高灵敏度远场涡流传感器的研究

1、高灵敏度远场涡流传感器的研究1998年12月山东工业大学第28卷第5期journalofshandonguniversityoftechnologyvoi_28n5dec.1”998p高灵敏度远场涡流传感器的研究*一f刘德镇刘瑛魏垦再(山东i业大学材料科学与i程学院济南250061)tf1,ul摘要针对传统远场涡流传感器的信号幅值及信噪比太低难以检测的实际困堆,提出在传兢远场涡流传感器中增加远场信号耦合装置及近场信号屏蔽阻尼结构,提高远场信号幅值与信噪比的设计方案.通过实验研究得到了高灵敏度传感器的最佳组合结构.关键词传感器;结构设计墨苎场_涡流偻磐器,中围分类号tgll5.284.i,趋元损

2、径涮0前言远场涡流(rfec)技术是一种最新的管道无损检测技术,它采用内通过式传感器一次通过管子,便可以相同的灵敏度同时检出管道内外表面的凹坑,裂纹,管壁内部缺陷与腐蚀减薄,是一种高效实用且经济可靠的检测方法,特别适用于地下管线及密排管道的检测.远场涡流技术以其独特的检测方式和优点显示出了在管道检测中的优越性,成为管道无损检测工程重要的研究课题.远场涡流的研究具有重要的理论学术价值和工程意义,国内外的理论研究已证实了远场涡流的存在并逐渐阐明了其机理.然而实验与应用表明,远场涡流由于检测信号十分微弱以及噪声干扰给技术上的实现带来极大的困难,如何克服这种困难是目前工程应用研究的核心和关键.1远场涡

3、流传感器及远场涡流检测信号远场涡流检测传感器是远场涡流系统的核心与关键.过去的研究资料中,传蔷嚣一直沿用传统的一般远场涡流检测探头.这种结构的探头主要由两个与管子同轴的空心螺管线圈组成.激励线圈以低频交流电激励.检测线圈置于距激励线圈23倍管内径id处的远场区,如图l所示.两线圈之间的电磁耦合随距离的变化分为三个区域即近场区,过渡区和远场区.三个区域中检测信号幅值与相位陡两线圈间距离的变化规律,如图2所示.远场涡流效应为出现于远场区的特殊现象,常规涡流的直接电磁耦合概念已无法解释.理论的研究解释了远场涡流的机理:远场涡流效应是一种电磁场的扩散现象.在远收稿日期1998?o1?o4*本文获山东省

4、教委科研计划基金资助山东工业大学电子工程系第一怍者简介刘德镇,男,副教授,国家高级无掼检i剜人员.1942年生.1964年毕业于山东大学物理系.主要研究方向:材料的无损检测.焊接检验等.;山东工业大学1998正直援祸亡区垃渍匡远垣堡撤同】线圈接收线翻图1远场涡流探头示意图窘翟lb9旷两战蜜距禹idi菁一璺崎蔫停号幅值bf内簟崎搠值母钼:童图2检测线圈的信号特征曲线场区检测线圈检出的电磁场能量,主要是电磁场扩散,两次穿透管壁的间接耦合能量.电磁场在两次穿透管壁产生涡流的过程中,由于在空间的扩散以及与管壁材料的相互作用,远场区电磁场场强已变得十分微弱,在检测线圈中产生的感应电势信号即检测信号幅值也

5、十分微弱,这给远场信号的检出带来极大的困难.2高灵敏度远场涡流传感器的实验研究.2.1传统远场涡流传感器的远场特性趸其缺点研究之初,我们仍沿用传统远场涡流探头的结构模式设计制作了激勖,检测哉均为空心线圈的传感器,并在108mmx4ram的无齄钢管中测出了这种传感嚣的近场特性越境.实验条件:所用激励信号为频率,=40hz的低频正弦渡,其激励电压约为6v,激髓电巍约为2a.为避免边缘效应的影响,实验中保持传感器距管端80mm,所测得的激威和检测援圈均为空心线圈传感器的远场特性,如图3所示.由实测曲线可以看出=过渡点约在距激励线圈1.94id处,过渡区为1.8o2.24id,过渡区内信号幅值较小且不

6、稳定.从2.24id处进入远场区,远场区信号基本趋于稳定且幅值逐渐减小.远场区最大信号幅值约为49v.实验结果表明,传统空心线圈结构的传感器存在两大突出的缺点.其一是检测信号幅值太低,通常为几微伏到几十微伏的数量级,在电子技术充分发展的今天,信号再境函距离|idi图3激励和检测线圈均为空心线田的远场特性的分辨和处理仍很困难.其二是探头长度太长,难以在曲率稍大的管线中通过.检测信号第5期刘簿镇等;高灵敏度远场涡流传感器的研究的微弱给信号的检出和测量电路的设计带来了极大的困难.由于管壁材料化学成分和组织结构不均匀引起的导磁率和导电率的变化在传感器中带来不可避免的噪声信号,当远场涡流信号微弱到微伏级

7、时几乎与噪声信号处在同一数量级上.在电子电路设计中对弱信号往往在传感器中采用前置放大器,但对徽弱到几乎与噪声同数量级的远场涡流信号使用前置放大器已无意义.为实现远场涡流检测并为设计放大测量电路创造条件,就必须改进传统传感器的结构,提高检测信号幅值与噪声比,研究新型高灵敏度远场涡流检测传感器.2.2新型高灵敏度传感器的研究在分析远场涡流机理和信号传输路径的基础上,围绕提高检测信号幅值和信噪比及缩短传感器长度的关键,提出了在传统空心线圈传感器的基础上进行改进,增加远场信号电磁耦合增强装置及近场信号屏蔽阻尼结构的方案.并进行了大量的实验研究,以下为实验研究结果:2.2.1激励与检测线圈增加远场信号电

8、磁耦合装置在传感器中远场信号传输路径上,设计增加由高导磁材料制作成一定形状的远场信号耦合装置,可导引远场能量的定向传输,减少传输损耗,从而达到控制能量流扩散方向,增强间接耦合能量的目的.通过实验确定了远场信号耦合装置的参数并测出了增加远场信号耦合装置传感器的远场特性曲线如图4所示.由图中曲线可看出,过渡点在距激励线圈1.90id处,从2.04id再纯暖蛳距葛tidt图4增加远场信号耦台装置传感器的远场特性处进入远场区,远场区最大信号幅值为6.86mv.与传统结构的传感器相比远场区提前了0.20id,远场信号提高了6.86mv一0.049mv=6.81mv,远场信号得到了明显的提高.2.2.2激

9、励与检测线圈问增加近场信号屏蔽阻尼结构在传统空心线圈传感器中设计增加利用高导电与高导磁材料的不同排列组合制作的一定形状的近场信号屏蔽阻尼结构,从而达到抑制直接耦合能量,增强间接耦合能量,提前远场区的目的.经实验筛选得到最佳排列组合磁电组合屏蔽阻尼结构.以下图5给出了采用这种近场信号屏蔽阻尼装置后,传感器远场特性的实验结果.由曲线可看出过渡点在距激5i6线圈1.80id处,由1.90id处进入远场区,远场区最大信号幅值为51.4v,与传统探头相比,较远场区提前0.34id,远场信号幅值提高51.4v一49.0v一2.4v,可以看出增加屏蔽阻尼结构后较大的提前了远场区,但检测信号幅值提高较少.2.

10、2.3既增加远场信号电磁耦合装置又增加近场信号屏蔽阻尼结构的传感器为了获得具有最佳性能的传感器结构,将以上2.2.1与2.2.2的结果相结合.传感器山东工业大学1998芷中同时加入远场信号耦合装置与近场信号屏蔽阻尼结构,并测出这种结构传感器的远场特性,如图6所示.由图6曲线可知,过渡点在距激励线圈1.70id处,从1.80id处进入远场区,远场区最大信号幅值为7.85mv,与传统空心线圈传感器相比,远场区提前了0.24id一暑1.80id=0.44id,远场信号幅值提高了7?85mv一0?049mv7?80圈mv,远场区信号得到了明显的提高.分析比较实验结果可以得出这种既引入远场信号耦合装置又

11、增加近场信号屏蔽阻尼结构的传感器为最佳组合结构的高灵敏度传感器.高灵敏度传感器有效地抑制了直接二耦合能量在管内的传播,控制集中了两次穿透管壁的间接耦合能量的扩散传输方向,并减少了在传输路径上的损耗,从而大幅度地提高了3结论(1)在传感器中增加远场信号电磁耦合装置可以导i控制间接耦合能量的扩傲方向,减少传输路径上的损耗,较大幅度地提高远场信号幅值并可摄前远场区.(2)在传感器中引入近场信号屏蔽阻尼结构,可以屏蔽阻尼直接耦合能量的传播,较大幅度提前远场区,并可稍许提高远场信号幅值.(3)同时增加远场信号耦合装置与近场信号屏蔽阻尼结构的传感器为最佳组合结构的高灵敏度传感器.高灵敏度传感器不仅鳙短了探

12、头长度而且大幅度地提膏了远场涡流检测信号的幅值和信嗓比,为设计研制放大测量电路,实现远场涡流检测剖造了良好的条件.第5期刘蒋镇等高是敏度远场呙流传感器的研究427参考文件1刘薄镇+刘瑛,魏星等.远场呙流技术及国内外进展.山东工业大学+1998+28(2):1911942lordw.远场涡流效应的机理.南京航空学院,1990-10(增刊):1291343schmidttr.theremotefieldeddycurrentinspectiontechnique.materialsevaluation,1984-42(2)t2252304hoshikawah.characteristicsofre

13、motefieldeddycurrenttechnique.materialsevaluation,1989-47(1),9397studyonnewtyperfecsensorwithhighsensitivyliudezhenliuyingweixing(collegeofmater.sei.andeng.,shandonguniv.oftech.,jinan250061)abstractinordertoovercomethepracticaldifficultythatthesignalamplitudeandthesignalnoiseratioistoolowtobedetected,anewdesignhasbeenputforwardbyaddingremotefieldsignalcouplingdeviceandnearfieldsignalshielding-dampling8true-tureintraditio