CN102183579A - 涡流检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡流检测探头，该探头是由检测传感器(2)和激励线圈(1)组成。其中激励线圈(1)是由两个同轴线圈绕组(11)和(12)反相串联组合而成，一个绕组(11)的匝数少于另一个绕组(12)的匝数，使激励线圈通电后所产生的激励磁场分布满足：检测传感器(2)所在位置的激励磁场强度为零，即探头远离被测工件时检测传感器(2)无信号输出。本探头能增大探测深度，减弱提离效应的影响。

Description

涡流检测探头

技术领域

本发明涉及电磁无损检测领域中的一种涡流检测探头，特别涉及一种放置式探头。

背景技术

在电磁涡流无损探伤领域，传统的放置式涡流检测探头对工件表面的缺陷检测灵敏度很高，但对表面下埋藏较深的缺陷灵敏度较低。而且，提离效应非常明显。如果能够适当地只降低工件表面缺陷的检测灵敏度，相对来说就是增加了对内部缺陷的检测灵敏度。在工件厚度测量或材料性质鉴定应用时，也希望涡流探测深度尽量大。为此，本发明人从激励线圈所产生的磁场分布入手，改进激励线圈结构，发明了本涡流检测探头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中涡流探测深度浅，提离效应太显著等不足，提供一种探测深度大的涡流检测探头。

本发明是通过以下技术方案实现的：所述探头包含检测传感器和激励线圈，与传统探头不同的是，所述激励线圈是由两个同轴线圈绕组反相串联组合而成，其中一个绕组的匝数少于另一个绕组的匝数，保证在检测时少匝数的绕组比多匝数的绕组更靠近被测工件，线圈的轴线沿被测工件表面的法线方向。检测传感器位于轴线上少匝数的绕组的一端，用于检测涡流产生的磁场。安装的位置及激励线圈各绕组的匝数应满足：当探头远离被测工件，激励线圈中通激励电流时检测传感器无信号输出。远离被测工件的目的是使工件中无涡流。

一般情况下，激励线圈的两个绕组是绕在同一个线圈架上，位置相对规定。检测传感器也固定在探头上靠近被检测工件的一端。由于两个位置相对固定的激励线圈绕组很难满足当探头远离被测工件，激励线圈中通激励电流时检测传感器无信号输出的条件。必须采取适当措施，便于调整使最终的探头满足上述条件。方法一就是让激励线圈再增加补偿线圈绕组，该补偿绕组与激励线圈的其他两个绕组同相或反相串联连接。该补偿线圈绕组位于多匝数绕组的远离少匝数绕组的一端外面，且可以沿轴线方向移动位置然后固定，用于微调确保当探头远离被测工件，激励线圈中通激励电流时检测传感器无信号输出。

方法二就是不增加补偿绕组，但是在激励线圈内部增加一个带螺纹的可旋转调整位置的磁芯或金属芯。磁芯或金属芯位于多匝数的绕组的内部，通过旋转可以沿轴线方向移动位置然后固定，用于微调确保当探头远离被测工件，激励线圈中通激励电流时检测传感器无信号输出。磁芯一般比较小，尽量在远离被测工件的一端。

同传统探头一样，所述检测传感器可采用一个与激励线圈同轴的线圈绕组。为制作方便，这时所有线圈可共用同一个线圈架，其中作为检测传感器的检测线圈绕组最靠近被测工件表面，其次是少匝数的激励线圈绕组，再其次是多匝数的激励线圈绕组。若有补偿线圈绕组，离工件表面最远的是补偿线圈绕组。

所述检测传感器也可采用霍尔元件。尤其是采用砷化镓霍尔元件，具有灵敏度高和体积小的优点。

目前很多探头的检测传感器与激励线圈为同一个元件，即激励线圈具有激励和检测两种功能。这种探头中激励线圈的各个绕组的匝数应满足当探头远离被测工件，激励线圈中通激励电流时，少匝数的绕组的端面外相当于原来被测工件的表面位置的平均激励磁场强度为零，或者在少匝数激励线圈的端面与被测工件表面之间的某个平面位置的平均激励磁场强度为零。即让该探头探测一个非金属材料(不能产生涡流的材料)的表面，激励线圈中通激励电流时，在非金属表面或表面上方少许的平面所产生的平均激励磁场强度为零。

本发明的各种探头同传统探头一样，也可被装入一个外壳中。无论外壳是什么材料，都应保证最终的探头满足上述要求的条件。如果探头也包含磁芯，同理最终的探头也应满足上述对应条件。上述条件还是指：当检测传感器和激励线圈不是同一个元件时，应满足探头远离金属工件，激励线圈中通激励电流时，检测传感器无信号输出。当检测传感器和激励线圈是同一个元件时，应当满足让该探头探测一个非金属材料(不能产生涡流的材料)的表面，激励线圈中通激励电流时，在非金属表面或表面上方少许的平面所产生的平均激励磁场强度为零。为了满足上述条件，激励线圈的少匝数绕组必然比多匝数的绕组更靠近被测工件的表面。

本发明的探头在使用时，激励线圈在工件表面所激励的磁场比在工件内部不太深的地方所激励的磁场弱。即激励线圈在工件内所激励的涡流密度，在某一定深度范围内，从工件表面向内部反而是逐渐增加的。因此，可提高工件内部的探测灵敏度。

假设工件在下面，探头在上方，则探头中检测传感器在最下端，其次是激励线圈的少匝数的绕组，激励线圈多匝数绕组在上端。激励线圈的两个绕组在轴线上同一点产生的磁场方向相反，在检测传感器所在位置产生的激励磁场强度互相抵消，即总磁场强度平均值为零；在检测传感器偏上方少许位置，总激励磁场的方向与少匝数线圈产生的激励磁场方向相同；在检测传感器偏下方少许位置，总激励磁场的方向与多匝数线圈产生的激励磁场方向相同，且在一定深度范围内，越向下总激励磁场强度越大，比工件表面的激励磁场强度大。但是，超过一定深度后，再向下的位置，总激励磁场强度越来越弱。当把探头向上提离时，激励线圈所产生的激励磁场分布总体也向上移动，使工件表面位置的激励磁场增强，减弱了提离效应的影响。

本发明与现有技术相比有如下的积极效果：增加涡流探测的深度，同时可减弱提离效应。用于探伤时可增加工件深度位置的检测灵敏度；用于工件厚度测量或材料性质鉴定时，能测量的厚度大，或由于探测深度大而能更加真实地反映材料内部性质。

附图说明

图1是一种由检测线圈和激励线圈各种绕组组成的探头原理示意图；

图2是一种由检测线圈作检测传感器和用磁芯或金属芯微调的探头结构示意图；

图3是一种由霍尔元件作检测传感器和用磁芯或金属芯微调的探头结构示意图；

图4是一种激励线圈兼作检测线圈的探头原理示意图。

上述各图中：激励线圈1，其中可包含少匝数的绕组11，多匝数的绕组12，补偿绕组13，磁芯或金属芯14；检测传感器2；线圈架3；工件5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

实施例一：一种由检测线圈和激励线圈各种绕组组成的探头

图1是本实施例原理示意图。图中，激励线圈1是由绕组11、12和13组成的，少匝数的绕组11与多匝数的绕组12反相串联连接，补偿绕组13与绕组12同相串联连接。检测线圈绕组2作为检测传感器与激励线圈同轴，且距离被测工件5最近。所有线圈绕组共用一个线圈架3，除了绕组13可以沿轴向移动外，其余绕组位置均固定。所有线圈绕组的外直径相等，当都采用同样直径的漆包线绕制时，3个绕组即绕组11、绕组13和绕组2匝数近似相等，绕组12的匝数等于绕组11的匝数的4倍左右。实际上应经过反复试验寻找最佳的匝数，上述仅为参考数据。试验就是通过反复调整绕组匝数，让最终的探头满足下列条件：当探头远离工件即没有涡流，激励线圈1中通激励电流时，检测线圈2无任何信号输出，这时补偿绕组13位于其可移动范围的中间某个位置。记下各绕组的匝数，以后便可按照该数据批量制作，通过移动绕组13的位置进行微调，绕组13的位置调整好后固定。

满足条件的探头在进行涡流检测，当探头靠近金属工件表面时，涡流产生的磁场就会在检测线圈绕组2中激发出感应电动势，根据此电动势的大小和相位便能分析出工件内部情况。

实施例二：一种由检测线圈作检测传感器和用磁芯或金属芯微调的探头

图2是本实施例结构示意图。与实施例一不同的是去掉了用于微调的补偿绕组13，改用磁芯或金属芯14进行微调。同一个线圈架上绕有3个绕组，它们分别是激励线圈的少匝数绕组11，激励线圈的多匝数绕组12和检测线圈绕组2，相对位置均固定。采用磁芯或铁芯14时，能增加绕组12产生的激励磁场；采用其他金属如铜芯时，能减弱绕组12产生的激励磁场。磁芯或金属芯14有外螺纹，与线圈架3的内螺纹配合，通过旋转可调整磁芯或金属芯14沿轴向运动。调整磁芯或金属芯14的位置相当于实施例一中移动绕组13的位置。磁芯或金属芯14一般位于线圈架3的远离绕组2的一端。其他过程同实施例一。

实施例三：一种由霍尔元件作检测传感器和用磁芯或金属芯微调的探头

图3是本实施例结构示意图。与实施例二不同的是检测传感器2，这里采用霍尔元件代替前面的检测线圈绕组。霍尔元件具有体积小、灵敏度高的优点，尤其是采用砷化镓霍尔元件。霍尔元件2安装在线圈架3的底端距被测工件最近的位置，位于绕组11的端面或端面外面，同时位于线圈轴线上。即通常霍尔元件2比绕组11更接近被测工件。

其他过程与实施例二相同。最终的探头通过微调磁芯或金属芯14的位置使满足：当探头远离工件即没有涡流，激励线圈1中通激励电流时，霍尔元件2无任何信号输出。

满足条件的探头在进行涡流检测，当探头靠近金属工件表面时，涡流产生的磁场就会使霍尔元件2输出相应的交流信号，根据此信号的大小和相位便能分析出工件内部情况。

实施例四：一种激励线圈兼作检测线圈的探头

图4是本实施例原理示意图。激励线圈和检测传感器为同一个元件，即激励线圈具有激励和检测两种功能。这种探头多用于采用阻抗分析法的涡流探伤仪中。本探头结构与实施例一不同的仅是没有了检测线圈绕组2。探头只有一个线圈1，包含3个绕组：少匝数绕组11、多匝数绕组12和补偿绕组13。

类似实施例一，通过调整各绕组匝数，本探头最终结构应当满足：让该探头探测一个非金属材料(不能产生涡流的材料)的表面，假设探头在上方，非金属材料在下方，激励线圈中通激励电流时，在非金属表面或表面上方少许的平面所产生的平均激励磁场强度为零。如果在非金属表面所产生的平均激励磁场强度为零，则该探头对金属工件表面无探测能力，除非在金属工件表面和探头之间垫一层均匀厚度的非金属膜片，即有意提离探头。如果在非金属表面上方少许的平面所产生的平均激励磁场强度为零，则该探头对金属工件表面的探测能力弱于对工件近表面的探测能力。这里所述的平均激励磁场强度是指激励线圈通激励电流时，在所述平面上(如非金属表面)有效作用范围内产生的激励磁场强度矢量和的平均值。

显然，类似实施例二，本实施例中的补偿绕组13可以采用磁芯或金属芯14代替。

上述各实施例只是举例说明，可以根据需要改变，只要最终的探头满足上述对应条件就在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种涡流检测探头，包含检测传感器(2)和激励线圈(1)，其特征在于：所述激励线圈(1)是由两个同轴线圈绕组(11)和(12)反相串联组合而成，其中一个绕组(11)的匝数少于另一个绕组(12)的匝数，保证在检测时少匝数的绕组(11)比多匝数的绕组(12)更靠近被测工件，线圈的轴线沿被测工件表面的法线方向；检测传感器(2)位于轴线上少匝数的绕组(11)的一端，用于检测涡流产生的磁场；安装的位置及激励线圈绕组(11)和(12)的匝数满足：当探头远离被测工件，激励线圈(1)中通激励电流时检测传感器(2)无信号输出。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：所述激励线圈(1)还包含一个同轴的补偿线圈绕组(13)，与绕组(12)同相或反相串联连接；绕组(13)位于绕组(12)的远离绕组(11)的一端外面，且可以沿轴线方向移动位置然后固定，用于微调确保当探头远离被测工件，激励线圈(1)中通激励电流时检测传感器(2)无信号输出。

3.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：所述激励线圈(1)还包含一个带螺纹的可旋转调整位置的磁芯或金属芯(14)；磁芯或金属芯(14)位于绕组(12)的内部，通过旋转可以沿轴线方向移动位置然后固定，用于微调确保当探头远离被测工件，激励线圈(1)中通激励电流时检测传感器(2)无信号输出。

4.根据权利要求1或2或3所述的探头，其特征在于：所述检测传感器(2)是一个与激励线圈(1)同轴的线圈绕组。

5.根据权利要求1或2或3所述的探头，其特征在于：所述检测传感器(2)是霍尔元件。

6.根据权利要求1或2或3所述的探头，其特征在于：所述检测传感器(2)与激励线圈(1)为同一个元件，即激励线圈(1)具有激励和检测两种功能；这时满足当探头远离被测工件，激励线圈(1)中通激励电流时，绕组(11)的端面外相当于原来被测工件的表面位置或者是被测工件表面与绕组(11)之间的某平面位置的平均激励磁场强度为零。

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