航天器无损检测传感器及无损检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种航天器无损检测传感器及无损检测系统，包括：励磁机构，用于在方波脉冲电流的作用下为航天器的待检测部位提供涡流磁场；隧道磁致电阻，与所述励磁机构配合连接，用于检测所述待检测部位的涡流磁场变化情况，并生成相应的检测信号进行输出；采用高灵敏度的隧道磁致电阻作为检测元件，利用方波脉冲电流激励励磁机构在待检测部位产生涡流磁场，该涡流磁场可渗透至材料内部，因此本发明提供的航天器无损检测传感器能够兼顾检测深度和检测灵度敏。
【专利说明】航天器无损检测传感器及无损检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天【技术领域】，尤其涉及一种航天器无损检测传感器及无损检测系统。
【背景技术】
[0002]针对长寿命、高可靠航天器的发展趋势和需求，电涡流无损检测技术是适用于航天器无损检测的有效手段，电涡流无损检测探头是以线圈作为检测元件，根据穿过线圈的磁通量的变化识别被检测材料内部的深层缺陷，只有线圈的激励频率较低时，才能检测到被检测材料内部的深层缺陷，根据电磁感应定律，线圈感应电动势与磁场变化率有关，为了提高探头的灵敏度，只有增大线圈的尺寸，这就导致线圈的空间分辨率降低和某一深度最小可检测缺陷尺寸增加，因此常规的电涡流无损检测探头无法兼顾检测深度和检测灵敏度。
【发明内容】
[0003]在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0004]本发明提供一种航天器无损检测传感器，包括:
[0005]励磁机构，用于在方波脉冲电流的作用下为航天器的待检测部位提供涡流磁场；
[0006]隧道磁致电阻，与所述励磁机构配合连接，用于检测所述待检测部位的涡流磁场变化，并生成相应的检测信号进行输出。
[0007]本发明还提供一种航天器无损检测系统，包括上述的航天器无损检测传感器，还包括:
[0008]脉冲源，与所述励磁机构连接，用于为所述励磁机构提供方波脉冲电流；
[0009]数据采集设备，与所述隧道磁致电阻连接，用于根据检测信号分析所述待检测部位的损伤情况。
[0010]本发明提供的航天器无损检测传感器及无损检测系统，采用高灵敏度的隧道磁致电阻作为检测元件，利用方波脉冲电流激励励磁机构在待检测部位产生涡流磁场，该涡流磁场可渗透至材料内部，因此本发明提供的航天器无损检测传感器能够兼顾检测深度和检测灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]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。
[0012]图1为本发明提供的航天器无损检测传感器一种实施例的结构示意图。
[0013]图2为本发明提供的航天器无损检测系统一种实施例的结构示意图。
[0014]图3为本发明提供的航天器无损检测方法一种实施例的流程图。
[0015]图4为本发明提供的航天器无损检测方法中对标准试块进行检测的示意图。
[0016]图5为本发明提供的航天器无损检测方法中对标准试块进行检测获得的信号曲线示意图。
[0017]图6为本发明提供的航天器无损检测方法中对多层板进行检测的曲线示意图。【具体实施方式】
[0018]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]实施例一
[0020]参考图1，本实施例提供一种航天器无损检测传感器，包括:
[0021]励磁机构101，用于在方波脉冲电流的作用下为航天器的待检测部位提供涡流磁场；
[0022]隧道磁致电阻102，与励磁机构101配合连接，用于检测待检测部位的涡流磁场变化，并生成相应的检测信号进行输出。
[0023]航天器的待检测部位采用金属材料制成，励磁机构101在方波脉冲电流的作用下在在航天器的待检测部位产生涡流磁场，由于方波脉冲包含了丰富的频率成分，可以在待检测部位产生不同频率的涡流磁场，不同频率的涡流磁场对被检测的材料的渗透深度不同，当被检测部位的内部出现损伤时，其感生的涡流在被检测部位内部的流通路径被材料内部的缺陷阻断时，涡流磁场的分布也发生变化，通过隧道磁致电阻102检测该变化情况，即可实现对该部位的损伤检测，采用方波脉冲电流为励磁机构提供励磁电流，可实现待检测部位内部的不同深度的检测，同时隧道磁致电阻具有较高的灵敏度，因此可以同时提高检测的灵敏度和检测的深度。
[0024]本实施例提供的航天器无损检测传感器适用于航天器在地面时的无损检测。
[0025]具体地，励磁机构101包括励磁线圈103以及采用高导磁率材料制成的磁体，磁体包括桶形导磁部104以及固定在桶形导磁部104内底面几何中心处的磁柱体105,桶形导磁部104为一端开口、另一端封闭的圆柱体结构，励磁线圈103缠绕于磁柱体105上,磁柱体105位于桶形导磁部104开口端方向的端面与桶形导磁部104开口端的端面处于同一平面。
[0026]图1为本实施例提供的航天器无损检测传感器的纵向截面图，磁体的纵向截面图为山字形。[0027]为励磁线圈103提供方波脉冲电流，即可在待检测部位产生不同频率的磁场。
[0028]具体地，磁柱体105为中空结构，隧道磁致电阻102的一端设置于磁柱体105内，另一端与桶形导磁部开口端的端面处于同一平面。
[0029]将桶形导磁部104的开口端与待检测部位的表面贴合，则隧道磁致电阻102即可与待检测部位的表面接触进行检测。
[0030]作为一种可选的实施方式，本实施例提供的无损检测传感器还包括与桶形导磁部104相适配的屏蔽壳体106,屏蔽壳体106为桶形结构，即屏蔽壳体106为一端开口、另一端封闭的圆柱体结构，所述屏蔽壳体设置于桶形导磁部104的外部，用于对励磁机构101进行固定以及对外界的磁场干扰进行屏蔽，屏蔽壳体106开口端的端面与桶形导磁部104的开口端的端面处于同一平面。
[0031]屏蔽壳体106 —方面屏蔽外界的磁场干扰，使得检测更加准确，另一方面固定励磁机构101，提高使用的方便性。
[0032]作为一种可选的实施方式，屏蔽壳体106与桶形导磁部104之间还设有绝缘层107，绝缘层107位于桶形导磁部104开口端方向的端面与桶形导磁部104开口端的端面处
于同一平面。
[0033]绝缘层107用于对励磁机构101和屏蔽壳体106之间进行隔离。
[0034]作为可选的实施方式，屏蔽壳体106上设有引线端子108，引线端子108设置于屏蔽壳体106底面的几何中心处，用于将检测信号输出至外部或者将外界的方波脉冲电流输入至励磁机构101。
[0035]进一步地，隧道磁致电阻102通过第一引线109与引线端子108连接，用于将检测信号输出至外部；励磁机构101通过第二引线110与引线端子108连接，用于将外界的方波脉冲电流输入至励磁机构101。
[0036]具体地，桶形导磁部104、绝缘层107上相应设置有与该引线端子108相应的通孔，第一引线109的一端与引线端子108连接，另一端穿过桶形导磁部104、绝缘层107上的通孔与隧道磁致电阻102连接，第二引线110的一端与励磁机构101中的励磁线圈103连接，另一端与引线端子108连接，引线端子108为无损检测传感器的信息输入/输出端。
[0037]本实施例提供的航天器无损检测传感器的有益效果在于:
[0038]1、克服了超声波无损检测技术无法对内部存在界面的导体材料(例如航天器的多层板结构)进行检测的缺点，且使用过程中不需要耦合剂；
[0039]2、相对于磁粉无损检测技术只能适用于铁磁性材料检测，检测材料的种类更加广泛，适用于任何导电材料；
[0040]3、相对于渗透无损检测技术，可对被检测材料进行原位检测；
[0041]4、相对于射线无损检测技术需要射线的发射端和接收端分别位于待检测部位的两侧，对安装位置无要求，可进行原位检测；
[0042]5、相对采用线圈作为检测元件的传统电涡流无损检测技术，采用一定占空比的方波脉冲进行激励，功耗更低，可实现对不同深度缺陷的检测，避免了扫描的方式；
[0043]6、采用隧道磁致电阻作为检测元件，磁场灵敏度和空间分辨率更高，且灵敏度与磁场变化无关，实现了深层缺陷的高分辨率检测，功耗小。
[0044]实施例二[0045]参考图2，本实施例提供一种航天器无损检测系统，包括:
[0046]无损检测传感器201;
[0047]脉冲源202，与无损检测传感器201中的励磁机构连接，用于为励磁机构提供方波脉冲电流；
[0048]数据采集设备203，与无损检测传感器201中的隧道磁致电阻连接，用于根据检测信号分析所述待检测部位的损伤情况。
[0049]无损检测传感器201的结构和工作原理请参考实施例一，在此不再赘述。
[0050]具体地，脉冲源202与励磁机构中的励磁线圈连接，为励磁线圈提供一定占空比、一定频率和一定电流强度的方波脉冲电流。
[0051]数据采集设备203获取检测信号之后与标定信号进行差分处理，根据处理后的结构即可获得待检测部位的损伤情况。
[0052]作为一种可选的实施方式，本实施例提供的检测系统还包括与所无损检测传感器201连配合连接的传动机构204，用于控制所述无损检测传感器201在待检测部位的表面进行移动。
[0053]通过传动机构204控制无损检测传感器201在待检测部位的表面移动，可实现大面积的自动检测。
[0054]作为一种可选的实施方式，检测系统还包括连接于隧道磁致电阻与数据采集设备203之间的滤波器205，用于对所述检测信号进行滤波处理。
[0055]经过滤波处理，可去除检测信号中的毛刺信号。
[0056]此外，还包括设置于滤波器205与数据采集设备203之间的放大器206，用于对滤波处理后的检测信号进行放大处理。
[0057]本实施例提供的航天器无损检测系统，结构简单，采用高灵敏度的隧道磁致电阻作为检测元件，利用方波脉冲电流激励励磁机构在待检测部位产生涡流磁场，该涡流磁场可渗透至材料内部，因此本发明提供的航天器无损检测传感器能够兼顾检测深度和检测灵度敏。
[0058]实施例三
[0059]参考图3，本实施例提供一种航天器无损检测方法，包括:
[0060]步骤S301，将无损检测传感器放置在航天器待检测部位；
[0061]步骤S302，为无损检测传感器中的励磁机构提供方波脉冲电流以在航天器的待检测部位产生涡流磁场；
[0062]步骤S303，通过无损检测传感器中的隧道磁致电阻检测所述待检测部位的涡流磁场的变化情况，并输出检测信号；
[0063]步骤S304，对所述检测信号进行相应处理，根据处理结果分析所述待检测部位的损伤情况。
[0064]本实施例提供的航天器无损检测方法适用于航天器在地面时的检测，检测时，将无损检测传感器放置在航天器的待检测部位，可通过手动移动无损检测传感器对航天器进行多个部位的检测，也可以通过传动机构控制无损检测传感器自动在航天器上移动进行检测。
[0065]损伤情况包括待检测部位缺陷的当量尺寸和缺陷深度。[0066]作为一种可选的实施方式，通过无损检测传感器中的隧道磁致电阻检测所述待检测部位的涡流磁场的变化情况，并输出检测信号之后，还包括:
[0067]对检测信号进行滤波处理。
[0068]通过滤波处理将检测信号中的毛刺滤去。
[0069]作为一种可选的实施方式，对检测信号进行滤波处理之后还包括:
[0070]对滤波处理后的检测信号进行放大处理。
[0071]具体地，采用脉冲源为励磁机构中的励磁线圈提供一定占空比、一定频率和一定强度的方波脉冲电流，将隧道磁致电阻通过引线与数据采集设备连接，将无损检测传感器贴覆于待检测部位表面，隧道磁致电阻检测涡流磁场的变化情况，并将检测信号输出至数据采集设备，数据采集设备对检测信号与标定信号进行相应处理。
[0072]对检测信号进行相应处理，根据处理结果分析所述待检测部位的损伤情况，包括:
[0073]将检测信号与数据库中对应不同损伤情况的标定信号进行比较，选择与所述检测信号对应的标定信号，根据预先建立的损伤情况与标定信号之间的映射关系，获取与所述标定信号对应的损伤情况。
[0074]参考图4，获得标定信号的方法包括:
[0075]将无损检测传感器304放置于标准试块305的无损伤位置306，并通过无损检测传感器304中的隧道磁致电阻获取基准信号；
[0076]将无损检测传感器304移动至标准试块305的已知损伤位置307 ;并通过无损检测传感器304中的隧道磁致电阻获取损伤信号；
[0077]对基准信号和损伤信号进行差分处理，获得对应所述已知损伤位置的当量尺寸和缺陷深度的标定信号。
[0078]考虑到无损检测传感器的个体差异，因此在检测之前进行校准标定，开启数据采集设备，参考图4，将无损检测传感器放置于标准试块305的无损伤位置306，检测此位置的涡流磁场，获取的信号作为基准信号，并绘制基准数据缺曲线，在将无损检测传感器移动至标准试块305的已知损伤位置307，该位置的缺陷深度和当量尺寸已知，检测该位置的涡流磁场，获得的信号作为损伤信号，并绘制缺陷数据曲线，对基准信号和损伤信号进行差分处理，获得的差分数据即为对应该缺陷位置的当量尺寸和缺陷深度的标定信号，绘制该差分数据曲线，参考图5，差分数据曲线的幅值Vp对应已知损伤位置307的当量尺寸，Vp对应的时间Tp为已知损伤位置307在标准试块中的缺陷深度，利用已知的不同缺陷深度和当量尺寸的标准试块对无损检测传感器进行标定，得到不同缺陷深度和当量尺寸对应的标定信号，对损伤情况的标定信号进行存储，建立相应的数据库。
[0079]本实施例提供的无损检测方法，利用恒流方波脉冲为励磁机构提供激励电流，方波脉冲包含丰富的频率成分，使得励磁线圈产生的磁场包含丰富的频谱，不同频率磁场在被检测部位内的渗透深度不同，其衰减时间亦不相同，不同频率磁场的涡流在待检测部位内部的流通路径被待检测部位内部的缺陷阻断时，涡流磁场的分布亦发生改变，通过隧道磁致电阻检测涡流磁场的变化，即可获得待检测部位内部的损伤情况，并利用检测结果中的Vp和Tp对待检测部位内的损伤情况进行定性描述。
[0080]本实施例提供的无损检测传感器时，在励磁线圈中通一周期性矩形脉冲电流，励磁线圈产生的磁场在待检测部位中感生出涡流,涡流产生的磁场被隧道磁致电阻接收。如果待检部位中存在缺陷，则待检测部位中的涡流在待检测部位内部的流通路径被阻断，其感生的磁场会随之发生变化，所以该磁场包含了丰富的关于待检测部位内部损伤的信息，通过对隧道磁致电阻检测数据的分析，即可获得导体内部损伤的相关信息。
[0081]励磁线圈的产生的涡流磁场在待检测部位内部感生涡流的趋肤深度(理论上的可检测深度)定义为:
[0082]
【权利要求】
1.一种航天器无损检测传感器，其特征在于，包括: 励磁机构，用于在方波脉冲电流的作用下为航天器的待检测部位提供涡流磁场； 隧道磁致电阻，与所述励磁机构配合连接，用于检测所述待检测部位的涡流磁场变化情况，并生成相应的检测信号进行输出。
2.根据权利要求1所述的航天器无损检测传感器，其特征在于，所述励磁机构包括励磁线圈以及采用高导磁率材料制成的磁体，所述磁体包括桶形导磁部以及固定在所述桶形导磁部内底面几何中心处的磁柱体，所述励磁线圈缠绕于所述磁柱体上，所述磁柱体位于所述桶形导磁部开口端方向的端面与所述桶形导磁部开口端的端面处于同一平面。
3.根据权利要求2所述的航天器无损检测传感器，其特征在于，所述磁柱体为中空结构，所述隧道磁致电阻的一端设置于磁柱体内，另一端与所述桶形导磁部开口端的端面处于同一平面。
4.根据权利要求2所述的航天器无损检测传感器，其特征在于，所述传感器还包括与所述桶形导磁部相适配的屏蔽壳体，所述屏蔽壳体为桶形结构，所述屏蔽壳体设置于所述桶形导磁部的外部，用于对所述励磁机构进行固定以及对外界的磁场干扰进行屏蔽，所述屏蔽壳体开口端的端面与所述桶形导磁部的开口端的端面处于同一平面。
5.根据权利要求4所述的航天器无损检测传感器，其特征在于，所述屏蔽壳体与所述桶形导磁部之间还设有绝缘层，所述绝缘层位于所述桶形导磁部开口端方向的端面与所述桶形导磁部开口端的端面处于同一平面。
6.根据权利要求4所述的航天器无损检测传感器，其特征在于，所述屏蔽壳体上设有引线端子，所述引线端子设置于所述屏蔽壳体底面的几何中心处，用于将所述检测信号输出至外部或者将外界的方波脉冲电流输入至所述励磁机构。
7.根据权利要求6所述的航天器无损检测传感器，其特征在于，所述隧道磁致电阻通过第一引线与所述引线端子连接，用于将所述检测信号输出至外部；所述励磁机构通过第二引线与所述引线端子连接，用于将外界的方波脉冲电流输入至所述励磁机构。
8.一种航天器无损检测系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的航天器无损检测传感器，还包括: 脉冲源，与所述励磁机构连接，用于为所述励磁机构提供方波脉冲电流； 数据采集设备，与所述隧道磁致电阻连接，用于根据检测信号分析所述待检测部位的损伤情况。
9.根据权利要求8所述的航天器无损检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括与所述无损检测传感器配合连接的传动机构，用于控制所述无损检测传感器在所述待检测部位的表面进行移动。
10.根据权利要求8所述的航天器无损检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括连接于所述隧道磁致电阻与所述数据采集设备之间的滤波器，用于对所述检测信号进行滤波处理； 还包括设置于所述滤波器与所述数据采集设备之间的放大器，用于对滤波处理后的检测信号进行放大处理。
【文档编号】G01N27/90GK103760224SQ201310711809
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】郑阔海, 杨生胜, 李存惠, 苗育君, 王鷁, 孔风连, 全小平, 顾征, 王彤 申请人:兰州空间技术物理研究所