生的氧化层厚度检测，属于电磁无损检测技术领域，可以有效提高微小变化的辨识率，增强检测信号的灵敏度和准确性。


背景技术：

2.核电站、火电厂、石油化工冶金等领域是我国能源建设中的重要组成部分，其设施安全直接影响国家能源安全，攸关国计民生和国家战略。火电厂超临界机组和工业炉回路的主管道均属于在高温高压下服役的安全一级设备，主要为铁磁性材料，易发生热老化。热老化是指部件长期服役期间，其微观结构由于热作用发生改变，进而引起材料性能退化现象，如脆性增加、韧性下降。当铁磁性材料发生热老化时，会在材料表面产生一层致密的氧化层，随着热老化程度的增加，氧化层的厚度会不断增加，因此可以通过测量氧化层厚度对材料的热老化程度进行间接表征。目前，最常用的材料厚度检测方法包括：电涡流检测、金相检测、太赫兹检测、超声检测技术等。金相检测测量误差较小，可以达到微米级厚度测量，但该方法是破坏性检测方法，会损伤试件。超声检测技术是利用波的反射原理，该方法测量的厚度范围比较大，一般为毫米级涂层，但是铁磁性材料产生的氧化层是微米级，因此超声检测方法不适用。太赫兹检测方法只适用于非导电涂层，不适合对铁磁性材料进行测量。在众多的无损检测技术中，涡流检测技术具有操作简单、设备便携、高灵敏度、不损伤检测试件、使用成本低等优点。另外它不需要耦合剂，价格便宜，非常适合涂层检测。
3.涡流传感器具有测量线性范围大，结构简单，不受油污等介质影响的特点，并且频响宽，抗干扰能力强，应用范围广。然而应用在涂层检测的涡流传感器面临许多困难，例如检测灵敏度不够，无法精准测量微米级厚度等。因此研制一款识别材料微米级厚度的双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器是很有必要的。但是涡流传感器在检测时往往会受到磁噪声的干扰，使得检测灵敏度降低。为了减小背景噪声的干扰，进而得到被检试件中由于微小变化存在扰动磁场的信号，需要引入磁屏蔽壳、霍尔传感器等结构，并且传感器线圈的参数也会对磁场的分布产生重要影响，因此通过传感器参数的优化，设计合理的传感器结构，从而提高传感器的检测性能是非常重要的。
4.本发明选择在磁场最强的位置采用霍尔传感器作为接收信号装置，搭配双层磁屏蔽外壳，提高了传感器的检测灵敏度，并且减小了背景噪声的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，应用于铁磁性材料老化产生的氧化层厚度检测，为了解决常规脉冲涡流传感器信号强度低、检测灵敏度的问题，从激励信号和接收信号两个方面提高信号幅值。基于磁屏蔽原理，加入了双层磁屏蔽外壳，引导磁场分布，能实现电磁场的空间聚焦，减小漏磁作用和背景噪声，提高检测灵敏度和精度。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
7.一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，包括外层磁屏蔽壳1、内层磁屏蔽壳2、激励线圈3和霍尔传感器4；其特征在于：内层磁屏蔽壳2由高磁导率锰锌铁氧体制成，是一个不规则的结构，由具有一定厚度的帽状结构与实心柱状磁芯组成一个整体，而且实心柱状磁芯底部与激励线圈3底部处于同一平面，便于将霍尔传感器放置在实心柱状磁芯下方；外层磁屏蔽壳1由铁钴矾合金加工而成，是一个帽状外壳，其厚度与内层磁屏蔽壳2相同；霍尔传感器4水平放置在内层磁屏蔽壳2底部中心位置；外层磁屏蔽壳1、内层磁屏蔽壳2和激励线圈3的轴线重合。
8.所述的一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳2的实心柱状磁芯底部要略高于外部帽状结构底部，便于将霍尔传感器4放置在实心柱状磁芯底部的中心位置。
9.所述的一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳2采用帽状外壳和实心柱状磁芯的整体，由高磁导率锰锌铁氧体组成，引导磁路分布，起导磁和屏蔽的作用。
10.所述的一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，其特征在于：外层磁屏蔽壳1由铁钴矾合金加工而成，铁钴矾合金由于具有剩磁低的特性，且强度与韧性好，可以对传感器起到保护作用，同时可以进一步聚拢磁场，使得感应信号更强。
11.所述的一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳2的实心柱状磁芯上放置绕制好的激励线圈3，其截面为矩形，基于磁屏蔽原理设置双层磁屏蔽壳，弥补激励线圈激励涡流强度小的缺点。
12.所述的一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，其特征在于：霍尔传感器4位于实心柱状磁芯下方，用于接收涡流信号，此位置磁场强度最大，接收信号磁场强度最强。
13.本发明可以获得如下有益效果：
14.1、双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器相较于常规涡流传感器，加入了双层磁屏蔽壳，能够在线圈附近产生更大的磁场，起到减少背景噪声和漏磁的作用。
15.2、接收信号装置位于内磁屏蔽壳2的实心柱状磁芯的下方，使得更多磁力线经过接收信号装置，尽可能多的接收到信号。
16.3、内层磁屏蔽壳2采用帽状外壳和实心柱状磁芯的整体，起到导磁和聚磁的作用。
17.4、外层磁屏蔽壳1采用帽状结构，由铁钴矾合金加工而成的，铁钴矾合金由于具有剩磁低的特性，且强度与韧性好，可以对传感器起到保护作用，进一步聚拢磁场，使得感应信号更强。
附图说明
18.图1：双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器结构示意图。
19.图2：激励线圈示意图。
20.图3：外层磁屏蔽壳示意图。
21.图4：内层磁屏蔽壳示意图。
22.图5：两种涡流传感器磁场分布示意图。
23.图6：两种涡流传感器涡流分布示意图。
24.图7：两种传感器激励下磁场强度随距离变化示意图。
25.图8：两种传感器激励下磁场强度随距离变化示意图。
26.图9：两种传感器信号随着厚度变化对比示意图。
27.图中，1、外层磁屏蔽壳，2、内层磁屏蔽壳，3、激励线圈，4、霍尔传感器。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
29.双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器结构示意图为图1所示。该传感器包括外层磁屏蔽壳1、内层磁屏蔽壳2、激励线圈3和霍尔传感器4。检测对象为cr12mov的梯度热老化试件，规格为200
×
100
×
30(单位：mm)。激励线圈选用空心圆柱型，线圈的内径、外径和高度对被测试件中的感应涡流密度和二级磁场强度起决定性作用，具体尺寸根据仿真结果确定。根据传感器结构，选用高磁导率锰锌铁氧体作为内层磁屏蔽壳的材料，采用直径为0.06mm漆包线均匀同向绕制线圈，并将绕制的线圈放置在内层磁屏蔽壳的帽状外壳和实心柱状磁芯之间；由于霍尔传感器线性度好、灵敏度高、量程范围大，没有磁场滞后效应，选用霍尔传感器作为信号接收装置，并将霍尔传感器放置于内层磁屏蔽壳底部中心位置处，测量轴向方向由线圈激励磁场与被检件检测磁场叠加后的总磁场；采用剩磁低、磁导率高的铁钴矾合金制作外层磁屏蔽壳，装配于内层磁屏蔽壳的外部。
30.在有限元仿真中建立三维模型，根据仿真结果采用控制变量法确定最终传感器尺寸。激励线圈结构示意图如图2所示，激励线圈高度h＝6mm，内径ri＝2mm，外径ro＝5mm，线圈装配在内层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯上面。外层磁屏蔽壳结构示意图如图3所示，顶部为全封闭结构，厚度w＝1.5mm，高度h1＝8.6mm，h2＝10.1mm，直径φ1＝8.1mm，φ2＝6.6mm。内层磁屏蔽壳结构示意图如图4所示，实心柱状磁芯的直径φ4＝3.6mm，帽状结构直径φ3＝5.1mm，φ2＝6.6mm，帽状结构的厚度与外层磁屏蔽壳的厚度均为w＝1.5mm，实心柱状磁芯与传感器底部的距离l＝1mm，高度h3＝7.1mm，h2＝8.6mm。
31.在线圈内通入频率f＝5khz，幅值为5v的方波，研究双层磁屏蔽式涡流传感器和普通线圈式传感器的激励效果。图5和图6所示为分别为常规涡流传感器和双层磁屏蔽式涡流传感器的磁场分布和涡流分布，从图中可以看出双层磁屏蔽式传感器的磁场分布和涡流分布均比常规涡流传感器集中，且涡流密度和磁场强度也较大。两种传感器相比，双层磁屏蔽式传感器的涡流更多地集中分布在中心位置处，实心柱状磁芯底部中心位置处有大部分磁力线经过，常规涡流传感器在空气求解域中漏磁很多，双层磁屏蔽式传感器由于加入了双层磁屏蔽外壳，将磁场控制在一定的范围之内，有效的减少了漏磁，使磁场更加集中。从图7和图8可以得到，常规涡流传感器的磁场强度和涡流密度的最大值分别为14.77g和6.46
×
105a/m2，双层磁屏蔽式涡流传感器的磁场强度和涡流密度的最大值分别为356.28g和3.4
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106a/m2。两种传感器相比，双层磁屏蔽式传感器的磁场强度和涡流密度均较大。因此，通过分析可以看出双层磁屏蔽式传感器中心位置处磁场强度和涡流密度最强最集中，常规涡流传感器分布范围广，并且其磁场强度相对于双层磁屏蔽式传感器小很多。
32.采用霍尔传感器作为接收信号装置，装配于内层磁屏蔽壳底部的中心位置，由于霍尔传感器是线性传感器，其输出电压与磁场成正比。因此提取该中心位置处磁场强度，将
不同氧化层厚度与无氧化层厚度的磁场强度进行对比，相同氧化层厚度下，磁场强度越大，说明传感器灵敏度越高。如图9所示，从图中可以看出，双层磁屏蔽式涡流传感器相较于常规涡流传感器更加灵敏。磁场强度随着厚度增加增大而增大，但是信号增加的趋势逐渐变缓。如图9所示，双层磁屏蔽式传感器的信号峰值比常规涡流传感器大，因此，双层磁屏蔽式传感器的检测性能比常规涡流传感器更好。
33.本发明设计的一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，该传感器采用双层磁屏蔽外壳提高信号强度，并搭配以霍尔传感器作为接收装置，以提高激励和接收的信号强度为目的进行设计。当传感器工作时，给激励线圈通入电流，线圈产生动态磁场，同时在被测试件趋肤深度内产生涡流和感应磁场，涡流以及磁场受到材料氧化层厚度变化的扰动，作用于检测元件上，此时霍尔传感器检测的是由线圈激励的磁场与被检件检测磁场叠加后的总磁场。通过仿真发现，双层磁屏蔽式传感器相较于常规涡流传感器的磁场强度在相同氧化层厚度下变化量更大，说明其灵敏度更高，验证了双层磁屏蔽式涡流传感器可以提高传感器检测能力、增强信号强度的特点。

技术特征：
1.一种双层磁屏蔽型脉冲涡流传感器，包括激励线圈、霍尔传感器、外层磁屏蔽壳和内层磁屏蔽壳四部分；其特征在于：内层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯的高度低于其外部边缘部分；由铜线绕制而成的激励线圈缠绕在内层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯上，且两者处于同一平面上，激励线圈用于产生激励磁场；外层磁屏蔽壳与内层磁屏蔽壳的底部处于同一平面；霍尔传感器水平放置在传感器底部中心位置，位于内层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯正下方，霍尔传感器底部与外层磁屏蔽壳处于同一平面，用于接收信号。2.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽型脉冲涡流传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯底部要低于外部边缘部分，便于将霍尔传感器放置在传感器中心位置。3.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽型脉冲涡流传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳采用帽状外壳和实心柱状磁芯的整体，引导磁路分布，起导磁和屏蔽的作用。4.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽型脉冲涡流传感器，其特征在于：外层磁屏蔽壳对霍尔传感器起到保护作用，进一步聚拢磁场，使得感应信号更强。5.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽型脉冲涡流传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯上放置激励线圈，其截面为矩形，能够在交电流下提供涡流磁场，基于磁屏蔽原理设置双层磁屏蔽壳，弥补激励线圈激励涡流强度小的缺点。6.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽型脉冲涡流传感器，其特征在于：霍尔传感器位于所述磁芯下方，用于接收涡流信号，此位置磁场强度最大，接收信号磁场强度最强。

技术总结
本发明公开了一种双层磁屏蔽式脉冲涡流传感器，该传感器由激励线圈、霍尔传感器、外层磁屏蔽壳和内层磁屏蔽壳四部分组合而成。该传感器基于磁屏蔽原理，加入了双层磁屏蔽外壳的结构来引导磁场分布，能实现电磁场的空间聚焦，减小漏磁作用和背景磁场，提高检测灵敏度。当耐高温的铁磁性材料发生热老化时，会导致材料的力学性能和电磁性能发生变化，材料的表面会产生一层质密的氧化层，通过涡流信号的变化可以测量铁磁性材料的氧化层厚度。该传感器具有结构简单、尺寸小、灵敏度高、空间分辨率高等优点，完全满足铁磁性材料热老化试件氧化层厚度的检测需要。度的检测需要。度的检测需要。


技术研发人员：刘增华 孙丽欣 田九洲 何存富
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.11.27
技术公布日：2022/3/8