一种基于磁电复合效应和磁记忆效应的多通道铁磁材料无损检测传感器及方法与流程

本发明属于检测设备领域，具体涉及一种材料无损检测传感器及方法。

背景技术：

磁电效应是指材料在外加磁场作用下产生电极化或者材料在外加电场作用下产生磁化的现象。磁电复合材料是在常温下就具有较强的磁电效应，将铁电材料与铁磁材料经各种方法复合形成的一种多铁性材料，在换能器、磁传感器、存储器等领域具有潜在应用^[1-3]。当施加固定频率和幅值的激励磁场时，磁电复合材料外磁电响应会随着被测直流磁场的变化而变化，从而可以测得直流磁场。当前，利用非晶合金/pzt纤维阵列叠层复合材料，可获得对直流磁场大小10^-9t的灵敏度^[1]。

金属磁记忆效应是指铁磁性工件在弱磁场和载荷作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关；当工件表面或近表面存在裂纹等缺陷时，该部位表面会形成“漏磁场”，大小一般在10^-3-10^-6之间，并在该部位漏磁场的切向分量hp(x)具有最大值，而法向分量hp(y)改变符号并具有零值点^[4-5]。因此，可通过对漏磁场法向分量hy的测定，准确检测工件的缺陷。

参考文献：

[1]c.w.nan,etal.multiferroicmagnetoelectriccomposites:historicalperspective,status,andfuturedirections,j.appl.phys.,103(2008)031101.

[2]n.cai,c.etal.largehigh-frequencyagnetoelectricresponseinlaminatedcompositesofpiezoelectricceramics,are-earthironalloysandpolymer.appl.phys.lett.,2004,84:3516.

[3]z.shi,etal.afour-statememorycellbasedonmagnetoelectriccomposites.chinesesciencebulletin,2008,53(14):2135-8.

[4]杜波夫乌斯托夫斯基，金属磁记忆方法的物理原理，2000年第二届国际“金属磁记忆设备结构诊断”科技会议报告。

[5]朱有利等，铁磁性材料表面和次表面缺陷在弱磁场中漏磁信号的有限元分析及磁记忆检测，2006年全国无损检测学会电磁(涡流)专业委员会年会论文。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于磁电复合效应和磁记忆效应的多通道铁磁材料无损检测传感器。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于磁电复合效应和磁记忆效应的多通道铁磁材料无损检测传感器，包含若干个在平面上呈矩形阵列形式排布的磁电检测元件，每个磁电检测元件的主体为条形的磁电复合材料，磁电复合材料连接压电信号输出导线且外部缠绕有微扰线圈；且各磁电检测元件的微扰线圈均与函数信号发生器相连，压电信号输出导线均与锁相放大器相连，锁相放大器连接信号处理装置。

作为优选，所述的信号处理装置连接有显示装置。

作为优选，所述的磁电复合材料为层状磁电复合材料，由磁致伸缩材料和压电材料复合而成；其中压电材料顶端突出，且突出端设有固化材料封装模块，压电信号输出导线穿过固化材料封装模块后与压电材料的两个电极相连；

作为优选，所述的传感器整体设置于外壳中，各磁电检测元件的顶部呈矩形阵列形式固定在外壳的内顶面上，外壳底部利用固化材料密封，且各磁电检测元件的底面高于固化材料顶面。

进一步的，所述的固化材料均可以采用但不限于采用环氧树脂。

作为优选，所述的磁电检测元件呈m×n的矩形阵列，m和n大于等于2。

作为优选，所述磁电检测元件形成的矩形阵列中，相邻磁电检测元件的间距相同。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述传感器的多通道铁磁材料无损检测方法，其步骤如下：

步骤一：利用函数信号发生器输出与磁电检测元件中的磁电复合材料谐振频率一致的交流正弦电压信号，并将交流正弦电压信号传输到各磁电检测元件上的微扰线圈；

步骤二：将加载有交流正弦电压信号的传感器放到被检测铁磁工件表面，保持各磁电检测元件的底面与被检测铁磁工件表面等距，通过锁相放大器测量各磁电检测元件中压电层产生的电压信号；

步骤三：对测量得到多个电压信号进行分析，若某一个磁电检测元件对应的电压信号值相对于其周边的其他磁电检测元件对应的电压信号值具有突变，则判断该磁电检测元件当前所处位置下方的被检测铁磁工件表面存在缺陷。

作为优选，所述的步骤三中，测量得到多个电压信号需先在磁电检测元件阵列区域内进行拟合分析，得到区域内任意一点的电压信号值；然后用根据电压信号值大小进行颜色渲染，并实时显示在显示装置上，用于直观判断缺陷的位置和大小。

进一步的，所述拟合分析的具体做法为：以与被检测铁磁工件表面或者与其平行的任一平面为xy平面，建立三维坐标系，以各磁电检测元件对应的电压信号值为z轴坐标值，进行非线性曲面拟合，获得磁电检测元件阵列区域内任一点的电压信号值。

相较于一般磁粉检测技术和交流磁电传感器，本发明的优点是：

1.被检工件无需磁化，简化了检测工序，传感器体积小，可直观得到缺陷的位置和大小；

2.利用层状磁电复合材料可直接检测被检工件存在缺陷时材料表面的微弱漏磁场，直观得到缺陷的位置和大小。

附图说明

图1为本发明(以3×3为例)的结构示意图；

图2为图1中磁电检测元件的结构示意图；

图3为本发明检测状态图。

图中：传感器外壳1、磁电检测元件2、底部封装3、函数信号发生器4、微扰线圈5、磁电复合材料6、锁相放大器7、压电信号输出导线8、固化材料封装模块9、被检测铁磁工件10、信号处理装置11、显示装置12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

参见图1，本发明的基于磁电复合效应和磁记忆效应的多通道铁磁材料无损检测传感器，在传感器外壳1的内部包含有多个磁电检测元件2，从俯视角度看，所有磁电检测元件2在平面上呈m×n的矩形阵列形式排布，m和n大于等于2，m可以等于n。图1中示出的是3×3的等间距矩阵阵列，当然其具体的m和n取值可以根据传感器的实际情况确定。传感器外壳1的底部开口通过顶面平整的固化材料进行密封，形成底部封装3，固化材料可以是环氧树脂，但不仅限于此。各磁电检测元件2的顶部均粘结固定在外壳的内顶面上，而各磁电检测元件2的底面高度一致，且均高于固化材料顶面，两者之间具有一定间隙。

每个磁电检测元件2的具体结构参见图2，其主体为条形的磁电复合材料6。在本实施例中，磁电复合材料6为层状磁电复合材料6，由磁致伸缩材料和压电材料复合而成。其中，位于中间的压电材料顶端相对于两侧的磁致伸缩材料突出，且突出端上方通过固化材料进行封装，形成固化材料封装模块9。固化材料封装模块9的侧面与磁电复合材料6平齐，顶端高于压电材料层顶端，起固定导线和支撑磁电复合材料6作用。固化材料封装模块9顶部通过粘结固定于外壳的内顶部，外壳在粘结处开孔，压电信号输出导线8穿过外壳开孔及固化材料封装模块9后与压电材料的两个电极相连，能够将压电层的压电信号输出。根据金属磁记忆技术，具有裂纹、气孔等缺陷的铁磁性材料表面存在磁场，磁电检测元件在有缺陷的被测金属表面，可以测得磁场信号，从而检测出工件近表面缺陷。磁电复合材料6的外部缠绕有微扰线圈5。各磁电检测元件2的微扰线圈5均与函数信号发生器4相连，函数信号发生器4产生与磁电复合材料6谐振频率一致的交流驱动电流。各磁电检测元件2的压电信号输出导线8均与锁相放大器7相连，压电信号由锁相放大器7测得。锁相放大器7连接信号处理装置11，对数据进行接收、存储。信号处理装置11可以是任何能够实现该功能的装置，例如单片机、plc、计算机等等。当信号处理装置11具有数据处理功能时，可直接对信号数据进行处理，处理后的信号数据可以直接通过与信号处理装置11相连的显示装置12进行实时展示。当然，在部分实施例中也可以直接获取信号处理装置存储的数据，然后进行人工分析，确定信号的突变情况。

但在一较佳实施例中，采用磁电复合材料6作为铁磁材料工件缺陷处漏磁场感应元件，采用电磁线圈作为微扰线圈5提供交流驱动电流，采用复合材料压电层两个电极为输出信号，采用锁相放大器7采集信号，采用带有数据拟合处理功能的信号处理装置11对信号进行非线性曲面拟合，而拟合后的数据则实时显示在显示装置12上，具体结构参见图3。

下面详细描述基于图3所示的传感器进行多通道铁磁材料无损检测的方法步骤，具体如下：

步骤一：利用函数信号发生器4输出与磁电检测元件2中的磁电复合材料6谐振频率一致的交流正弦电压信号，并将交流正弦电压信号传输到各磁电检测元件2上的微扰线圈5，在微扰线圈5中形成与交流驱动电流；

步骤二：将加载有交流正弦电压信号的传感器底部放到被检测铁磁工件10表面上并紧密贴合，保持各磁电检测元件2的底面与被检测铁磁工件10表面等距，此时感器在谐振频率下进行检测，通过锁相放大器7测量各磁电检测元件2中压电材料层产生的电压信号；

步骤三：将测量得到多个电压信号在信号处理装置11中进行拟合分析，具体拟合方法为：以传感器最角上的一个磁电检测元件2的顶角为原点建立三维坐标系，以磁电检测元件2阵列顶部平面为坐标系xy平面，以采集到的电压信号为z轴，对一系列(xm、yn、zmn)数据进行非线性曲面拟合，(xm、yn)为某一磁电检测元件2的x轴、y轴坐标，zmn为该磁电检测元件2的电压信号值。经过非线性曲面拟合，即可得到传感器的磁电检测元件2阵列区域内任意一点的电压信号值。然后用根据电压信号值大小进行颜色渲染，用不同颜色和颜色深浅表示信号大小，形成色带，并展示在平面显示装置12上。若渲染出的色带上某一处具有突变，则表明某一个磁电检测元件2对应的电压信号值相对于其周边的其他磁电检测元件2对应的电压信号值明显偏离，则判断该磁电检测元件2当前所处位置下方的被检测铁磁工件10表面或近表面存在缺陷。若色带均匀连续，则不存在缺陷。在本实施例中，如图3所示显示装置12，在某部位发现显示装置12颜色突变(即检测到信号电压)，则在被检测铁磁工件10该部位存在缺陷，这与实际情况相符。如该工件无缺陷，则不会出现颜色变化(即检测不到信号电压)。由此，本发明可以通过检测铁磁材料工件缺陷处微弱漏磁场来直观探测工件是否存在裂纹等缺陷以及缺陷的位置和大小。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。