一种铁磁材料早期损伤检测用高灵敏度电磁混频传感器
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电磁混频传感器，特别是基于微磁和混频检测技术的高灵敏度传感器，用于铁磁构件早期微损伤的检测，属于
无损检测领域。
背景技术
[0002] 混频技术是一种利用材料弱非线性效应反映其微损伤及性能变化的检测手段，现已广泛应用于声学检测、
光谱分析和
电子元器件探伤等领域。当铁磁材料处于两不同
频率交变电
磁场同步
叠加产生的混频磁场中时，周期性的低频磁场强度较大，可对被测材料进行饱和磁化；高频磁场强度较小，用于被测材料的局部可逆磁化。基于被测材料的非线性
迟滞特性，检测
信号在高频区域会衍生出多阶混频分量。此频段检测信号受实验系统的影响较小，检测信号具有较高的
信噪比。因此，衍生的混频分量可用作材料微损伤及性能变化的表征量。
[0003] 在利用电磁混频技术进行无损检测时，增强检测信号中电磁混频分量的强度是提高检测效率的关键。一般可从两个方面提高电磁混频分量的强度。一方面是优化电磁混频检测的激励参数实现混频磁化场的增强，从而提高检测信号中电磁混频分量强度。但该方法需要考虑被测试件的材料特性，当材料变化时，最佳电磁混频激励参数组合随之改变。另一方面可通过对电磁混频传感器的结构优化，来提高电磁混频检测传感器的
电磁场转换效率，增强电磁混频检测信号的强度。
[0004] 现阶段，电磁混频检测方法主要用于
流体中磁
纳米粒子浓度的检测。由于流体的传输通道为管状结构，传感器大多为嵌套在传输通道外的螺旋线圈结构。Tu L[Tu L,Feng Y,Klein T,et al.Measurement of Brownian Relaxation of Magnetic Nanoparticle by a Multi-Tone Mixing-Frequency Method[J].IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(11):3513-3516.]设计了双螺旋线圈电磁混频传感器，其中，外部线圈为激励线圈，内部线圈为检测线圈。并利用混频分量的频率漂移量反映了流体中
氧化铁磁纳米粒子的存在。Rabehi A[Rabehi A,Garlan B,Achtsnicht S,et al.Magnetic Detection Structure for Lab-on-Chip Applications Based on the Frequency Mixing Technique.[J].Sensors,2018,18(6):1-14.]基于理论公式分析了激励
电流、线圈
匝数、直径和长度对激励和检测线圈
电压信噪比及灵敏度的影响，在此
基础上，优化了两线圈的匝数和线径。针对双螺旋线圈型混频传感器，优化主要集中在线圈的线径和匝数上。此外，Teliban I[Teliban I,Thede C,Chemnitz S,et al.Magnetic moment investigation by frequency mixing techniques.[J].Review of Scientific Instruments,2009,80(11):
631-635.]设计了开环磁芯结构电磁混频传感器，该传感器的励磁线圈绕于磁芯上，检测线圈位于磁芯开环处，有效解决了平面结构的电磁混频检测问题。但上述研究工作尚未对该结构电磁混频传感器的优化展开讨论。
[0005] 开环磁芯结构的电磁混频传感器与传统巴克豪森噪声传感器的结构极为相似[Roy R K,Panda A K,Mitra A.An electromagnetic sensing device for microstructural phase determination of steels through non-destructive evaluation[C]//International Conference on Sensing Technology.IEEE,2013:226-229.]，均为U型磁芯励磁结构，激励线圈绕于磁芯上，检测线圈位于磁芯底部。国内外学者对巴克豪森噪声传感器的结构优化开展了大量研究，可为电磁混频传感器的优化设计提供一定的参考。Gaunkar N P[GaunkarN P,Kypris O,Nlebedim I C,et al.Optimization of sensor design for Barkhausen noise measurement using finite element analysis[J].Journal of Applied Physics,2014,115(17):3363-3366.]建立了巴克豪森噪声传感器与被测试件磁回路的等效
电路，研究了传感器U形磁芯结构对被测试件表面切向磁感应强度的影响，基于有限元模型，优化了磁芯的材料和磁极的尺寸。Nlebedim I[Gaunkar N P,Nlebedim I,Jiles D.Approach for Improving the Sensitivity of Barkhausen Noise Sensors with Applications to Magnetic Nondestructive Testing[J].Materials Evaluation,2015,73(10):1377-1383.]根据不同磁导率试件的巴克豪森噪声检测实验，研究了巴克豪森噪声传感器的检测灵敏度，通过分析传感器激励线圈与检测线圈间的互感效应，优化了传感器的线圈
位置。由此可知，传统混频检测传感器无法用于平面结构的检测，可用于平面结构检测的混频传感器尚无有效的优化设计。在此基础上，发展一种检测信号灵敏度高、信噪比高、受检测环境影响小的电磁混频传感器，对解决铁磁材料早期微损伤检测问题具有重要意义。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于设计一种高灵敏度电磁混频传感器，用于铁磁材料早期微损伤的检测。根据电磁混频信号的特征参数，提出传感器优化评价指标。利用三维有限元模型，从混频激励方式、磁芯结构尺寸和混频信号采集位置三个方面，对电磁混频传感器进行整体优化，即在混频磁化条件下，获得最大的混频信号强度和检测灵敏度。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种铁磁材料早期损伤检测用高灵敏度电磁混频传感器，其结构如图1所示，主要包括传感器磁芯3、激励线圈4、检测线圈5，其特征在于：激励线圈4绕置于磁芯3的顶部横梁位置，检测线圈5绕置于传感器磁芯3的磁极位置。
[0009] 所述的高灵敏度电磁混频传感器，其特征在于：传感器磁芯3为
硅钢材料，励磁线圈4与检测线圈5均为
铜材料。同时，传感器磁芯3与被测试件2之间无提离距离。被测试件2、传感器磁芯3、激励线圈4、检测线圈5均是在空气域1中。
[0010] 所述的高灵敏度电磁混频传感器，其结构的具体设计步骤如下：
[0011] 定义电磁混频传感器的结构设计参量，如图2所示，包括：混频励磁方式、磁芯结构尺寸和混频信号采集方式。对于磁芯结构尺寸的设计，包括磁芯材料、磁极高度、磁极间距和磁极形状的优化。
[0012] 定义混频检测信号中用于表征材料早期损伤的特征参数，当利用电磁混频检测方法进行无损检测时，考虑到
能量的损耗特性，检测信号中的一阶和频(f1+2f2)与差频(f1-2f2)分量作为特征参数。两混频分量的强度和一致性均会影响电磁混频检测信号的敏感程度。获取幅值较强且一致性较高的混频分量更有利于提高电磁混频检测方法的检测能
力。
根据统计学计数法，采用变异系数D1评价磁混频分量的强度。
[0013]
[0014] 式中，Aif1+2f2和Aif1-2f2分别为混频检测信号一阶和频与差频分量的幅值。N为单次仿真中的检测信号提取个数。变异系数D1作为一个偏小型指标，其值越小，混频分量的强度越高。对于两混频分量的一致性，利用相关系数D2进行评价。
[0015]
[0016] 式中， 和 分别表示一阶和频与差频分量幅值的平均值。M为仿真模拟次数。相关系数D2作为一个偏大型指标，其值越大，两一阶混频分量幅值的差异性越小。
[0017] 步骤一：选择混频励磁方式。混频激励方式分为两种，一种是在单激励线圈中通入高低频叠加的交变
电信号如图3所示，另一种是分别在两激励线圈中通入一个高频交变电信号和一个低频交变电信号，如图4所示。对比两种混频激励方式对电磁混频检测的影响，从而优选较优的混频励磁方式。
[0018] 步骤二：选择磁芯材料。常用作磁芯的材料如表1所示，具有较高磁导率、磁通
密度和较低损耗的导磁材料。磁芯结构在电
磁传感器中用于增强激励与检测线圈的
电磁感应强度，提高激励电压的磁场转换效率。为了设计激发较强混频效应的电磁混频传感器，基于仿真模型，研究磁芯材料对电磁混频分量的影响，利用检测信号混频分量幅值计算两个混频特征参数，用于分析磁芯材料对混频效应的影响。
[0019] 步骤三：优化磁极高度。磁极高度反映了磁芯顶部激励线圈距离被测试件的垂直距离。若磁极高度过小，励磁线圈周围的背景磁场会影响检测信号拾取，造成检测信号的信噪比较低；若磁极高度过大，励磁场从激励线圈到被测试件的路径较长，磁损耗增加，不利于电磁混频检测。根据电磁混频效应对磁极高度进行优选。考虑传感器的外形尺寸，磁极间距和磁极形状不变，磁极高度的优选区间在16mm-28mm的范围内。基于有限元模型，根据两混频特征参数随磁极高度变化的结果，优选磁极高度值。
[0020] 步骤四：优化磁极间距。与步骤三相似，磁极高度和磁极形状不变，将磁极间距的优化区间控制为30mm-42mm，基于有限元模型，根据两混频特征参数随磁极间距变化的结果，优选磁极间距值。
[0021] 步骤五：优化磁极形状。与步骤三相似，磁极高度和磁极间距不变，改变磁芯与被测试件
接触的位置处磁极的形状。此时，磁芯与被测试件接触截面积会发生变化，试件内的磁通量会随之改变。基于有限元仿真模型，构造了14种不同的磁极形状如图5所示。根据两混频特征参数随磁极间距形状变化的结果，优选磁极形状。
[0022] 步骤六：优化混频信号采集方式。在进行电磁混频检测时，被测试件上的磁化场强度在随时间变化的同时，也会因检测位置的差异而不同。在混频激励方式与磁芯结构
选定的条件下，优选混频信号检测线圈的位置。图6a和图6b给出了两种检测方式，一种是将检测线圈绕于磁极底部，另一种是绕于磁极下方的试件上。根据两种检测位置混频特征参数的对比结果，优选混频检测位置。
[0023] 本发明具有以下优点：1)通过检测和频与差频信号，电磁混频传感器可实现铁磁材料微裂纹等损伤的定量检测；2)在最优混频励磁方式、磁芯结构尺寸和混频信号采集方式的条件下，混频励磁增加了传感器对
缺陷早期微损伤的敏感程度，可材料硬度、疲劳等损伤的有效表征；3)传感器体积小，重量轻，检测信号稳定，信噪比高，可实现铁磁材料的早期损伤检测。
附图说明
[0024] 图1电磁混频检测三维有限元模型。
[0025] 图2电磁混频传感器优化设计参数。
[0026] 图3单励磁线圈高低频叠加励磁信号。
[0027] 图4a双线圈励磁低频励磁信号。
[0028] 图4b双线圈励磁高频励磁信号。
[0029] 图5不同磁极形状仿真模拟。
[0030] 图6a检测线圈环绕磁极底部。
[0031] 图6b检测线圈环绕传感器下方被测试件。
[0032] 图7a单线圈高低频叠加励磁磁化场强度仿真结果。
[0033] 图7b双线圈高低频同步励磁磁化场强度仿真结果。
[0034] 图8a单线圈高低频叠加励磁仿真检测信号。
[0035] 图8b双线圈高低频同步励磁仿真检测信号。
[0036] 图8c单线圈高低频叠加励磁仿真检测信号
频谱图。
[0037] 图8d双线圈高低频同步励磁仿真检测信号频谱图。
[0038] 图9两混频特征参数表示磁芯材料对混频效应的影响。
[0039] 图10两混频特征参数表示磁极高度对混频效应的影响。
[0040] 图11两混频特征参数表示磁极间距对混频效应的影响。
[0041] 图12两混频特征参数表示磁极形状对混频效应的影响。
[0042] 图13a仿真中试件表面线圈检测信号混频分量。
[0043] 图13b仿真中磁极线圈检测信号混频分量。
[0044] 图14优化前后电磁混频传感器硬度检测实验结果。
[0045] 图中：1空气域、2被测试件、3传感器磁芯、4传感器励磁线圈、5传感器检测线圈。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图1～附图14对一种高灵敏度电磁混频传感器的设计做进一步说明。
[0047] 基于电磁混频检测原理，设计了一款高灵敏度电磁混频传感器，用该传感器对铁磁设备的早期微损伤进行检测识别。
[0048] 一种高灵敏度电磁混频传感器，其结构如图1所示，主要包括传感器磁芯3、激励线圈4、检测线圈5，其特征在于：激励线圈4绕置于传感器磁芯3的顶部横梁位置，检测线圈5绕置于传感器磁芯3的两磁极位置。
[0049] 所述的高灵敏度电磁混频传感器，其特征在于：传感器磁芯3为硅钢材料，励磁线圈与检测线圈为铜材料。同时，传感器磁芯3与被测试件2间无提离距离，表2具体给出了电磁混频传感器的COMSOL三维有限元模型参数。
[0050] 所述的高灵敏度电磁混频传感器，其结构的具体设计步骤如下：
[0051] 步骤一：优选混频励磁方式。通常混频激励方式可分为两种，一种是在单激励线圈中通入高低频叠加的交变电信号如图3所示，其高频频率为200Hz，低频频率为5Hz，高频幅值为1V，低频幅值为5V。另一种是将激励线圈拆分成两个等长度，等匝数的激励线圈，分别在两激励线圈上通入一个高频信号(200Hz，1V)和一个低频信号(5Hz，5V)励磁，两信号同步励磁如图4所示。对比两种混频激励方式对电磁混频检测的影响，试件中瞬时磁化场强度的仿真结果如图7所示。被测试件表面两磁极间的检测信号如图8所示。由当前仿真结果可知，单线圈高低频叠加励磁时，被测试件被均匀磁化且磁化场强度较大，且在高频分量附近出现了一阶和频与差频混频分量；双线圈高地平同步励磁时，两磁极间磁化场不均匀，磁化强度较小，且检测信号中只存在高频和低频基频分量，无混频分量出现。因此，单线圈高低频叠加激励有利于混频效应的产生，电磁混频检测应采用单线圈高低频叠加的混频激励方式。
[0052] 步骤二：优化磁芯材料。常用作磁芯的材料如表1所示，为了设计可激发较强混频效应的电磁混频传感器，基于仿真模型，研究磁芯材料对电磁混频分量的影响，利用检测信号混频分量幅值计算两个混频特征参数，如图9所示。当磁芯材料为镍锌铁氧体和硅钢时，两系数的值基本一致，D1的值最小，D2的值最大，即此时检测信号中混频分量的强度最大，一致性最佳。因此，镍锌铁氧体和硅钢更适宜用作电磁混频传感器的磁芯材料。此外，考虑磁芯加工的工艺，铁氧体为粉末
烧结成型，不便于二次切割加工，因此最佳磁芯材料选为硅钢。
[0053] 步骤三：优化磁极高度。根据电磁混频效应对磁极高度进行优选。考虑传感器的外形尺寸，磁极间距为30mm、磁极形状为矩形不变，磁极高度的优选区间在16mm-28mm的范围内。基于有限元模型，两混频特征参数随磁极高度变化的结果如图10所示。在磁极高度较大(＞26mm)和较小(＜20mm)的区域，两参数均平稳变化，即增大或减小的幅度较小；在20mm-26mm间，两参数出现阶跃式变化。由此可知，在一定区间内，磁极高度对混频分量强度和一致性的影响较小。根据两电磁混频特征参数的优选原则，16mm-20mm可用作电磁混频传感器磁极高度的设计值。
[0054] 步骤四：优化磁极间距。与步骤三相似，磁极高度为18mm，磁极形状为矩形不变，将磁极间距的优化区间控制为30mm-42mm，基于有限元模型，两混频特征参数随磁极间距变化的结果如图11所示。变异系数D1随磁极间距逐渐增大，而相关系数D2随磁极间距的变化无明显规律性。由此可知，磁极间距对混频分量强度的影响较为明显，对和频与差频一致性的影响无明显规律。因此，根据两参数的优选结果，32mm为电磁混频传感器磁极间距值的最佳设计参数。
[0055] 步骤五：优化磁极形状。与步骤三相似，磁极高度为18mm、磁极间距为32mm不变，改变磁芯与被测试件接触的位置处磁极的形状。此时，磁芯与被测试件接触截面积会发生变化，试件内的磁通量会随之改变。基于有限元仿真模型，构造了14中不同的磁极形状如图5所示。两混频特征参数随磁极间距形状变化的结果如图12所示。磁极的形状与截面积均会影响电磁混频效应，且当磁极的截面积相同时，由于形状不同，检测信号的混频效应不同。根据当前的两参数评估结果可知，当磁极形状为8号矩形时，电磁混频分量的强度最大，和频与差频分量的差异性最小。因此矩形磁极为电磁混频传感器设计的最佳磁极形状。
[0056] 步骤六：优化混频信号采集方式。在进行电磁混频检测时，被测试件上的磁化场强度在随时间变化的同时，也会因检测位置的差异而不同。在混频激励方式与磁芯结构选定的条件下，优选混频信号检测线圈的位置。图6a和图6b给出了两种检测方式，一种是将检测线圈绕于磁极底部，另一种是绕于磁极下方的试件上。两位置的混频检测信号如图13所示，表3给出了两种检测位置混频特征参数的对比结果。由结果可知，磁极底部线圈拾取的检测信号混频效应明显高于试件上线圈的检测结果，混频分量幅值较大。磁极处检测信号混频分量的变异系数值较小，相关系数值较大。因此，电磁混频传感器的混频信号采集选用绕置于两磁极底部的检测线圈。
[0057] 搭建电磁混频检测系统，包括计算机、激励采集板卡、功率
放大器和电磁混频传感器。检测8个尺寸相同(220mm×60mm×3mm)，表面硬度不同的Cr12MoV钢板，试件经1030℃的高温淬火处理后，在180℃-850℃
温度范围内分别对其进行不同温度的回火处理，回火温度及试件表面维氏硬度检测结果如表4所示。检测结果如图14所示。优化前后传感器检测结果的变化趋势一致，但优化前传感器的检测曲线在材料硬度小于500HV时震荡变化，无法实现该区域材料硬度的表征。相比之下，优化后传感器的检测曲线在200-800HV硬度范围内均呈现单调递减的趋势，且优化后检测信号特征参数随材料硬度的变化范围更大，即检测灵敏度更高。由此可知，优化后的电磁混频传感器更有利于检测。
[0058] 表1
[0059]
[0060] 表2
[0061]
[0062]
[0063] 表3
[0064]
[0065] 表4
[0066]
[0067] 以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不局限于此。
