多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的制作方法

本发明属于远场涡流无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器。

背景技术：

无损检测是指不损害被测工件的内部结构为前提，利用一些物理、化学方法来对工件进行检测，进而评估其性能。涡流检测是无损检测中最常见的一种检测方法，因其无需接触、无需耦合剂、成本低等优点一直受到国内外学者的青睐。远场涡流技术是涡流技术的一类，最先发现于管道的检测中，是指在距离激励线圈2～3倍管道内径处会产生远场涡流现象，通常激励线圈产生的能量分为两部分，一部分是直接耦合能量，沿着管道轴向传播；另一部分是间接耦合能量，沿着管道径向即管道壁传播。直接耦合能量由于管道的屏蔽作用呈指数性的衰减，而间接耦合能量穿过管道壁后在空气中传播，比管道内的传播速度更快，且衰减很少，所以在距离管道2～3倍内径处，间接耦合能量又再次穿透管壁，在返回到管道内的过程中携带了管壁的信息，在此位置直接耦合能量经衰减后远小于间接耦合能量，所以在该位置处放置检测线圈可以检测远场信号。

正是基于上述理论，利用多层电磁屏蔽技术，将管道的远场涡流检测技术推广到平板之中，在线圈上方利用电磁屏蔽的原理，使得向板上传播的能量远小于向板下传播的能量，将板上的能量利用电磁屏蔽装置给束缚在一定空间之中，板下的能量由于传播的过程中的二次穿透返回到板上并携带板壁的信息，这样，在电磁屏蔽的作用下，板上的间接耦合能量大于直接耦合的能量。在板上利用检测线圈就可以实现远场信号的检测。

脉冲远场涡流是指激励是具有一定脉宽的脉冲信号的远场涡流检测技术，对于平板远场涡流而言，经研究表明只有在特定的频率范围内和屏蔽层的合理搭配下才会产生远场现象，而脉冲信号由于丰富的频谱则可以避免寻找合适的单频正弦信号以产生远场现象的苦恼。现有的在平板上产生远场现象的主要方法是利用u型结构，即模拟管道远场涡流模型，将一u型构件倒扣在板上，其特点是u型结构的材料会随着检测材料的改变而变化。而且u型结构装置不利于移动，此外，现有的利用磁屏蔽在平板上产生远场涡流信号的装置通常是激励线圈与检测线圈分开，没有集成在一起，这样增加了检测的困难程度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器，使用三层电磁屏蔽装置，在铁磁性平板中产生远场涡流现象，使得检测深度更深，实现亚表面缺陷的检测。

为实现上述发明目的，本发明基于多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器包括激励线圈、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第三屏蔽层和检测线圈，5个部件的中轴线均相同，其中：

激励线圈为空心圆柱型结构，设置有两根引线作为外部激励信号的接口，记其内径为d11，外径为d12，高度为h1；

第一屏蔽层由高磁导率材料制成，为空心圆柱型结构，顶部设置有完全覆盖圆柱顶面的圆柱屏蔽盖，第一屏蔽层的内径为d21且d21＝d12，外径为d22，内高为h21，外高为h22；

第二屏蔽层由高电导率材料制成，为空心圆柱型结构，顶部设置有完全覆盖圆柱顶面的圆柱屏蔽盖，第二屏蔽层的内径为d31，外径为d32，内高为h31，外高为h32，其中d31＞d22，h31＞h22；第二屏蔽层和第一屏蔽层采用绝缘粘合剂进行粘合固定；

第三屏蔽层由高磁导率材料制成，为空心圆柱型结构，顶部设置有完全覆盖圆柱顶面的圆柱屏蔽盖，第三屏蔽层的内径为d41，外径为d42，内高为h41，外高为h42，其中d41＞d32，h41＞h32；第三屏蔽层和第二屏蔽层采用绝缘粘合剂进行粘合固定，

检测线圈为空心圆柱型结构，由导线绕制在第三屏蔽层上而成，设置有两根引线作为后续的信号处理模块接口。

本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器，在激励线圈和检测线圈之间使用三层分别由高磁导率和高电导率的材料所制成的屏蔽层作为直接耦合能量的隔离装置，使得直接耦合能量被束缚在屏蔽层内，屏蔽层外间接耦合能量占主要部分，通过检测线圈即可检测到远场信号。

本发明具有以下有益效果：

(1)、使用具有高磁导率、高电导率的屏蔽层不仅可以有效增加屏蔽效果，而且可以提高远场信号的强度，使得检测深度更深，实现亚表面缺陷的检测；

(2)将激励线圈、屏蔽装置、拾取线圈固定在一起，可以灵活移动，提高检测效率。

附图说明

图1是本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的具体实施方式结构的主视图；

图2是本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的具体实施方式结构的仰视图；

图3是本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的工作示意图；

图4是本实施例中多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的实物图；

图5是单独激励线圈传感器的坡印廷矢量分布图；

图6是本发明传感器的坡印廷矢量分布图；

图7是本发明传感器的典型输入输出响应图；

图8是本发明传感器用于铁磁性平板亚表面缺陷检测时的差分信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的具体实施方式结构的主视图。图2是本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的具体实施方式结构的仰视图。如图1所示，本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器包括激励线圈1，第一屏蔽层2，第二屏蔽层3，第三屏蔽层4和检测线圈5，5个部件的中轴线均相同，下面分别对每个组成部分进行详细说明。

激励线圈1为空心圆柱型结构，设置有两根引线作为外部激励信号的接口，记其内径为d11，外径为d12，高度为h1。经研究发现，当外部激励信号为脉冲信号时，可以有效地减少能量功耗，且脉冲信号具有频谱丰富的优点，可以弥补需要寻找合适的单频激励以达到远场涡流检测的不足，因此在实际应用中优选设置外部激励信号为脉冲信号。

第一屏蔽层2由高磁导率材料制成，为空心圆柱型结构，顶部设置有完全覆盖圆柱顶面的圆柱屏蔽盖，第一屏蔽层2的内径为d21且d21＝d12，外径为d22，内高为h21，外高为h22。作为第一层屏蔽结构，第一屏蔽层1所采用的高磁导率材料能够将激励线圈产生的磁场约束在其附近。

第二屏蔽层3由高电导率材料制成，为空心圆柱型结构，顶部设置有完全覆盖圆柱顶面的圆柱屏蔽盖，第二屏蔽层3的内径为d31，外径为d32，内高为h31，外高为h32，其中d31＞d22，h31＞h22。第二屏蔽层3和第一屏蔽层2采用绝缘粘合剂进行粘合固定，粘合位置可以根据实际操作的方便进行选择，其余空隙可以采用绝缘材料进行填充。作为第二层屏蔽结构，第二屏蔽层3所采用的高电导率材料由于涡流效应会消耗屏蔽层里面的能量。

可见，在第二屏蔽层3和第一屏蔽层2之间存在一定的空隙，该空隙的大小直接决定了远场涡流信号的产生，经研究发现，水平间隙大于等于2mm时效果较好，即半径需要相差2mm，也就是d31-d22≥4mm，垂直间距可以根据实际需要来确定。

第三屏蔽层4由高磁导率材料制成，为空心圆柱型结构，顶部设置有完全覆盖圆柱顶面的圆柱屏蔽盖，第三屏蔽层4的内径为d41，外径为d42，内高为h41，外高为h42，其中d41＞d32，h41＞h32，即第三屏蔽层4和第二层屏蔽层3之间存在空隙。同样地，第三屏蔽层4和第二屏蔽层3采用绝缘粘合剂进行粘合固定，作为第三层屏蔽结构，第三屏蔽层4辅助第二层屏蔽层3以及第一层屏蔽层2达到较好的屏蔽效果，即更大地抑制直接耦合能量即板上的能量。

检测线圈5为空心圆柱型结构，由导线绕制在第三屏蔽层4上而成，设置有两根引线作为后续的信号处理模块接口。

图3是本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的工作示意图。如图3所示，本发明多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的工作过程如下：将激励线圈1的接线端与作为激励信号源的信号发生器连接，同时将检测线圈5的接线端与信号处理模块连接，再将多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器置于被测铁磁性平板上。信号发生器产生一定占空比的脉冲信号并进行放大，然后驱动激励线圈1，激励线圈1产生两部分能量，一部分铁磁性平板上的能量(即直接耦合能量)被三层屏蔽装置束缚在屏蔽结构内，另一部分向铁磁性平板下传播的能量，又二次穿过铁磁性平板返回到表面，此时，该间接能量携带了与板壁的相关信息，则通过检测线圈可以达到亚表面缺陷的检测。

实施例

为了更好地说明本发明的技术效果，采用不存在屏蔽结构的单独激励线圈传感器和本发明存在三层屏蔽结构的多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器进行对比。图4是本实施例中多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器的实物图。如图4所示，本实施例中多层电磁屏蔽脉冲远场涡流检测传感器各个部件的参数如下：

激励线圈1采用由铜制漆包线绕制而成，线规30，匝数400匝，内径d11＝12mm，外径d12＝16mm，高度h1＝10mm。不存在屏蔽结构的单独激励线圈传感器与激励线圈1的参数相同。

第一屏蔽层2采用铁材料制成，内径d21＝16mm，外径d22＝24mm，内高为h21＝10mm，外高h22＝12mm。

第二屏蔽层3采用铝材料制成，内径d31＝28mm，外径d32＝36mm，内高为h31＝13mm，外高h32＝15mm。

第三屏蔽层4采用铁材料制成，内径d41＝40mm，外径d42＝48mm，内高为h41＝18mm，外高h42＝20mm。

检测线圈5由铜制漆包线绕制在第三屏蔽层4上，内径为48mm，外径50mm，匝数在1000～1400匝之间，线规(awg)34，高度10mm。

本次实验对比中激励信号采用周期为0.2s,脉宽为10ms的脉冲信号，屏蔽材料为铁和铝。图5是单独激励线圈传感器的坡印廷矢量分布图。图6是本发明传感器的坡印廷矢量分布图。图5和图6中的能量流动箭头反映了能量的传播情况。对比图5和图6可以发现，在不存在屏蔽结构的情况下，直接耦合能量占据主要部分，几乎整个铁磁性平板上都是直接耦合的能量，这样能量没有二次穿透，达不到检测亚表面缺陷的效果；当有屏蔽结构时，可以看出间接耦合能量二次穿过了平板并返回到表面，在表面上，间接耦合能量占主要的部分，根据它在返回途中携带的信息可以检测出亚表面的缺陷。

图7是本发明传感器的典型输入输出响应图。如图7所示，本发明与常规脉冲涡流响应不同，常规脉冲涡流响应是发生在激励的上升沿与下降沿的之间，中间有间隔时间，然而本发明传感器作为远场涡流传感器，由于间接能量的传输延迟，所以整个响应的时间比较长，且无间隔时间，根据该远场信号可以实现亚表面缺陷的检测。

图8是本发明传感器用于铁磁性平板亚表面缺陷检测时的差分信号图。图8中所检测的铁磁性平板的厚度为10mm，h表示缺陷在铁磁性平板表面下的深度。从图8可以看出位于表面以下8mm的缺陷可以检出，针对不同深度的缺陷有很好的线性响应。脉冲丰富的频谱信息在时域上表现为峰值时间，过零时间等特征点都可以作为缺陷识别的特征。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。