CN103995052B - 一种基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，包括置于管外产生旋转磁场的三相对称绕组和固定三相绕组的定子铁芯，用于产生超声体波和输出检出电压信号的阵列线圈探头和固定阵列线圈探头的线圈骨架，实现阵列线圈探头高速切换的多路转换器以及电磁超声装置；首先利用三相绕组于定子内部空间形成旋转磁场，然后利用多路转换器实现阵列线圈探头各线圈的高速切换，即当旋转磁场旋转至某一特定角度时，利用多路转换器控制该角度上的线圈导通，电磁超声装置完成超声波激励、信号检出的过程；附加以轴向机械扫查，实现管结构快速高效的电磁超声检测；本发明具有易实现、易操作、检测速度快、效率高等优点，可广泛运用于外面形状复杂的小径管内部和多层管HIP焊接界面脱粘缺陷的无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测技术领域，具体涉及一种基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法。
背景技术
随着国际热核聚变实验堆(ITER)计划的推进，托卡马克聚变装置的安全与完整性评估越来越受到人们的关注。偏滤器作为托卡马克装置的重要组成部分，对面向等离子体部件起着移除杂质和完成热交换的作用，保证了装置的正常运行。偏滤器大量采用具有HIP焊接界面的钨块-换热管换热部件，且换热管内径较小通常仅有10余毫米。为实现钨块和换热铜管的有效焊接，其间还采用了中间管状过渡层，使得上述换热部件具有复杂外表面小径多层管结构。如果界面焊接不良或脱粘，在不能完成正常热交换的同时，还可能会因为热量集中无法移除而产生异常热应力，从而对装置造成无法预估的损坏。因此，实现对多层管HIP焊接界面脱粘的检测和评估尤为重要。
目前针对多层管HIP焊接界面的脱粘检测，主要有涡流检测法、超声波检测法、红外热成像法等，但都存在相应的不足。而电磁超声无损检测由于其非接触性、不需要耦合剂、检测速度快、产生波形多样、适合高温检测等特点，已经成为无损评估和检测领域的一种重要方法，但尚未实现对上述偏滤器换热部件脱粘缺陷的检测。
对于多层管HIP焊接界面的电磁超声检测，面临以下难点：第一，由于是小内径、外方内圆的多层管结构，所以检测线圈只能选择内置；第二，多层管内径较小，内置永磁体无法提供较强的偏置恒定磁场且在换热管有一定曲率时无法插入，所以需要其他方法从外部施加偏置磁场；第三，通过常规手段从外部施加的偏置磁场往往是单方向的，完成多层管周向的检测需通过旋转检测试件或检测探头、逐点检测，检测效率较低。
鉴于此，本发明提出了基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，利用旋转磁场、阵列线圈探头和多路转换器，实现多层管HIP焊接界面的快速有效检测。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，通过三相绕组产生外加旋转偏置磁场，通过多路转换器使该角度上的线圈导通，由电磁超声装置向该线圈输入瞬间脉冲激励电压信号和输出检测电压信号，从而完成周向快速电子扫查，再辅助以轴向机械扫查，可实现小径管结构的快速C扫检测，可广泛应用于多层管HIP焊接界面的脱粘缺陷检测，也可用于小径管管材内部缺陷检测。具有易实现、易操作、检测速度快、效率高等优点。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，包括如下步骤：
步骤1：将待检测管(3)同轴固定于绕有三相绕组(4)的定子铁芯(2)内；
步骤2：将回字形线圈等间距、紧密的固定于线圈骨架(6)上构成阵列线圈探头(5)，所述阵列线圈探头(5)选取圆周方向的回字形线圈边长L为1～2mm，轴向边长同为L，回字形线圈数目n1由待检测管(3)的直径D决定，n1＝INT(πD/L)，INT表示取整，然后将阵列线圈探头(5)同轴内置于待检测管(3)中；
步骤3：在位于定子铁芯(2)内的三相绕组(4)的AX、BY、CZ端分别通入相位差互为120度的三相交流电iA＝Imsin(ωt)、iB＝Imsin(ωt+1200)、iC＝Imsin(ωt+2400)，从而于定子铁芯(2)内部产生大小恒定、沿待检测管(3)直径方向的、随时间绕定子铁芯(2)中心轴匀速旋转的磁场，控制三相绕组的电流频率f1为1～100HZ；
步骤4：利用与阵列线圈探头(5)连接的多路转换器实现对阵列线圈探头(5)各个线圈的快速切换以实现顺序激励和检出，即旋转磁场旋转至一角度与该角度上的回字形线圈平面垂直时，通过多路转换器使该线圈导通，由电磁超声装置向该线圈输入瞬间脉冲激励电压信号以激发超声波，其它回字形线圈信号输入输出通道关闭，与此同时输出该回字形线圈的检出电压信号；
步骤5：步骤3所述匀速旋转的磁场每分钟转速为n0＝60f1/p，其中p为磁场极对数，选取磁场极对数p为1，组成阵列线圈探头(5)相互独立的回字形线圈数目为n1，则在完成一个周向检测的时间段t0内，第n'个线圈的激发时间为tn'＝60(n'-1)/(n1n0)＝(n'-1)/(n1f1)(n'＝1～n1)，输出检测电压信号的时间长为Δtn'＝60/(n1n0)＝1/(n1f1)；按上述输出检测电压信号的时间切换线圈并设置起始线圈平面和起始旋转磁场垂直，即能够通过多路转换器快速切换开关实现管周向的快速电子扫查检测；
步骤6：在周向实现步骤5所述快速电子扫查基础上，通过轴向定速插入阵列线圈探头(5)进行机械扫查实现小径管轴向的全面扫查；兼顾检测精度和扫查效率，轴向的扫查速度选取范围为0.01m/s～0.10m/s，完成整个检测过程；
步骤7：完成上述检测过程后，只截取一定时间闸门的检测信号，分别以A扫、B扫、C扫以及D扫图进行成像显示。
所述阵列线圈探头5由等大小柔性扁平线圈组成。
所述线圈骨架6为塑料或橡胶制品。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明方法将电动机旋转磁场的原理引入到了电磁超声无损检测中。针对小内径、外方内圆的多层管结构，一方面解决了无法通过内置永磁体提供强偏置磁场的难点，另一方面解决了常规外加偏置磁场方法只能单方向施加磁场的难点。旋转磁场的产生为管周向的高速扫查奠定了基础。而且本方法操作简单、容易实现，因此可广泛的运用于托卡马克装置中多层管换热部件HIP焊接界面等的缺陷检测。
2)本发明基于旋转磁场，结合阵列线圈探头、多路转换器对各线圈导通的控制以及电磁超声装置双通道的同时激励检出，从而实现管周向的快速检测，极大提高检测效率。
附图说明
图1为本发明方法所用系统各组件连接示意图。
图2为本发明方法所用基于旋转磁场的电磁超声探头部分示意图。
图3为本发明中用到的阵列线圈探头示意图。
图4为本发明中用到的旋转磁场与阵列线圈探头匹配原理示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明方法的快速检测原理为：在三相绕组4中分别通入相位差为120°的交流电，从而于定子铁芯2内部空间形成一个幅值大小不变、沿待检测管3直径方向、随时间绕定子铁芯2中心轴匀速旋转的磁场。当旋转磁场旋转至某一角度时，通过多路转换器使该角度上的线圈导通，由电磁超声装置向该线圈输入瞬间脉冲激励电压信号，根据电磁感应定律，会于待检测管3内表面产生高频涡流，在偏置磁场的作用下该激励区域产生高频洛伦兹力，从而于待检测管3产生沿厚度方向传播的超声波，经过界面或缺陷位置时，超声波反射，传回待检测管3的表面，线圈两端电压发生相应的变化，由电磁超声装置输出该线圈的检出电压信号，分析检出信号，从而得到待检测管3内部的情况。利用周向快速电子扫查，辅助以轴向机械扫查，结合阵列线圈探头5的布置，可实现待检测管3的快速C扫检测。
下面结合图1、图2、图3、图4和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明一种基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，包括如下步骤：
步骤1：将绕有三相绕组4的定子铁芯2固定在支座1上，再将待检测管3(内径D＝12mm)同轴固定于定子铁芯2内；
步骤2：将回字形线圈等间距、紧密的固定于线圈骨架6上构成阵列线圈探头5，所述阵列线圈探头5选取圆周方向的回字形线圈边长L为2mm，轴向边长同为L，回字形线圈数目n1由待检测管3的直径D决定，n1＝INT(πD/L)，INT表示取整，得到n1＝18，然后将阵列线圈探头5同轴内置于待检测管3中；
步骤3：在位于定子铁芯2内的三相绕组4的AX、BY、CZ端分别通入相位差互为120度的三相交流电iA＝Imsin(ωt)、iB＝Imsin(ωt+1200)、iC＝Imsin(ωt+2400)，从而于定子铁芯2内部产生大小恒定、沿待检测管3直径方向的、随时间绕定子铁芯2中心轴匀速旋转的磁场，控制三相绕组的电流频率f1为50HZ；根据法拉第电磁感应定律，旋转磁场可能会在待检测管3中产生涡流而对电磁超声检测造成干扰，但由于频率很小，由旋转磁场产生的涡流几乎可以忽略；
步骤4：利用与阵列线圈探头5连接的多路转换器实现对阵列线圈探头5各个线圈的快速切换以实现顺序激励和检出，即旋转磁场旋转至一角度与一个回字形线圈平面垂直时，通过多路转换器使该线圈导通，由电磁超声装置(激励频率选取为2MHZ)向该线圈输入瞬间脉冲激励电压信号以激发超声波，其它回字形线圈信号输入输出通道关闭，与此同时输出该回字形线圈的检出电压信号；
步骤5：步骤3所述匀速旋转的磁场每分钟转速为n0＝3000/p，其中p为磁场极对数，选取磁场极对数p为1，当组成阵列线圈探头5相互独立的回字形线圈数目为n1，则在完成一个周向检测的时间段t0＝0.02s内，第n'个线圈的激发时间为tn'＝(n'-1)/(n1f1)＝(n'-1)/900n'＝1～n1，输出检测电压信号的时间长为Δtn'＝60/(n1n0)＝1/900；按上述输出检测电压信号的时间切换线圈并设置起始线圈平面和起始旋转磁场垂直，即能够通过多路转换器快速切换开关实现管周向的快速电子扫查检测；
步骤6：在周向实现步骤5所述快速电子扫查基础上，通过轴向定速插入阵列线圈探头5进行机械扫查实现小径管轴向的全面扫查；兼顾检测精度和扫查效率，本实施例轴向的扫查速度选取0.05m/s，完成整个检测过程；
步骤7：完成上述检测过程后，只截取一定时间闸门的检测信号，分别以A扫、B扫、C扫以及D扫图进行成像显示。
作为本发明的优选实施方式，所述阵列线圈探头5由等大小柔性扁平线圈组成。
作为本发明的优选实施方式，所述线圈骨架6为塑料或橡胶制品。
Claims (3)
1.一种基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：将待检测管(3)同轴固定于绕有三相绕组(4)的定子铁芯(2)内；
步骤2：将回字形线圈等间距、紧密的固定于线圈骨架(6)上构成阵列线圈探头(5)，所述阵列线圈探头(5)选取圆周方向的回字形线圈边长L为1～2mm，轴向边长同为L，回字形线圈数目n1由待检测管(3)的直径D决定，n1＝INT(pD/L)，INT表示取整，然后将阵列线圈探头(5)同轴内置于待检测管(3)中；
步骤3：在位于定子铁芯(2)内的三相绕组(4)的AX、BY、CZ端分别通入相位差互为120度的三相交流电iA＝Im sin(wt)、iB＝Im sin(wt+1200)、iC＝Imsin(wt+2400)，从而于定子铁芯(2)内部产生大小恒定、沿待检测管(3)直径方向的、随时间绕定子铁芯(2)中心轴匀速旋转的磁场，控制三相绕组的电流频率f1为1～100HZ；
步骤4：利用与阵列线圈探头(5)连接的多路转换器实现对阵列线圈探头(5)各个线圈的快速切换以实现顺序激励和检出，即旋转磁场旋转至一角度与该角度上的回字形线圈平面垂直时，通过多路转换器使该线圈导通，由电磁超声装置向该线圈输入瞬间脉冲激励电压信号以激发超声波，其它回字形线圈信号输入输出通道关闭，与此同时输出该回字形线圈的检出电压信号；
步骤5：步骤3所述匀速旋转的磁场每分钟转速为n0＝60f1/p，其中p为磁场极对数，选取磁场极对数p为1，组成阵列线圈探头(5)相互独立的回字形线圈数目为n1，则在完成一个周向检测的时间段t0内，第n'个线圈的激发时间为tn'＝60(n'-1)/(n1n0)＝(n'-1)/(n1f1)，(n'＝1～n1)，输出检测电压信号的时间长为Dtn'＝60/(n1n0)＝1/(n1f1)；按上述输出检测电压信号的时间切换线圈并设置起始线圈平面和起始旋转磁场垂直，即能够通过多路转换器快速切换开关实现管周向的快速电子扫查检测；
步骤6：在周向实现步骤5所述快速电子扫查基础上，通过轴向定速插入阵列线圈探头(5)进行机械扫查实现小径管轴向的全面扫查；兼顾检测精度和扫查效率，轴向的扫查速度选取范围为0.01m/s～0.10m/s，完成整个检测过程；
步骤7：完成上述检测过程后，只截取一定时间闸门的检测信号，分别以A扫、B扫、C扫以及D扫图进行成像显示。
2.根据权利要求1所述的基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，其特征在于：所述阵列线圈探头(5)由等大小柔性扁平线圈组成。
3.根据权利要求1所述的基于旋转磁场的小径管结构电磁超声无损检测方法，其特征在于：所述线圈骨架(6)为塑料或橡胶制品。
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