專利名稱：用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電傳感器無損檢測領(lǐng)域，具體是用于無損檢測鐵磁材料缺陷的磁電傳感器。
背景技術(shù)：
輸油管道、鋼絲繩、鋼板等鐵磁材料在制造和使用過程中，由于摩擦、磨損、腐蝕等原因會產(chǎn)生如裂紋、孔洞、斷絲等各種各樣的缺陷，若不能及時檢測出缺陷，可能會造成重大事故。目前，對鐵磁材料缺陷無損檢測方法有漏磁檢測法、磁粉法、聲波檢測法和射線檢測法等。其中漏磁檢測法因信號處理電路簡單和顯示設(shè)備簡單而被廣泛使用，它特別適合于鋼管裂縫及鋼絲繩斷絲檢測，其核心部分是檢測因材料缺陷而產(chǎn)生的漏磁的傳感器，目前在漏磁檢測中廣泛使用的是基于霍爾效應(yīng)的霍爾傳感器，眾所周知，霍爾傳感器適合于對中等強(qiáng)度磁場的檢測，對弱的漏磁場則難以檢測，因此對微小缺陷檢測難度較大。比霍爾傳感器更靈敏的有磁通門傳感器、SQUID等，但磁通門傳感器未被用于漏磁檢測領(lǐng)域，主要原因之一是它所檢測的磁場量程小，而漏磁場可分布在較寬的范圍內(nèi)，磁通門僅對弱磁場敏感，故在漏磁檢測中不用磁通門傳感器，此外敏感體體積大，信號處理電路復(fù)雜也是磁通門傳感器的缺點。SQUID可檢測極弱的磁場如生物磁場,但SQUID由于它需在超導(dǎo)態(tài)下工作，且體積較大，因此它也不適合無損檢測場合下漏磁場的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種可檢測弱的漏磁場、容易對微小缺陷進(jìn)行檢測、檢測磁場量程大且體積小的用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器，本發(fā)明同時還提出該該共振型磁電傳感器的檢測方法。本發(fā)明用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器采用的技術(shù)方案是包含一個U型軟磁件，U型軟磁件底段的中間位置上繞有磁化線圈，磁化線圈連接穩(wěn)頻穩(wěn)幅激勵電流源，U型軟磁件的左、右兩側(cè)段之間設(shè)有磁電元件、永磁鐵以及支撐梁，磁電元件由個相同的磁致伸縮材料塊和一個壓電材料塊組成，2個磁致伸縮材料塊分別固定粘貼于壓電材料塊的左、右兩側(cè)面上，壓電材料塊的左右兩側(cè)面上覆有銀電極層，2個磁致伸縮材料塊分別通過兩個支撐梁固定連接U型軟磁件的左、右兩側(cè)段；在磁電元件的底端和U型軟磁件的底段的空隙之間設(shè)有固定連接磁電元件的永磁鐵。本發(fā)明用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器的檢測方法采用的技術(shù)方案是具有如下步驟:A、檢測出磁電元件的共振頻率，在磁化線圈中通入交變電流，并調(diào)試電流大小，使交流勵磁信號頻率與所述共振頻率相同、將U型軟磁件的左、右兩側(cè)段的頂端與被測件密合在一起并沿被測件的表面移動，使磁電元件與被測件之間有小間隙；C、監(jiān)測壓電材料塊上的銀電極層的電壓，若監(jiān)測到有電壓脈沖，則被測件與磁電元件相面對的位置處有缺陷。
本發(fā)明的優(yōu)點是1、本發(fā)明利用層合材料磁電效應(yīng)原理實現(xiàn)檢測，利用磁電效應(yīng)的磁電元件作為檢測漏磁的磁場傳感器，檢測被檢材料有缺陷時產(chǎn)生的交變漏磁場；由磁致伸縮材料和壓電材料構(gòu)成的層合復(fù)合材料具有磁電效應(yīng)，且有磁共振特性，利用其具有的共振特性，共振時可極大地提高磁靈敏度。2、磁致伸縮材料塊與極化的壓電材料塊構(gòu)成可檢測交變磁場，永磁鐵為磁致伸縮材料塊提供優(yōu)化的靜態(tài)偏置磁場，使磁致伸縮材料提供盡可能大的磁伸量，采用與共振頻率相同的勵磁頻率對被測的鋼管、鋼板進(jìn)行激勵，磁電元件檢測出因被測材料缺陷而產(chǎn)生的漏磁，既可檢測極弱的磁場，亦可檢測中等強(qiáng)度的磁場，具有極寬的磁場檢測范圍。3、磁敏兀件無需供電即可將磁信號變成電信號。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及其檢測狀態(tài)圖
圖2是圖1中磁電元件的放大的主視 圖3是圖2的俯視 圖4是圖1中永磁鐵的放大的主視 圖5是圖4的俯視圖。圖中1-穩(wěn)頻穩(wěn)幅激勵電流源；2-U型軟磁件；3_永磁鐵；4、5_支撐梁；6、7_磁致伸縮材料塊；8_壓電材料塊；9_磁化線圈；10_被測件；11_被測件缺陷處。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明包含一個U型軟磁件2、一個磁化線圈9和一個磁電元件，U型軟磁件2是由連續(xù)的底段和左、右兩側(cè)段圍成的U型結(jié)構(gòu)，在U型軟磁件2的底段的中間位置上繞有磁化線圈9，磁化線圈9的兩端接入穩(wěn)頻穩(wěn)幅激勵電流源1，磁化線圈9由穩(wěn)頻穩(wěn)幅激勵電流源I提供電流，使磁化線圈9產(chǎn)生交流勵磁。在U型軟磁件2的左、右兩側(cè)段之間設(shè)置磁電元件、永磁鐵3以及支撐梁，永磁鐵3由具有極高磁能極的NdFeB永磁材料制成，支撐梁將磁電元件固定連接在U型軟磁件2上。磁電元件由2個相同的磁致伸縮材料塊6、7和一個壓電材料塊8組成，壓電材料塊8的左右兩側(cè)面上分別固定粘貼一個磁致伸縮材料塊6、7，即將壓電材料塊8置于中間，2個磁致伸縮材料塊6、7分別位于壓電材料塊8的左、右兩側(cè)面上，通過粘貼形成磁電元件；壓電材料塊8的左右兩側(cè)面上覆有銀電極層，銀電極層上制作引線，通過引線引出，壓電材料塊8在左右方向經(jīng)電場極化。2個磁致伸縮材料塊6、7分別通過兩個支撐梁5、4固定連接U型軟磁件2的左、右兩側(cè)段上。磁電元件的底端和U型軟磁件2底段之間留有空隙，在磁電元件的底端固定永磁鐵3，使永磁鐵3位于磁電元件的底端和U型軟磁件2底段的空隙之間。如圖2-3所示，磁電元件中的2個磁致伸縮材料塊6、7的頂端與壓電材料塊8的頂端相平齊，2個磁致伸縮材料塊6、7的前、后側(cè)面也與壓電材料塊8的前、后側(cè)面分別相平齊。將壓電材料塊8的底端設(shè)計成略高于2個磁致伸縮材料塊6、7的底端，其目的是方便引線引出。如圖4-5所示，永磁鐵3為圓柱形結(jié)構(gòu)，其直徑與磁電元件的左、右面之間的寬度距離相等，其軸向頂端與壓電材料塊8的底端相配，套在壓電材料塊8的底端上。檢測時，將U型軟磁件2的左、右兩側(cè)段的頂端同時與待測的被測件10密合在一起，磁電元件與被測件10應(yīng)具有小間隙。測出磁電元件的共振頻率，不是每次檢測都要測共振頻率，第一次測出結(jié)果即可，此后一直用此頻率。在磁化線圈9中通入交變電流，調(diào)試通人磁化線圈9的電流大小，使磁化線圈9產(chǎn)生的交流勵磁信號頻率與磁電元件的共振頻率相同，被測件10用共振頻率進(jìn)行勵磁，由永磁鐵3提供沿軸向的偏置磁場，對被檢測的鋼管或鋼板等被測件10采用交流磁場勵磁，磁場被磁致伸縮材料塊6、7導(dǎo)入被測的鐵磁材料被測件10中，鐵磁材料被測件10被磁化。將U型軟磁件2在被測件10的表面移動，同時監(jiān)測壓電材料塊8左右兩側(cè)的銀電極層的電壓，若監(jiān)測到有電壓脈沖，說明檢測到缺陷處產(chǎn)生漏磁場，引起磁電元件產(chǎn)生一突變信號，則被測件10與磁電元件相面對的位置處有缺陷，即檢測出被測件缺陷處11。而無缺陷的材料不會出現(xiàn)突變信號。以下是本發(fā)明的一個實施例
實施例如圖1-5所示,制作一長為12. 5mm、寬為16mm、厚度為3mm的磁電元件。磁電元件所用的每個Terfenol-D材料的磁致伸縮材料塊6、7的長hm=12mm,寬w=6mm,厚tm=2mm ;所用的PZT5A材料的壓電材料塊8的長hp=12. 5_，其寬、厚與磁致伸縮材料6、7相同。用直徑R=6mm、高為wm=4mm的NdFeB材料的永磁鐵3置于磁電元件的一端,實現(xiàn)對磁致伸縮材料塊6、7的偏置磁化，偏置磁場沿磁電元件的長度方向。磁電元件是將極化的Pb (ZivxTix)03(PZT5A)材料與Terfenol-D (TbDyFe)材料經(jīng)環(huán)氧樹脂膠粘貼而成。支撐梁4、5采用有機(jī)玻璃材料制作。勵磁信號由幅值及頻率可調(diào)的任意信號發(fā)生器產(chǎn)生，調(diào)節(jié)勵磁頻率使其得到共振頻率，傳感器檢測信號送示波器上顯示，當(dāng)被測件10存在缺陷時可觀察到幅值顯著增強(qiáng)的交變信號。測量時將將U型軟磁件2的左、右兩側(cè)面的頂端面緊貼被測鋼板表面，鋼板被導(dǎo)入的交變磁場勵磁，若鋼板上含缺陷(如縫隙)，則在縫隙處產(chǎn)生漏磁，磁電元件可檢測該漏磁，產(chǎn)生對應(yīng)縫隙處輸出電壓信號，因此若磁電兀件有輸出信號，說明該處有缺陷。因磁電元件工作于共振頻率，具有極高的輸出磁靈敏度，因此可實現(xiàn)對微小縫隙的檢測。
權(quán)利要求
1.一種用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器，包含一個U型軟磁件(2)，U型軟磁件(2)底段的中間位置上繞有磁化線圈(9)，其特征是磁化線圈(9)連接穩(wěn)頻穩(wěn)幅激勵電流源(1)，U型軟磁件(2)的左、右兩側(cè)段之間設(shè)有磁電元件、永磁鐵(3)以及支撐梁，磁電元件由2個相同的磁致伸縮材料塊(6、7 )和一個壓電材料塊(8 )組成，2個磁致伸縮材料塊(6、7)分別固定粘貼于壓電材料塊(8)的左、右兩側(cè)面上，壓電材料塊(8)的左右兩側(cè)面上覆有銀電極層，2個磁致伸縮材料塊(6、7)分別通過支撐梁固定連接U型軟磁件(2)的左、右兩段；在磁電元件的底端和U型軟磁件(2)的底段的空隙之間設(shè)有固定連接磁電元件的永磁鐵(3 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器，其特征是2個磁致伸縮材料塊(6、7)的頂端均與壓電材料塊(8)的頂端相平齊，壓電材料塊(8)的底端高出2個磁致伸縮材料塊(6、7)的底端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器，其特征是永磁鐵(3)為圓柱形結(jié)構(gòu)，其直徑與磁電元件的左、右面之間的距離相等，其軸向頂端固定連接磁電元件底端。
4.一種如權(quán)利要求1所述的用于鐵磁材料缺陷檢測的共振型磁電傳感器的檢測方法，其特征是具有如下步驟 A、檢測出磁電元件的共振頻率，在磁化線圈(9)中通入交變電流，并調(diào)試電流大小,使交流勵磁信號頻率與所述共振頻率相同； B、將U型軟磁件(2)的左、右兩側(cè)段的頂端與被測件(10)密合在一起并沿被測件(10)的表面移動，使磁電元件與被測件(10)之間有小間隙； C、監(jiān)測壓電材料塊(8)上的銀電極層的電壓，若監(jiān)測到有電壓脈沖，則被測件(10)在與磁電元件相面對的位置處有缺陷。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于鐵磁材料缺陷無損檢測的共振型磁電傳感器及檢測方法，U型軟磁件底段中間位置上繞有連接穩(wěn)頻穩(wěn)幅激勵電流源的磁化線圈、左、右兩側(cè)段之間設(shè)有磁電元件、永磁鐵；磁電元件由個相同磁致伸縮材料塊和一個壓電材料塊組成，2個磁致伸縮材料塊分別固定粘貼于壓電材料塊的左、右兩側(cè)面上；在磁電元件底端和U型軟磁件底段的空隙之間設(shè)有固定連接磁電元件的永磁鐵；使交流勵磁信號頻率與磁電元件的共振頻率相同；將U型軟磁件的左、右兩側(cè)段的頂端與被測件密合在一起并沿被測件表面移動，監(jiān)測壓電材料塊上的銀電極層的電壓，若有電壓脈沖，則被測件與磁電元件相面對的位置處有缺陷；既可檢測極弱的磁場，亦可檢測中等強(qiáng)度的磁場。
文檔編號G01N27/83GK103018320SQ20121050282
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者鮑丙好 申請人:江蘇大學(xué)