三维巨磁阻磁场传感器的电路设计和实验标定

电磁场检测是进行雷电研究的重要手段。针对电磁场检测电路的器件选取、实现功能和抗干扰性设计等问题进行了详细研究,对基于光信号传输的三维巨磁阻磁场传感器进行了优化设计和构建。通过标定实验,得到传感器在3个轴向上的标定系数。在实验数据分析中,对采集到的数据进行合成,得到合成场的源波形和探头波形图,并进行了实验波形图的对比分析,结果表明巨磁阻传感器的源波形和探头波形具有很好的一致性,能够满足空间磁场的测量要求。     

光纤磁场传感器的磁场探头设计

光纤磁场传感器的探头是光纤磁场传感器中最关键的部分，它直接影响到传感器的测量精度。根据光纤传感器的测量要求和磁敏元件(磁光晶体：BiGd：YIG-Y3-x-yBixGdyFe3O12)的工作原理及特点，必须在光纤磁场传感器探头中产生线偏振光，同时为了在磁敏元件加入传感器探头后不至于增加固有损耗，故在探头两端使用了两个光纤准直器。介绍了在探头设计中，各部分的工作原理和结构特点。     

基于TMR传感器阵列的蒸汽发生器换热管检测探头设计

文中设计了一种用于核电站蒸汽发生器换热管检测的涡流探头,该探头使用高分辨率、高灵敏度的隧道效应磁阻(TMR)传感器阵列对涡流电流产生的磁场成像,通过分析磁场图像数据,来快速准确地定位换热管中存在的缺陷。文中建立了基于压缩磁矢势方程的有限元仿真模型,来模拟缺陷检测的物理过程;研制并测试了由磁场激励线圈、TMR传感器阵列和数据采集系统组成的实验探头,对带有缺陷的换热管样品(Inconel 690)进行了检测,观察传感器输出的电压信号变化即可直观的反应出被测样品的缺陷情况。     

三轴磁通门磁梯度仪转向差校正方法研究

三轴磁通门传感器应用广泛,但其自身固有的零偏误差、灵敏度误差以及三轴非正交误差对其磁场测量精度有着较大的影响。针对磁通门梯度仪中磁传感器自身的性能参数和摆放方位不一致问题,提出了转向差的校正方法:分别建立了磁通门传感器误差的自校准和互校准数学模型,并采用神经网络算法和最小二乘算法对模型参数进行求解。仿真和试验结果表明,整个校正过程简单可行,在不需要三轴无磁转台以及恒定磁场标准装置等复杂试验设备情况下,利用磁通门梯度仪在稳定的地磁场环境下采集多组磁场数据,能有效降低磁梯度仪转向差引起的测量误差。     

高分辨率TMR传感器阵列磁场成像涡流检测探头

提出了一种基于高分辨率隧道效应磁阻(TMR)传感器阵列和双排圆形三相激励线圈磁场成像的新型涡流检测探头。由相位相差120°的三相电流激励的线圈在空间上交替排列,因此对应感应涡流在导电样品中交替变化,从而宏观上产生在空间移动的涡流和磁场。TMR阵列可对磁场成像检测出样品中存在的缺陷。TMR传感器阵列含64个传感器,测得的磁场图像具有0.5 mm的空间分辨率。基于压缩磁矢势方程,建立三维有限元仿真模型来研究该阵列探头的工作原理,并仿真预测该探头对不同方向和尺寸缺陷的检测图像;还制作了一个探头样机,用来检测含有人工缺陷的铝样品。结果表明该探头能有效检出不同方向的缺陷和尺寸为1 mm×0.2 mm×1 mm深的微小缺陷。     

基于MMC212xMG的电流传感器

针对传统电流测量方法精度不高、工艺复杂等问题,利用各向异性磁阻传感器MMC212xMG优异的磁场测量性能设计了一种高精度非接触式电流传感器.该电流传感器以磁场传感器MMC212xMG作为核心检测部件,ATmega32微控制器作为主控器,实时测量磁场数据,对数据进行滤波和计算后显示电流值.被测电流与磁场传感器MMC212xMG都处在密闭的坡莫合金屏蔽体内,有效避免外界磁场对电流磁检测过程的干扰.实验结果表明,该电流传感器具有精度高、非接触式测量、稳定性好、体积小等特点.     

大孔径开合式磁通门电流传感器探头参数设计

针对海洋工程中迫切需要的大孔径开合式腐蚀电流检测方法,设计了开合式磁通门电流传感器的探头,并通过将待测电流带来的磁场偏置影响代入磁芯磁导率,联立磁芯磁路方程和检测线圈的电路方程,结合相量法得出了开合式磁通门电流传感器的检测线圈电流脉冲计算公式,为大孔径开合式磁通门电流传感器的探头设计提供了理论依据,同时结合COMSOL仿真软件建立了有限元仿真分析模型,以720 mm孔径的磁通门电流传感器为例,从绕线方式、结构设计等方面分析计算了待测电流引起的磁场偏置,讨论了不同探头参数对磁通门脉冲的影响,对于传感器后处理电路的设计具有一定的参考价值。     

基于内部级数法的高均匀度磁传感器标定装置设计

在对磁传感器进行标定时,Maxwell线圈在磁梯度场均匀度要求高且对线圈空间尺寸有严格限制时并不适用,针对这个问题设计了一种具有高均匀度的磁梯度线圈作为磁传感器标定装置。应用内部级数法对单个轴对称线圈产生的磁场进行数理分析,进而得到其磁场梯度分布的一般特性,在此基础上计算出高均匀度磁梯度线圈的结构参数与均匀度。对线圈模型进行仿真分析并完成了磁梯度线圈装置的设计和制作。最后,根据仿真结果与实际测量得到的数据,验证了设计的正确性。     

一种新型便携式弱磁场测量系统

针对目前微弱磁场测量装置具有测量精度低、成本高、体积大等缺点。设计并制作了一种以TMR磁传感器为磁敏感探头的新型便携式微弱磁场测量系统,并通过液晶屏实时显示测量数据。通过FD-ICH-II新型螺线管磁场测定仪对本弱磁测量系统进行了标定实验,实验结果表明:该弱磁测量系统具有灵敏度高,较宽的测量范围,线性度高,测量平均误差小于1.2%,分辨率达到10-8T,满足弱磁测量的要求。对于某些特定场合,该弱磁测量系统完全可以得到应用。     

电磁涡流无损探伤中探头位置检测装置

设计了一种电磁涡流无损探伤中探头位置检测装置,利用探头本身的电磁性质,在探头周围放置探头位置检测装置,再通过单片机进行计算,从而进行准确的定位。探头位置检测装置采用了4个位置传感器(4个线圈),用C8051F005单片机的DAC产生正弦波输出到探头线圈中,探头在空间内就会产生磁场,激励4个位置传感器产生感应电动势,再通过自动增益控制(AGC)电路放大和精密整流电路整流后,由C8051F005单片机ADC采样运算处理,算出探头的坐标位置。     

油管缺陷在线检测仪的研究

文中研究了油管局部缺陷和壁厚减薄缺陷的漏磁场检测原理。研制了一种新型的井口式油管缺陷检测仪,缺陷检测传感器的组合式探头具有自动张合、浮动和随动功能,能够满足油管在线检测对检测传感器的要求。仪器可用在井口对油管进行在线连续定量检测,检测结果不受管表面的油泥或其它非导磁性材料的影响。测试表明,该仪器具有精度和分辨率高,结构简单,安装方便,性能可靠等优点。     

基于Overhauser效应的磁场梯度探测器

为提高单探头磁力仪在自然环境中的抗干扰能力,设计了一种基于Overhauser效应的双探头磁场梯度探测器。文中介绍了Overhauser效应的基本原理,对仪器的射频激发系统、信号调理系统和频率计做了详细的描述。论文分析了射频系统的不稳定因素,并给出解决方案。针对拉莫尔旋进信号,提出一种基于FPGA的多通道测频算法,并对比测试使用该算法前后的结果,分析了实验数据。同时对仪器双探头的数据一致性进行比对,给出了测试方法和测试结果。最后将该仪器和商用仪器进行室内、室外以及磁异常探测等对比试验,结果表明,其性能接近商用仪器水平,具有野外操作便捷、测量磁场精度高、抗干扰能力强等优点,证明了所研制的基于Overhauser效应的磁场梯度探测器在梯度测量中的有效性。     

基于交流通电的钢球微细裂纹电磁检测方法

提出了一种基于交流通电测磁的钢球表层微细裂纹检测方法,首先,通过有限元仿真得到钢球表面微细裂纹所产生漏磁场的磁感应强度的数量级,验证检测方法的可行性;然后,选择高灵敏度隧道磁敏电阻传感器拾取磁场信号,并设计了弧形差分阵列探头实现全覆盖扫查;最后,分析通电电流频率和强度对不同深度和走向裂纹产生的磁感应强度的影响,优化了交流激励参数。试验结果表明:随着交流电频率的增大,漏磁场逐渐减小,扰动电流产生的扰动磁场逐渐增大;随电流增强,磁场呈增大趋势。另外,设计了一套钢球微细裂纹检测系统,采取沿钢球表面螺旋展开扫查,机械手配合钢球的旋转运动,实现钢球表面的全覆盖自动化无损检测。     

光纤气压传感器特性分析

用双膜盒作气压的敏感元件,将光纤微位移传感器用于检测膜盒随压力变化引起的形变,避免了其他检测膜盒形变方法的缺点,使气压传感器的性能得到改善和优化;为了提高检测灵敏度、降低检测限,使用了双通道光纤传感器,构造了一个气压测量装置,并以标准空气压力计对这种光纤气压传感器的输出变化随气压变化的关系进行了标定,结果表明测量范围可以达到900-1200hpa,分辨率为0.2hpa,精度为±0.1hPa。改变光纤探头到膜盒反射面的初始间隔,实现气压测量区间位置的变化。进一步优化光纤探头的结构参数,可以拓宽大气压力的测量范围。     

油管壁厚测量数据的一致性加权融合估计算法

在随机拔动环境中采用漏磁场法在线测量油管壁厚时，每个磁性传感器只能得到环境的部分信息。为了对各传感器的局部测量值进行稳健融合估计，提出了油管壁厚测量数据的一致性加权融合估计算法。利用改进的数据探测技术中的分布图方法对各个传感器的一致性进行检验，并采用简单加权平均法求得一致性传感器测量数据的稳健融合估计值。融合实例表明，该算法能有效地提高系统测量的稳健性，且具有精度高、运算简单等特点。该算法适用于多传感器测量数据的实时高精度融合估计。     

圆台状脉冲涡流差分传感器缺陷检测信号的解析计算

将傅里叶变换理论应用于圆台状脉冲涡流差分传感器缺陷检测信号的求解,提出了一种缺陷检测信号的解析计算方法。首先分析了缺陷检测信号谐波系数随缺陷尺寸变化的规律,而后根据电磁波反射与折射理论建立了圆台状差分传感器磁场解析模型,并根据谐波系数随缺陷尺寸变化的规律得到了任意缺陷检测信号傅里叶变换系数的通用表达式,最后经傅里叶反变换得到了任意缺陷的时域差分检测信号。通过实验对所提算法进行了验证,结果表明:该算法可准确求得圆台状脉冲涡流差分传感器缺陷检测信号,且具有较快的计算速度。     

漏磁检测多排传感器的数据修正理论及方法

漏磁检测因其显著的技术优势,被广泛应用于无损检测铁磁性构件中的缺陷,尤其是在油气管道的内检测领域。 漏磁 检测信号的空间分辨率由传感器的排布密度决定,但传感器的排布密度受其尺寸限制,尤其是对单排传感器。 因此为提升检测 信号的空间分辨率,传感器的多排、错排布置是简单易行的方法。 由于多排传感器所处位置的背景磁场不同,不同背景磁场对 检测信号的影响规律尚不清晰,因此需要对以上问题进行理论分析,并提出对多排传感器检测数据进行修正的方法。 本研究基 于磁荷理论,将缺陷检测信号划分成背景磁场和缺陷漏磁场两部分的叠加,给出了两者叠加的规律。 基于此提出了对多排传感 器的检测数据进行修正的方法,并通过 COMSOL 仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。     

基于PYTHON的多通道漏磁检测系统设计

针对钢管漏磁检测中存在单通道探头检测效率低,缺陷定量困难,仪器不便携带等难题,根据漏磁检测原理设计了一套多通道漏磁检测系统。应用三轴磁场传感器芯片研制了四通道漏磁检测探头;采用Python语言编程控制Arduino开发板进行信号采集、处理及显示;测试系统检测性能并开展缺陷定标试验。结果表明,三轴磁场传感器不仅能高效、准确检测出钢管缺陷,而且具有较高的检测灵敏度;多通道漏磁检测系统既能实现对对钢管的实时检测和显示,且界面简单友好,携带方便。对钢管的漏磁检测具有极高的实用性和市场应用价值。     

基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器

针对现有磁场式直线时栅位移传感器行波磁场产生过程中,齿槽的存在影响行波磁场的匀速性,提出基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器。无齿槽的结构形式提高了行波磁场的匀速性,可实现大极距下的高精度测量。传感器将施加正交信号的两相励磁线圈相间排列形成平面线圈线阵,产生的行波磁场通过磁场拾取线圈感应出电行波信号,处理后得到位移量。通过电磁场分析软件对传感器进行建模仿真,根据仿真结果得到测量误差;通过理论分析对测量误差进行分析溯源,并根据分析结果对传感器结构进行优化。基于分析和优化结果研制出传感器样机,并进行了精度实验。实验表明,传感器在240 mm内测量精度为±1μm,实现了精密测量。     

旋转磁场阵列式传感器设计及管道缺陷的仿真研究

管道内壁腐蚀具有不同的形状和取向,需要对不同的缺陷产生相对的横向的涡流场,方能有效地检测到相应的涡流产生的二次磁场的扰动信号。基于涡流检测技术,提出了一种用于在役检测管道内壁腐蚀状况的新型阵列式传感器探头设计方法,该探头使用相隔60°的3组绕组并通以三相电流来产生旋转磁场,对管道进行励磁;使用新型的高灵敏度巨磁阻(GMR)传感器芯片代替传统的线圈检测器来提取管道缺陷信号。通过有限元分析研究了三相电流激励频率、传感器提离以及激励电流对检测效果的影响,结果表明所设计的探头能够准确地识别并定位不同取向的管道缺陷,设计方法具有一定的可靠性。