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    • 专利摘要:
    本申请公开了一种塑性变形检测传感器及塑性变形检测方法，其中，塑性变形检测传感器包括壳体、激励线圈和感应线圈，激励线圈设置在壳体内，激励线圈能够被施加高频交变电流或低频交变电流，感应线圈也设置在壳体内并位于激励线圈的一侧。本申请能够对含铁磁材料制得的工件和不含铁磁材料制得的工件的塑形变形情况进行检测，通过对激励线圈分别施加低频交变电流和高频交变电流，通过根据感应线圈上的感应电动势大小判断铁磁材料工件的磁导率变化和非铁磁材料工件的电导率变化，以得到上述工件的塑性变形情况。
    公开号:CN214333657U
    申请号:CN202022925503.3U
    申请日:2020-12-07
    公开日:2021-10-01
    发明作者:邢涛；杨永权；王崇；朱天龙；于宗辰；张天宇；赵黎明
    申请人:Northeast Forestry University；
    IPC主号:G01B7-16
    专利说明:
    [n0001] 本申请涉及塑性变形检测领域，特别涉及一种塑性变形检测传感器。
    [n0002] 塑性变形是一种不可自行恢复的变形。工程材料及构件受载超过弹性变形范围之后将发生永久的变形，即卸除载荷后将出现不可恢复的变形，或称残余变形，这就是塑性变形。不是任何工程材料都具有塑性变形的能力。金属、塑料等都具有不同程度的塑性变形能力，故可称为塑性材料。玻璃、陶瓷、石墨等脆性材料则无塑性变形能力。工程构件设计时一般不允许出现明显的塑性变形，否则构件将不能维持原先的形状甚至发生断裂。
    [n0003] 因此在工程领域，如何简单迅速地检测构件的塑性变形是值得关注的问题。
    [n0004] 本发明提出了一种塑性变形检测传感器，包括：壳体、激励线圈和感应线圈；
    [n0005] 其中，所述激励线圈设置在所述壳体内，所述激励线圈能够被施加高频交变电流或低频交变电流；
    [n0006] 所述感应线圈也设置在所述壳体内并位于所述激励线圈的一侧。
    [n0007] 进一步的，所述感应线圈与所述激励线圈同轴设置。
    [n0008] 进一步的，所述激励线圈和感应线圈的轴向界面为椭圆形。
    [n0009] 进一步的，所述壳体内填充有绝缘部，所述绝缘部内开设有用于容置所述激励线圈和感应线圈的安装腔。
    [n0010] 进一步的，所述绝缘部的材质为聚酰亚胺。
    [n0011] 进一步的，所述感应线圈远离所述激励线圈的一侧设置有基板，所述基板的材质为玻璃。
    [n0012] 进一步的，所述激励线圈和感应线圈都具有两个，两个所述激励线圈相对设置，两个所述感应线圈也相对设置，两个所述激励线圈能够分别被施加高频交变电流和低频交变电流。
    [n0013] 进一步的，所述高频交变电流的频率为10000-20000Hz，所述低频交变电流的频率为100-200Hz。
    [n0014] 进一步的，所述激励线圈和感应线圈的匝数均为30-40，匝与匝之间距离为0.05-0.15毫米，用于制备所述激励线圈和感应线圈的导线的半径为0.1-0.3mm。
    [n0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
    [n0016] 本申请能够对含铁磁材料制得的工件和不含铁磁材料制得的工件的塑形变形情况进行检测，通过对激励线圈分别施加低频交变电流和高频交变电流，通过根据感应线圈上的感应电动势大小判断铁磁材料工件的磁导率变化和非铁磁材料工件的电导率变化，以得到上述工件的塑性变形情况。
    [n0017] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
    [n0018] 图1是根据本申请的一个实施例的塑性变形检测传感器的整体示意图；
    [n0019] 图2是传感器的俯视示意图。
    [n0020] 附图标记说明：100-壳体，200-激励线圈，300-感应线圈，400- 绝缘层，500-基板，600-分隔板。
    [n0021] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
    [n0022] 图1示意性地显示了根据本申请的一个实施例的塑性变形检测传感器。如图1所示，包括壳体100、激励线圈200和感应线圈300；其中，激励线圈200设置在壳体100内，激励线圈200能够被施加高频交变电流或低频交变电流；感应线圈300也设置在壳体100内并位于激励线圈200的一侧。
    [n0023] 具体的，上述的高频交变电流和低频交变电流可由外置的交变电源提供，在激励线圈200上设置由导线，导线用于与交变电源电连接。
    [n0024] 当检测非铁磁金属材料的工件的塑性变形情况时，先将一个未发生塑性变形的标准件靠近感应线圈300，通过导线经交变电源向激励线圈200通入高频交变电流，激励线圈200的附近空间产生一个高频率的磁场；基于法拉第电磁感应定律，位于激励线圈200一侧的感应线圈300也将产生一个同样高频率的感应电动势。当非铁磁金属标准工件接近感应线圈300时，该待检工件近表面会感生电涡流，电涡流又会产生一个磁场方向与激励线圈200附近的高频率磁场方向相反的次级磁场，该次级磁场与高频率磁场叠加产生削弱效果，进而减小感应线圈300的感应电动势，以此时的感应电动势作为未发生塑形变形的非铁磁金属标准件的基准感应电动势。随后再将待检测的工件靠近感应线圈300并重复上述的检测步骤，此过程中控制待检工件和感应线圈300的间距、高频交变电流的大小和频率不变，感应线圈300 上的感应电动势会随着待检工件电导率不同而发生变化，通过对感应线圈300上感应电动势峰值进行检测，从而有效判断电导率变化进而检测非铁磁金属材料工件的塑性变形情况。
    [n0025] 电导率是由金属中的自由电子在正离子晶格点阵中运动状况决定的，其大小与金属晶格点阵中散射电子的能力及散射源的密度相关。从微观角度看材料发生塑性变形过程，晶粒数量及围观组织畸变过程随着塑性变形量的增加而增加，并且伴随着晶粒的裂化与碎化、以及变形的不均匀性发生，组织畸变将破坏原来的晶格点阵，成为新的电子散射源阻碍自由电子的运动，最终导致电阻率ρ增大，其倒数即电导率σ将减小。此外，根据Matthiessen理论，金属电阻率ρ可以表示为:ρ＝ρτ+ρP+ρC，其中：ρτ为晶格热振动引起的电阻率，ρP为晶格物理缺陷引起的电阻率，ρC为化学不纯引起的电阻率，控制ρτ、ρC保持不变，电阻率ρ就成为ρP的单值函数，从微观上看其倒数电导率σ就完全取决于金属材料微观组织畸变程度，从宏观上看电导率σ就完全取决于金属材料的塑性变形量。
    [n0026] 因此当非铁磁金属材料工件检测时，如果被检工件的塑性变形程度大，那么其电导率相对较小，相应的，被检工件的电涡流所产生的磁场相对较弱，这一磁场对激励线圈200所产生的高频磁场的削弱较小，那么感应线圈300上的感应电动势相应较大。
    [n0027] 当检测铁磁金属材料的塑性变形情况时，先将一个未发生塑形变形的铁磁金属材料制得的标准件靠近感应线圈300，通过导线经交变电源向激励线圈200通入低频的交变电流，激励线圈200会产生一个同样低频率的磁场，基于法拉第电磁感应定律，位于激励线圈200一侧的感应线圈300也将产生一个同样低频率的感应电动势，而此低频率的交变磁场在铁磁材料制得的标准件上激励产生的电涡流非常微弱，电涡流再生的磁场对感应线圈300的反作用较由铁磁材料磁导率感应的磁场对感应线圈300的反作用微弱以至于可以忽略；当铁磁金属标准件接近感应线圈300时，该标准件会因其自身的磁导率感应产生一个反作用磁场，与激励线圈200产生的低频交变磁场叠加，以削弱该低频交变磁场的大小，进而影响感应线圈300上的感应电动势，此时感应线圈300上的感应电动势与标准件对应。随后将待检测工件靠近感应线圈300并重复上述检测步骤，此过程中控制待检测工件和感应线圈300的间距、交变电流频率不变，忽略与电导率相关的电涡流效应引起的感应线圈300上感应电动势变化，感应线圈300上的感应电动势会随着待检工件磁导率不同而发生变化，通过对感应线圈 300上感应电动势峰值进行检测，通过将待检测工件检测时感应线圈 300上产生的感应电动势与标准件的感应电动势对比，从而判断铁磁金属材料塑性变形情况。
    [n0028] 金属晶体内部晶格是原子在晶体中排列规律的空间格架，当金属材料发生塑性变形时，晶格状态遭到破坏。铁磁材料磁化过程主要包括内部磁畴壁移动和畴内磁化向量转动两个过程，塑性变形引起的晶格状态改变将对上述过程产生阻力阻碍磁化过程，导致铁磁材料磁导率减小。非铁磁材料的磁导率近视为真空磁导率，在实际过程中其相对磁导率设定为1。
    [n0029] 因此当铁磁金属材料工件检测时，被检工件的塑性变形程度大，那么其磁导率相对较小，相应的，被检工件所产生的磁场相对较弱，这一磁场对激励线圈200所产生的低频磁场的削弱较小，那么感应线圈300上的感应电动势相应较大。
    [n0030] 基于非铁磁材料塑性变形将引起电导率变化，对于非铁磁材料，利用本发明所述传感器侦测标准工件和待检工件电导率差异，实现对待测工件塑性变形的检测；基于铁磁材料塑性变形将引起电导率和磁导率变化，若采用高频激励，感应线圈受到静磁效应和电涡流效应的综合影响，当标准工件电导率σ1与磁导率μ1乘积和待测工件电导率σ2与磁导率μ2乘积相等时，即σ1μ1＝σ2μ2，两者对电涡流传感器感应线圈的电磁作用相等，无法实现塑性变形检测，因此对于铁磁材料采用低频激励消除电涡流效应的影响，利用本发明所述传感器侦测标准工件和待检工件磁导率差异，实现对待测工件塑性变形的检测。
    [n0031] 在一个实施例中，为了使激励线圈200产生的磁场在感应线圈 300上产生的感应电动势更加准确，感应线圈300与所述激励线圈200 同轴设置。
    [n0032] 在一个实施例中，激励线圈和感应线圈的轴向界面为椭圆形。椭圆形结构能够避免激励线圈和感应线圈不具有边角，避免产生天线效应而不利于磁通量均匀分布，同时利于节约线材减少内阻。
    [n0033] 在一个实施例中，壳体100内填充有绝缘部，绝缘部内开设有用于容置激励线圈200和感应线圈300的安装腔，当激励线圈200和感应线圈300安装在壳体100内后绝缘部能够使激励线圈200和感应线圈300相互绝缘，避免激励线圈200与感应线圈300上的电流互相影响。具体的，上述的绝缘部可采用聚酰亚胺。
    [n0034] 在一个实施例中，感应线圈300远离激励线圈200的一侧设置有基板500，基板500的材质为玻璃，设置基板500的目的在于辅助封装壳体100和在壳体100内填充绝缘部，同时对绝缘部、感应线圈300和激励线圈200具有支撑作用。
    [n0035] 在一个实施例中，为了使本申请检测铁磁材料工件和非铁磁材料工件更方便，激励线圈200和感应线圈300都具有两个，两个激励线圈200相对设置，两个感应线圈300也相对设置，两个激励线圈200 能够分别被施加高频交变电流和低频交变电流。相应的，交变电源也设置有两个，分别用于输出高频交变电流和低频交变电流，这样能够使的本申请的检测效率更高。相应的，为了避免两个激励线圈200和两个感应线圈300互相影响，在壳体100内设置有分隔层将两个激励线圈200分隔开来，也可以将两个感应线圈300分隔开来。
    [n0036] 在一个实施例中，上述的高频交变电流的频率为10000-20000Hz，所述低频交变电流的频率为100-200Hz。具体的，高频交变电流的频率为15000Hz，低频交变电流的频率为150Hz。
    [n0037] 在一个实施例中，激励线圈200和感应线圈300的匝数均为30-40，匝与匝之间距离为0.05-0.15毫米，用于制备激励线圈200和感应线圈300的导线的半径为0.1-0.3mm。具体的，激励线圈200匝数均为 35，匝与匝之间的距离0.1毫米，所述激励线圈200和感应线圈300 采用半径0.2毫米的铜线制作。
    [n0038] 当通过本申请提供的一种塑性变形检测传感器进行检测时，可通过下列步骤完成：
    [n0039] 将不含铁磁金属标准工件靠近感应线圈300，并对激励线圈200 施加高频交变电流，将此时感应线圈300上的感应电动势作为第一基准感应电动势；
    [n0040] 将不含铁磁金属待测工件靠近感应线圈300，并对激励线圈200 施加高频交变电流，将此时感应线圈300上的感应电动势作为第一测量感应电动势；
    [n0041] 将第一测量感应电动势与第一基准感应电动势比较以得到待测工件的电导率相对于标准工件的电导率的变化；
    [n0042] 将含铁磁金属标准件靠近感应线圈300，并对激励线圈200施加低频交变电流，将此时感应线圈300上的感应电动势作为第二基准感应电动势；
    [n0043] 将含铁磁金属待测工件靠近感应线圈300，并对激励线圈200施加低频交变电流，将此时感应线圈300上的感应电动势作为第二测量感应电动势；
    [n0044] 将第二测量感应电动势与第二基准感应电动势比较以得到待测工件的磁导率相对于标准工件的磁导率的变化。
    [n0045] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
    权利要求:
    Claims (9)
    [0001] 1.一种塑性变形检测传感器，其特征在于，包括：壳体(100)、激励线圈(200)和感应线圈(300)；
    其中，所述激励线圈(200)设置在所述壳体(100)内，所述激励线圈(200)能够被施加高频交变电流或低频交变电流；
    所述感应线圈(300)也设置在所述壳体(100)内并位于所述激励线圈(200)的一侧。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述感应线圈(300)与所述激励线圈(200)同轴设置。
    [0003] 3.根据权利要求1所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述壳体(100)内填充有绝缘部，所述绝缘部内开设有用于容置所述激励线圈(200)和感应线圈(300)的安装腔。
    [0004] 4.根据权利要求3所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述绝缘部的材质为聚酰亚胺。
    [0005] 5.根据权利要求1所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述感应线圈(300)远离所述激励线圈(200)的一侧设置有基板(500)，所述基板(500)的材质为玻璃。
    [0006] 6.根据权利要求1所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述激励线圈(200)和感应线圈(300)都具有两个，两个所述激励线圈(200)相对设置，两个所述感应线圈(300)也相对设置，两个所述激励线圈(200)能够分别被施加高频交变电流和低频交变电流。
    [0007] 7.根据权利要求1所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述高频交变电流的频率为10000-20000Hz，所述低频交变电流的频率为100-200Hz。
    [0008] 8.根据权利要求1所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述激励线圈(200)和感应线圈(300)的匝数均为30-40，匝与匝之间距离为0.05-0.15毫米，用于制备所述激励线圈(200)和感应线圈(300)的导线的半径为0.1-0.3mm。
    [0009] 9.根据权利要求1所述的塑性变形检测传感器，其特征在于，所述激励线圈(200)和感应线圈(300)的轴向界面为椭圆形。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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