多模式电磁超声与漏磁检测的传感器以及系统的制作方法

本实用新型涉及工业无损检测技术领域，具体而言，涉及一种多模式电磁超声与漏磁检测的传感器以及系统。

背景技术：

在本领域，无损检测是工业发展必不可少一个环节，无损检测可以在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被测对象表面或内部的缺陷或不均匀性。

通常，在无损检测过程中，主要采用的漏磁检测技术和电磁超声检测技术(包括：超声体波检测、导波检测和表面波检测)，其中，漏磁检测技术可以采用漏磁检测技术检测铁磁性材料(例如，钢板或管道)的腐蚀性检测；电磁超声检测技术通过产生超声体波、表面波和超声导波来对被测对象进行无损检测，具有无需打磨材料表面、无需耦合剂、非接触检测等众多优点，特别适用于自动化超声检测装备。

但是，由于在实际的工程无损检测中总是基于多个检测目标任务，需要检测被测对象的多种缺陷，尽可能多的获得缺陷信息，还需要快速高效。例如，大型储罐壁板和底板检测，不但需要进行测厚实现腐蚀检测，还需要检测裂纹，同时也期望区分缺陷是存在于被测对象的内侧或外侧，此外还期望有快速扫查缺陷区域位置，然后再精确检测缺陷的高效检测策略。为实现上述检测目标往往需要漏磁、超声体波、表面波、超声导波等多种检测技术并用。

而现有技术用于进行漏磁、超声体波、表面波、超声导波等检测的传感器都是独立的传感器，如果要实现上述检测目标，往往需要漏磁、超声体波、表面波、超声导波等多种仪器和传感器共同或合并使用来执行检测。采用现有采用多个独立的传感器来对被测对象进行检测的方案，增加了检测系统的复杂度和成本，并且检测效率也不高。

针对上述现有技术采用分立式的多个传感器实现对铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹及内部损伤检测造成系统复杂度高、工作效率的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种多模式电磁超声与漏磁检测的传感器以及系统，以至少解决现有技术采用分立式的多个传感器实现对铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹及内部损伤检测造成系统复杂程度高、工作效率低的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种多模式电磁超声与漏磁检测的传感器，包括：U型磁轭，用于磁化待测对象的材料，并在待测对象的内部产生磁场信号；漏磁接收组件，位于U型磁轭的中部位置，用于检测待测对象的外部是否存在磁场信号；第一电磁超声线圈，位于U型磁轭的N极下方，与U型磁轭的N极下端结合使用，用于产生或接收如下任意一种或多种检测波：超声体波、超声导波和表面波；第二电磁超声线圈，位于U型磁轭的S极下方，与U型磁轭的S极下端结合使用，用于产生或接收如下任意一种或多种检测波：超声体波、超声导波和表面波。

根据本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种多模式电磁超声与漏磁检测的系统，包括：上述多模式电磁超声与漏磁检测的传感器；信号发生器，用于产生对第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈的激励信号；功率放大器，用于对激励信号进行放大。

在本实用新型实施例中，采用电磁超声波与漏磁一体式检测的方式，提供了一种由U型磁轭、漏磁接收组件、第一电磁超声线圈以及第二电磁超声线圈构成的一体式传感器，包括：U型磁轭，用于磁化待测对象的材料，并在待测对象的内部产生磁场信号；漏磁接收组件，位于U型磁轭的中部位置，用于检测待测对象的外部是否存在磁场信号；第一电磁超声线圈，位于U型磁轭的N极下方，与U型磁轭的N极下端结合使用，用于产生或接收如下任意一种或多种检测波：超声体波、超声导波和表面波；第二电磁超声线圈，位于U型磁轭的S极下方，与U型磁轭的S极下端结合使用，用于产生或接收如下任意一种或多种检测波：超声体波、超声导波和表面波，达到了简化检测系统复杂度，并且能快速检测铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹以及检测内部损伤的目的，进而解决了现有技术采用分立式的多个传感器实现对铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹及内部损伤检测造成系统复杂程度高、工作效率低的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的多模式电磁超声与漏磁检测的传感器示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种可选的电磁超声与漏磁一体式传感器的工作原理示意图；

图3是根据本实用新型实施例的一种优选的多模式电磁超声与漏磁一体式传感器尺寸设计示意图；

图4是根据本实用新型实施的一种优选的多模式电磁超声与漏磁一体式检测传感器示意图；以及

图5是根据本实用新型实施例的一种多模式电磁超声与漏磁检测的系统结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

201、待测对象；203、U型磁轭；205、磁敏元件(漏磁接收组件)；207、第一电磁超声线圈；209、第二电磁超声线圈；10、磁化区；20、横波；30、导波；40、表面波；60、涡流(涡流场)；1、体内缺陷；2、表层缺陷；11、信号发生器；12、功率放大器；13、双工器；14、电磁超声信号调理单元；15、漏磁信号调理单元；16、电磁超声导波信号调理单元；17、多通道信号采集器；18、上位机；05、U型磁轭；02、激励线圈；08、接收线圈；01、漏磁接收组件(磁敏元件)；06、漏磁接收组件安装座；03、滚轮；04、外壳；07、接线座。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

实施例1

图1是根据本实用新型实施例的多模式电磁超声与漏磁检测的传感器示意图，如图1所示，图标201所示为待测对象，该传感器包括：U型磁轭203，用于磁化待测对象的材料，并在待测对象的内部产生磁场信号；漏磁接收组件205，位于U型磁轭的中部位置，用于检测待测对象的外部是否存在漏磁场信号；第一电磁超声线圈207，位于U型磁轭的N极下方，与U型磁轭的N极下端结合使用，用于产生或接收如下任意一种或多种检测波：超声体波、超声导波和表面波；第二电磁超声线圈209，位于U型磁轭的S极下方，与U型磁轭的S极下端结合使用，用于产生或接收如下任意一种或多种检测波：超声体波、超声导波和表面波。

可选地，上述U型磁轭203可以为永磁体，也可以为电磁铁，用于产生漏磁检测的励磁磁场及电磁超声检测的偏置磁场；如果磁轭为永磁体，则该磁轭可以用于提供一个持续的磁场；如果磁轭为电磁铁(可以为缠绕有线圈的磁轭)，则需要采用通断直流电的方式来产生磁场。

需要说明的是，上述U型磁轭也可以替换为马蹄形磁轭，或者通过组装得到的呈U形的磁轭，只要可以实现U型磁轭功能的磁轭均属于本申请保护的范围。

一种可选的实施中，上述漏磁接收组件205可以为磁敏元件，可测量磁场大小和方向，用于采集漏磁检测信号。

本申请提供的多模式电磁超声与漏磁检测的一体式传感器，可以实现通过一个传感器同时实现漏磁检测与电磁超声检测，其中，电磁超声检测至少包括：超声体波测厚与直入射探伤检测、超声导波检测功能和表面波检测。

具体地，上述第一电磁超声线圈207或第二电磁超声线圈209中的任意一个线圈与U型磁轭组合，可构成电磁超声传感器。优选地，第一电磁超声线圈207和第二电磁超声线圈209呈环形线圈，分别位于U型磁轭的N极下方和S极下方，利用U型磁轭提供偏置磁场，当采用不同激励频率的激励信号输入至上述第一电磁超声线圈207或第二电磁超声线圈209后，第一电磁超声线圈207和/或第二电磁超声线圈209可用于产生和接收超声体波、表面波和超声导波。

作为一种可选的实施方式，由U型磁轭与磁敏元件可以构成用于进行漏磁检测的漏磁检测传感器，利用U型磁轭作为励磁装置，磁敏元件作为磁场探测器件，通过交流或永磁式U型磁轭将铁磁性材料磁化，如果材料表面或亚表面有缺陷存在，将会使材料中的磁感线发生畸变，在缺陷上方的材料表面处产生漏磁场，采用磁场探测器件检测此漏磁场，即可实现对铁磁性材料表面或来表面缺陷的检测。在储罐底板检测、管道内检测等方面有较大应用前景。

作为另一种可选的实施方式，由U型磁轭的N极或S极下端与电磁超声线圈可以构成用于进行电磁超声检测的电磁超声检测传感器，通过产生超声体波、表面波和超声导波进行无损检测，具有无需打磨材料表面、无需耦合剂、非接触检测等众多优点，特别适用于自动化超声检测装备。超声体波一般用于脉冲回波式测厚或探伤(是一种点检测式技术)，表面波一般用于检测结构表面缺陷，超声导波一般用于薄壁结构缺陷检测(是一种面检测技术)。目前已有搭载电磁超声直入射传感器进行脉冲回波测厚的机器人，常用于大型钢结构壁厚测和腐蚀检测。相较于压电超声检测机器人，电磁超声检测机器人无需配备打磨机构和喷水耦合机构，节省了机器机构部件、控制模块、空间、重量和线缆等，具有巨大优越性。

由上可知，在本实施例中，采用电磁超声波与漏磁一体式检测的方式，通过U型磁轭、漏磁接收组件、第一电磁超声线圈以及第二电磁超声线圈相组合，得到一种多模式电磁超声与漏磁检测的传感器，其中，U型磁轭，用于磁化待测对象的待测对象的材料，并在待测对象的内部产生磁场；漏磁接收组件，位于U型磁轭的中部位置，用于检测待测对象的外部是否存在磁场信号；第一电磁超声线圈，位于U型磁轭的N极下方，与U型磁轭的N极下端构成电磁超声传感器；第二电磁超声线圈，位于U型磁轭的S极下方，与U型磁轭的S极下端构成电磁超声传感器，达到了简化系统组成部分，并且能快速检测铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹以及检测内部损伤的目的，进而解决了现有技术采用分立式的多个传感器实现对铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹及内部损伤检测造成系统复杂程度高、工作效率低的技术问题。

需要说明的是，由于电磁超声与漏磁一体式检测传感器的独特的结构，上述传感器可以实现但不限于几种检测功能：漏磁检测功能、超声体波测厚与直入射探伤功能、超声导波检测功能和表面波检测功能。

下面结合图2来说明上述几种检测功能。图2是根据本实用新型实施例的一种可选的电磁超声与漏磁一体式传感器的工作原理示意图，如图2所示，图标201所示为待测对象(铁磁性被检构件)，图标203所示为U型磁轭，图标205所示为磁敏元件。

第一种检测功能，即，漏磁检测。基于图2所示的一体式传感器，利用U型磁轭203将待测对象(铁磁性被检构件)磁化后，在待测对象内部产生磁场信号，形成磁化区20，由图2可以看出，由U型磁轭203与待测对象(被检构件)201组成了一个闭合磁路，当被检构件表面或近表面存在缺陷(例如，图2中图标2所示的表层缺陷)时，磁路发生畸变，一部分磁感线进入空气，泄漏到被检构件的外部，形成漏磁场，从而被磁敏元件205探测到，通过对漏磁场信号进行分析，可以确定被检构件上是否存在缺陷。

第二种检测功能，超声体波测厚与直入射探伤检测功能。基于图2所示的一体式传感器，由磁轭(例如，U型磁轭)的N极或S极下的任意一端与其下方的线圈，可组成电磁超声传感器。具体地，以图2为例来说明超声波的激励过程：当线圈(第一电磁超声线圈207或第二电磁超声线圈209)中通以体波响应频率信号f1时，一般是中心频率为几兆赫兹的窄频带瞬态脉冲信号，铁磁性导体被检材料中感生出涡流60，由电磁感应的基本原理可知，此涡流场几乎可以认为是环形线圈的镜像，涡流方向与线圈中电流方向相反，在U型磁轭某一磁极(N极或者S极)提供的垂直磁场作用下，涡流场60受洛仑兹力作用，这些作用力使得线圈下方的质点产生跟线圈中电流同频率的机械振动。此外，线圈的导线还会产生动态变化的磁场，此动磁场使得每一份线元下方的铁磁性材料产生磁化力和磁致伸缩力，这些作用力也会使得线圈下方的质点产生跟线圈中电流同频率的机械振动。在上述三种作用力的共同作用下，铁磁性导波材料中耦合产生出垂直入射的横波20，此横波20可以用于对线圈正下方区域的测厚或直入射探伤。当超声体波遇到待测对象的底面后，产生反射波，反射波传播到材料表面时，引起处于磁场中的材料表面质点振动，产生向周围空间辐射的电磁波，并被线圈探测到。

第三种检测功能，超声导波检测功能。基于图2所示的一体式传感器，由处于磁轭(U型磁轭)的N极或S极某一极下方的环形线圈传感器(只需要一个作为激励即可)可以实现超声导波检测。由上述环形线圈电磁超声工作原理可知，每个线圈可在铁磁性材料表面环形镜象区域产生振动源。对于一定材料、一定厚度的结构，在低频(50kHz～500kHz)的某些频率段(工作频率)，可以激励产生较单一的S0模态导波，一种可选的实施例中，产生的导波可以如图2中30所示，可以用于检测待测对象整个厚度上的缺陷，如图2中图标b所示的体内缺陷。导波工作频率一般是窄频段，激励产生单一S0模态导波时，需采用窄频调制信号作为检测信号。由于环形线圈的对称性，此导波以环形线圈为中心，360°均匀辐射传播。导波能量在材料厚度方向上均有分布，因此可以检测到材料整个厚度上的缺陷，如图2中图标30所示为导波，图标1所示为体内缺陷。

第四种检测功能，表面波检测。基于图2所示的一体式传感器，置于由U型磁轭的N极或S极下的环形线圈，由上述的环形线圈电磁超声工作原理可知，每个线圈可在铁磁性材料表面环形镜象区域产生振动源。图3示出了一种传感器形状尺寸设计的示意图，如图3所示，图3中D为线圈最外侧的线圈直径。在一种可选的实施例中，第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈的尺寸满足如下公式：

a＝λ_R且

其中，λ_R为表面波波长，a为相邻线源距离，d为线圈最内侧的线圈直径，N为正整数，即相邻线源距离等于表面波的波长时，激励或接收波长为λ_R的表面波。一种可选的实施例中，形成的表面波如图4中图标40所示，可以用于检测待测对象的表面缺陷2。

在一种可选的实施例中，由环形线圈电磁超声工作原理可知每个线圈可铁磁性材料表面环形镜象区域产生振动源。在通过上式对表面波进行检测时，有以下两种检测模式：

模式一：一激一收检测模式，例如处于N极下方的线圈作为激发传感器，激励产生表面波，处于S极下方的线圈作为接收传感器，接收表面波(反之，N极下方的线圈作为接收，S极下方的传感器作为激励，道理是同样的)。当U型磁轭N极到S极中间的被检材料区域(即表面波检测区域)存在表层缺陷时，接收传感器收到表面波能量相对于无缺陷时的能量减小，即可判断出此区域中是否存在缺陷，通过能量减小的量可以评估缺陷的大小。

模式二：自激自收与一激一收模式，例如处于N极下方的线圈既作为激发传感器也作为接收传感器，处于S极下方的线圈作为接收传感器，接收表面波。此时如果表面波检测区域存在表层缺陷时，前向传播信号和反射播信号会被S极下方的线圈和N极下方的线圈接收到。通过透射系数和反射系数可以更准确地评估缺陷的大小。

需要说明的是，在上述各个实施例中，第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈具有等价性，即在独立工作模式下，如自激自收电磁超声测厚、导波检测、表面波检测时，可采用第一电磁超声线圈或第二电磁超声线圈作为换能器，也可两者均采用，这时要求仪器的电磁超声激励通道为双通道或具有分时激励功能；在一激一收协同工作模式下，如表面波检测、导波检测时，第一电磁超声线圈或第二电磁超声线圈中的任一个作为激励线圈，而另一个作为接收线圈。在下文的检测模式描述中，自激自收时按第一电磁超声线圈作为主体动作传感器；一激一收时，按第一电磁超声线圈作为激励作感器，第二电磁超声线圈作为激励传感器。其它情况，可按下列示例很容易类比出来。

可选的，漏磁接收组件为磁敏元件，优选地，该磁敏元件为霍尔芯片。

可选的，传感器还包括：漏磁接收组件安装座和外壳，其中，漏磁接收组件安装座用于安装漏磁接收组件，漏磁接收组件安装座与外壳间设置有弹簧，使漏磁接收组件安装座与外壳间产生一定的滑动。

在一种优选的实施例中，图4是根据本实用新型实施的一种优选的多模式电磁超声与漏磁检测的传感器示意图；如图4所示，该传感器包括：U型磁轭05、激励线圈02、接收线圈08、漏磁接收组件(磁敏元件)01、漏磁接收组件安装座06、弹簧示意图中未标出、滚轮03、外壳04、外壳上盖(示意图中未标出)、接线座07组成。U型磁轭05安装于外壳内部，激励线圈02和接收线圈08分别位于U型磁轭05两腿底面，漏磁接收组件01安装于漏磁接收组件安装座06上，漏磁接收组件安装座06安装于外壳04并位于U型磁轭05的中部位置，漏磁接收组件安装座06与外壳04间设置有弹簧，使漏磁接收组件安装座06可与外壳04间产生一定的滑动，使漏磁接收组件01可良好接触于被测部件，接线座07位于传感器一侧，激励线圈02、接收线圈08、漏磁接收组件01的所有接线都与接线座07连接，滚轮03位于传感器底部，其使传感器可在被检表面良好移动，外壳04上盖保持与外壳04相匹配，用于在安装完所有组件后密封传感器。

优选地，上述传感器中环形线圈的形状尺寸可以为：D＝18.2mm，d＝6.2mm，a＝0.4mm。U形磁轭05的外形尺寸55×40×20mm，在线圈处磁场强度约5000Gs，磁敏元件可以为霍尔芯片。

实施例2

根据本实用新型实施例，提供了一种多模式电磁超声与漏磁检测的系统实施例。

图5是根据本实用新型实施例的一种多模式电磁超声与漏磁检测的系统结构示意图，如图5所示，该系统包括实施例1中任意一种可选的或优选的多模式电磁超声与漏磁检测的传感器，以及信号发生器11和功率放大器12。其中，信号发生器用于产生对第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈的激励信号，功率放大器用于对激励信号进行放大。

其中，由信号发生器和功率放大器组成电磁超声激励源。电磁超声激励源频率带宽范围需包含超声导波及超声波检测频率，一般在10kHz～20MHz范围内。激励过程中能够控制产生有特定主频的窄频带信号，通过双工器后进入到一体式传感器中的第一电磁超声线圈中。

由上可知，在本实施例中，采用电磁超声波与漏磁一体式检测的方式，通过信号发生器和功率放大器组成一种多模式电磁超声与漏磁检测的系统，其中，信号发生器用于产生对第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈的激励信号，功率放大器用于对激励信号进行放大，达到了简化系统组成部分，并且能快速检测铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹以及检测内部损伤的目的，进而解决了现有技术采用分立式的多个传感器实现对铁磁性金属材料腐蚀、表面裂纹及内部损伤检测造成系统复杂程度高、工作效率低的技术问题。

可选的，如图5所示，上述系统还包括：双工器13，用于将放大后的激励信号输入第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈，并接收第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈探测到的回波信号。

在一种可选的实施例中，双工器允许大功率激励信号进入激励传感器，限制大功率激励信号进入电磁超声信号调理单元14，只允许小于某一电压的小信号(电磁超声接收信号)进入到电磁超声信号调理单元14。

可选的，如图5所示，上述系统还包括：多通道信号采集器17，用于接收第一电磁超声线圈207和第二电磁超声线圈209探测到的回波信号以及漏磁接收组件检测到的漏磁场信号。

在一种可选的实施例中，多通道信号采集器具有对电磁超声传感器、磁敏元件、电磁超声传感器接收信号，经电磁超声及导波信号调理单元、漏磁信号调理单元15、电磁超声导波信号调理单元16处理后，进行数模转换采样的功能。

可选的，如图5所示，上述系统还包括：上位机18，用于对多通道信号采集器上传的回波信号和/或磁场信号进行分析，并根据分析结果确定待测对象是否存在缺陷。

在一种可选的实施例中，上位机18用于对检测系统进行控制，主要有控制系统处于不同的工作模式下，控制输出特定的检测信号，记录检测信号并进行信号处理、显示与输出。

在一种可选的实施例中，电磁超声及导波信号调理单元具有对接收的电磁超声及电磁超声导波信号进行放大的功能，可包含模拟滤波功能。

漏磁信号调理单元15具有对接收的漏磁信号进行放大和滤波功能。

电磁超声导波信号调理单元16具有对接收的导波和表面波信号进行放大的功能，可包含模拟滤波功能。

需要说明的是，多目标无损检测中需要采用漏磁、超声体波、表面波和导波多种技术手段时，现有分立式传感器和系统造成如下主要问题：(1)漏磁检测、超声体波测厚及检测、表面波检测和超声导波检测采用的传感器及仪器系统往往是分立式的，或是几者的机械组合，造成传感器数量多或非常复杂，仪器系统多。(2)在执行检测时，分立式的传感器和系统，往往需要分步进行多次重复检测，造成程序步骤多，检测过程繁杂，检测时间耗时长。(3)在采用机器人检测的场合，多种检测传感器或需要多个机器人进行检测，即使采用机械复合式的传感器，仪器系统也难以合并，会造成机器人体积增大、负重增重等。特别是对于爬壁检测机器和管道内检测机器人(管道猪)，会造成极大影响，有时候集成到一个机器人上是不可能实现的。

而通过本实用新型上述各个实施例公开的技术方案，可以实现如下技术效果：(1)提供的多模式电磁超声与漏磁一体式传感器，能产生横波、表面波、超声导波(导波或SH导波)，避免了现有检测技术需采用多个传感器或是机械地把几种传感器组装在一起造成的重复检测或传感器复杂的缺点；(2)提供的多模式电磁超声与漏磁一体式传感器，体积基本不改变现有各漏磁检测系统中传感器的尺寸，可以很方便地用于种各种检测机器人，如储罐底板、壁板腐蚀检测机器人，管道内检测机器人(管道猪)等；(3)提供的检测仪器系统，采用同一仪器系统可同时实现超声波测厚及检测、超声导波检测、表面波检测和漏磁检测，避免了现有检测技术需采用多种仪器系统重复检测或者检测装置需搭载多套仪器系统的缺点；(4)提供的检测仪器，具有集成度高、体积小、重量轻的特点，可以方便地搭载到各种检测机器人系统中；(5)提供的多模式电磁超声与漏磁检测一体式传感器和仪器可同步实现超声波测厚及检测、超声导波检测、表面波检测和漏磁检测，从而实现对铁磁性金属材料设备腐蚀、表面裂纹及内部损伤的同步检测，检测损伤类型全面，检测效率高。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。