申请/专利权人：兰州理工大学

申请日：2019-07-09

公开（公告）日：2022-12-16

公开（公告）号：CN110346447B

主分类号：G01N27/90

分类号：G01N27/90

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2022.12.16#授权;2019.11.12#实质审查的生效;2019.10.18#公开

摘要：本发明提供一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，根据差动激励的原理令目标函数为零，从而得到激励线圈各导线圆环的激励电流之间的比例关系，再根据欧姆定律得到各导线圆环所采用导线的宽度与其直径的商的比例关系；由于本发明中绕制激励线圈各导线圆环的尺寸是基于差动激励原理确定的，则激励线圈各导线圆环对信号拾取线圈提供的磁通量大小相同，能够相互抵消，也就是说，本发明得到的激励线圈各导线圆环的尺寸必然能够达到差动激励的目的，从而提高花萼状平面涡流传感器检测疲劳裂纹的灵敏度。

主权项：1.一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，所述花萼状平面涡流传感器包括激励线圈和信号拾取线圈，其中，所述激励线圈由至少三个相互并联且同心的导线圆环构成，所述信号拾取线圈由至少两个同心的结构件组成，其中，所述结构件由两个相互串联且同心的导线圆环构成，且结构件的个数比激励线圈的导线圆环的个数少一个，其特征在于，所述激励线圈包括三个导线圆环，且三个导线圆环之间的间距相等，所述信号拾取线圈包括两个结构件，且各结构件的内外导线圆环之间的间距相等，激励线圈与信号拾取线圈的中心重合，各结构件的内外导线圆环之间的间距小于激励线圈各导线圆环之间的间距，且两者差值小于设定值；所述优化方法包括以下步骤：S1：分别获取各结构件内外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，然后得到同属一个结构件的内外导线圆环之间的感应电压差，并将各感应电压差的平方和的最小值作为目标函数f；S2：假设激励线圈中各导线圆环中通入的激励电流分别为In，得到各结构件内外导线圆环对应的感应电压与激励电流In之间的映射关系，其中，n＝1,2,…,N，N为同心圆的个数；S3：通过仿真软件comsol得到所述映射关系中未知系数的数值；S4：将未知系数的数值代入所述映射关系，得到系数已知的各感应电压的表达式；S5：将系数已知的各感应电压的表达式代入所述目标函数中，并根据差动激励原理令目标函数f＝0，得到激励电流In之间的比例关系；S6：基于欧姆定律，根据激励电流In之间的比例关系得到激励线圈中各导线圆环所采用导线的宽度与其直径的商的比例关系，从而确定绕制激励线圈各导线圆环的尺寸。

全文数据：一种花萼状平面涡流传感器的优化方法技术领域本发明属于电磁无损检测技术领域，尤其涉及一种花萼状平面涡流传感器的优化方法。背景技术近年来航天业飞速发展，更多的飞机投入民用，绝大多数的飞机高负荷运行，在高负荷运行下对飞机结构健康监测显得尤为重要，而螺栓孔周边有无裂纹属于飞机安全结构的重要环节，其对飞机的安全运行极其重要。涡流传感器价格低、制造简便、易于操作，在结构健康监测上占据优势。花萼状平面涡流传感器由激励线圈和信号拾取线圈构成，其在对螺栓孔周边裂纹上有其独特的优势，而成为其中的优先选则之一。花萼状平面涡流传感器的激励线圈通以同向激励电流，激励线圈之间的磁场方向是相反的，将抵消一部分输出电压，这一原理与差动激励涡流传感器原理相似。但是由于内外构成激励线圈的导线的长度与宽度不等，各层激励线圈中的激励电流对信号拾取线圈中磁通量的贡献不同，所以，通入相同强度的激励电流无法使得花萼状平面涡流传感器在检测螺栓孔周边无裂纹时信号拾取线圈的感应电压输出为零，无法较好的实现差动激励，从而导致其灵敏度较低。发明内容为解决上述问题，本发明提供一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，能够达到差动激励的目的，从而提高花萼状平面涡流传感器检测疲劳裂纹的灵敏度。一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，所述花萼状平面涡流传感器包括激励线圈和信号拾取线圈，其中，所述激励线圈由至少三个相互并联且同心的导线圆环构成，所述信号拾取线圈由至少两个同心的结构件组成，其中，所述结构件由两个相互串联且同心的导线圆环构成，且结构件的个数比激励线圈的导线圆环的个数少一个，所述优化方法包括以下步骤：S1：分别获取各结构件内外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，然后得到同属一个结构件的内外导线圆环之间的感应电压差，并将各感应电压差的平方和的最小值作为目标函数f；S2：假设激励线圈中各导线圆环中通入的激励电流分别为In，得到各结构件内外导线圆环对应的感应电压与激励电流In之间的映射关系，其中，n＝1,2,…,N，N为同心圆的个数；S3：通过仿真软件comsol得到所述映射关系中未知系数的数值；S4：将未知系数的数值代入所述映射关系，得到系数已知的各感应电压的表达式；S5：将系数已知的各感应电压的表达式代入所述目标函数中，并根据差动激励原理令目标函数f＝0，得到激励电流In之间的比例关系；S6：基于欧姆定律，根据激励电流In之间的比例关系得到激励线圈中各导线圆环所采用导线的宽度与其直径的商的比例关系，从而确定绕制激励线圈各导线圆环的尺寸。进一步地，所述激励线圈包括三个导线圆环，且三个导线圆环之间的间距相等，所述信号拾取线圈包括两个结构件，且各结构件的内外导线圆环之间的间距相等，激励线圈与信号拾取线圈的中心重合，各结构件的内外导线圆环之间的间距小于激励线圈各导线圆环之间的间距，且两者差值小于设定值。进一步地，目标函数f具体为：min：f＝VP1-VP232+VP23-VP42其中，VP1为外部结构件的外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，VP23为外部结构件的内导线圆环或内部结构件的外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，VP4为内部结构件的内导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，min为取最小值。进一步地，假设激励线圈由内到外的三层导线圆环中通入的激励电流分别为I1、I2、I3，则激励电流与感应电压之间满足的映射关系如下：其中，a11～a13分别为感应电压VP1与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数，a21～a23分别为感应电压VP23与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数，a31～a33分别为感应电压VP4与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数。进一步地，所述激励线圈中各导线圆环所采用导线的宽度与其直径的商的比例关系的具体获取方法为：根据欧姆定律V＝ρLnInSn得到In∝SnLn，其中，V为通入激励线圈各导线圆环的电压，ρ为激励线圈各导线圆环的电导率，Ln为激励线圈各导线圆环的周长，Sn为绕制激励线圈各导线圆环的导线截面积；根据In∝SnLn得到I1∶I2∶I3＝d1R1∶d2R2∶d3R3，从而确定绕制激励线圈各导线圆环的尺寸，其中，d1、d2、d3分别为由内到外的导线圆环所采用导线的宽度、R1、R2、R3分别为由内到外的导线圆环的直径。有益效果：本发明提供一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，根据差动激励的原理令目标函数为零，从而得到激励线圈各导线圆环的激励电流之间的比例关系，再根据欧姆定律得到各导线圆环所采用导线的宽度与其直径的商的比例关系；由于本发明中绕制激励线圈各导线圆环的尺寸是基于差动激励原理确定的，则激励线圈各导线圆环对信号拾取线圈提供的磁通量大小相同，能够相互抵消，也就是说，本发明得到的激励线圈各导线圆环的尺寸必然能够达到差动激励的目的，从而提高花萼状平面涡流传感器检测疲劳裂纹的灵敏度。附图说明图1为本发明提供的花萼状平面涡流传感器结构示意图；图2为本发明提供的激励线圈示意图；图3为本发明提供的信号拾取线圈示意图；图4为本发明提供的花萼状平面涡流传感器磁感线方向示意图。具体实施方式为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本实施例以激励线圈包括三个导线圆环、信号拾取线圈包括两个结构件为例，对一种花萼状平面涡流传感器的优化方法进行详细说明。参见图1，该图为本实施例提供的花萼状平面涡流传感器结构示意图。所述花萼状平面涡流传感器包括激励线圈和信号拾取线圈，其中，如图2所示，所述激励线圈由三个相互并联且同心的导线圆环构成，且三个导线圆环之间的间距相等；如图3所示，所述信号拾取线圈由两个宽度相等的结构件构成，即信号拾取线圈为由外部结构件I与内部结构件II构成的双通道线圈，其中，结构件由两个相互串联且同心的导线圆环构成，且各结构件的内外导线圆环之间的间距相等；同时，由图1可知，激励线圈与信号拾取线圈的中心重合，各结构件的内外导线圆环之间的间距小于激励线圈各导线圆环之间的间距，且两者差值小于设定值，所述优化方法包括以下步骤：S1：构建目标函数f：min：f＝VP1-VP232+VP23-VP42其中，VP1为外部结构件的外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，VP23为外部结构件的内导线圆环或内部结构件的外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，VP4为内部结构件的内导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，min为取最小值。需要说明的是，当检测无疲劳裂纹试件时，激励线圈向信号拾取线圈提供的磁通量大小相同，方向相反，相互抵消，则产生的感应电压为零；当试件中存在疲劳裂纹时，激励线圈向信号拾取线圈提供的磁通量平衡被破坏，以此形成差动激励，信号拾取线圈中产生感应电压；差动式涡流传感器利用差动线圈对相同信号进行抵消、差异信号进行叠加的特点，可有效抑制温度、提离效应等共模干扰信号，更适于识别微小裂纹。需要说明的是，目标函数f的推导过程如下：传感器分为激励线圈部分与信号拾取线圈部分。如图3所示，信号拾取线圈由外部结构件I与内部结构件II构成，设外部结构件I拾取磁通量所产生的感应电压为V1、内部结构件II拾取磁通量所产生的感应电压为V2。此最小二乘法的目标函数为求：花萼状平面涡流传感器的信号拾取线圈的导线圆环分为四层，由外到内设各层导线圆环在拾取激励线圈产生磁场后得到信号电压为VP1、VP2、VP3、VP4，因拾取的磁场线方向不尽相同，VP1、VP2、VP3、VP4在方向上有差异，从而得出V1＝VP1-VP2、V2＝VP3-VP4；同时，由于VP2与VP3都拾取的是激励线圈第二个导线圆环附近的磁场，所以VP2＝VP3＝VP23，由此可将目标函数转换为：min：f＝VP1-VP232+VP23-VP42S2：假设激励线圈由内到外的三层导线圆环中通入的激励电流分别为I1、I2、I3，则激励电流与感应电压之间的满足如下映射关系：其中，a11～a13分别为感应电压VP1与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数，a21～a23分别为感应电压VP23与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数，a31～a33分别为感应电压VP4与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数。需要说明的是，映射关系的推导过程如下：外部结构件的外导线圆环拾取激励线圈最外层导线圆环附近的合磁场产生电动势VP1，而激励线圈最外层导线圆环附近的合磁场是由分别通入激励线圈每个导线圆环的激励电流共同贡献，只不过激励线圈每个导线圆环内的激励电流对合磁场的贡献不同，因此可定义VP1与I1、I2、I3之间的关系为：VP1＝a11I1+a12I2+a13I3同理可定义VP23、V4与I1、I2、I3之间的关系为：VP23＝a21I1+a22I2+a23I3V4＝a31I1+a32I2+a33I3转换成行列式可以得到映射关系为：为传递矩阵，a11～a13、a21～a23、a31～a33为未知的传递系数；同时，当I＝|100|T时，|Vp1Vp23Vp4|T＝|a11a21a31|T；当I＝|010|T时，|Vp1Vp23Vp4|T＝|a12a22a32|T；当I＝|001|T时，|Vp1Vp23Vp4|T＝|a13a23a33|T；S3：通过仿真软件comsol得到各未知系数的数值。S4：将各未知系数的数值代入所述映射关系，得到系数已知的各感应电压的表达式。S5：将系数已知的各感应电压的表达式代入所述目标函数中，并根据差动激励原理令目标函数f＝0，得到激励电流I1、I2、I3之间的比例关系。需要说明的是，本实施例中的花萼状平面传感器有两个结构件，所拾取4部分磁通量，即产生感应电压信号VP1、VP2、VP3、VP4的磁通量，其中，参见图4，该图为本实施例提供的花萼状平面涡流传感器磁感线方向示意图；感应电压VP1和VP3对应的磁通量的方向与产生感应电压VP2和VP4对应的磁通量方向相反。VP1-VP2为外部结构件拾取磁通量所产生的感应电压，VP3-VP4为内部结构件拾取磁通量所产的感应电压。根据差动激励原理，在检测无疲劳裂纹试件时，感应电压为：VP1-VP22+VP3-VP42＝0，则得出VP1＝VP2＝VP3＝VP4，也就是说，要实现差动激励，激励线圈各层导线圆环提供给信号拾取线圈的磁通量需相等。S6：根据欧姆定律V＝ρLnInSn得到In∝SnLn，其中，V为通入激励线圈各导线圆环的电压，ρ为激励线圈各导线圆环的电导率，Ln为激励线圈各导线圆环的周长，Sn为绕制激励线圈各导线圆环的导线截面积，I为激励电流。需要说明的是，因激励线圈各层导线圆环等间距并联接入，因此通入的各导线圆环的电压相同，同时绕制激励线圈各导线圆环的材质相同，则激励线圈各导线圆环的电导率相同。S7：根据In∝SnLn得到I1∶I2∶I3＝d1R1∶d2R2∶d3R3，从而确定绕制激励线圈各导线圆环的尺寸，其中，d1、d2、d3分别为由内到外的导线圆环所采用导线的宽度、R1、R2、R3分别为由内到外的导线圆环的直径。需要说明的是，可以先确定激励线圈各导线圆环的直径比例，再根据激励电流I1、I2、I3之间的比例关系，确定出绕制激励线圈各导线圆环的导线的宽度dn的比例，从而确定可以实现较好差动激励的花萼状平面涡流传感器的激励线圈的尺寸。此外，花萼状平面涡流传感器的激励线圈为等间距的导线圆环构成，因此在各激励电流之间比例保持不变的情况下，调整激励线圈各导线圆环的导线的宽度即可调整各层激励线圈中激励电流大小。当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

权利要求：1.一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，所述花萼状平面涡流传感器包括激励线圈和信号拾取线圈，其中，所述激励线圈由至少三个相互并联且同心的导线圆环构成，所述信号拾取线圈由至少两个同心的结构件组成，其中，所述结构件由两个相互串联且同心的导线圆环构成，且结构件的个数比激励线圈的导线圆环的个数少一个，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：S1：分别获取各结构件内外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，然后得到同属一个结构件的内外导线圆环之间的感应电压差，并将各感应电压差的平方和的最小值作为目标函数f；S2：假设激励线圈中各导线圆环中通入的激励电流分别为In，得到各结构件内外导线圆环对应的感应电压与激励电流In之间的映射关系，其中，n＝1，2，...，N，N为同心圆的个数；S3：通过仿真软件comsol得到所述映射关系中未知系数的数值；S4：将未知系数的数值代入所述映射关系，得到系数已知的各感应电压的表达式；S5：将系数已知的各感应电压的表达式代入所述目标函数中，并根据差动激励原理令目标函数f＝0，得到激励电流In之间的比例关系；S6：基于欧姆定律，根据激励电流In之间的比例关系得到激励线圈中各导线圆环所采用导线的宽度与其直径的商的比例关系，从而确定绕制激励线圈各导线圆环的尺寸。2.如权利要求1所述的一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，其特征在于，所述激励线圈包括三个导线圆环，且三个导线圆环之间的间距相等，所述信号拾取线圈包括两个结构件，且各结构件的内外导线圆环之间的间距相等，激励线圈与信号拾取线圈的中心重合，各结构件的内外导线圆环之间的间距小于激励线圈各导线圆环之间的间距，且两者差值小于设定值。3.如权利要求2所述的一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，其特征在于，目标函数f具体为：min：f＝VP1-VP232+VP23-VP42其中，VP1为外部结构件的外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，VP23为外部结构件的内导线圆环或内部结构件的外导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，VP4为内部结构件的内导线圆环拾取激励线圈产生的磁场后得到的感应电压，min为取最小值。4.如权利要求3所述的一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，其特征在于，假设激励线圈由内到外的三层导线圆环中通入的激励电流分别为I1、I2、I3，则激励电流与感应电压之间满足的映射关系如下：其中，a11～a13分别为感应电压VP1与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数，a21～a23分别为感应电压VP23与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数，a31～a33分别为感应电压VP4与激励电流I1、I2、I3之间的未知系数。5.如权利要求4所述的一种花萼状平面涡流传感器的优化方法，其特征在于，所述激励线圈中各导线圆环所采用导线的宽度与其直径的商的比例关系的具体获取方法为：根据欧姆定律V＝ρLnInSn得到In∝SnLn，其中，V为通入激励线圈各导线圆环的电压，ρ为激励线圈各导线圆环的电导率，Ln为激励线圈各导线圆环的周长，Sn为绕制激励线圈各导线圆环的导线截面积；根据In∝SnLn得到I1∶I2∶I3＝d1R1∶d2R2∶d3R3，从而确定绕制激励线圈各导线圆环的尺寸，其中，d1、d2、d3分别为由内到外的导线圆环所采用导线的宽度、R1、R2、R3分别为由内到外的导线圆环的直径。

百度查询： 兰州理工大学 一种花萼状平面涡流传感器的优化方法

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