CN104155361B - 一种基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测方法，该探头由铁芯束、激励线圈和检测线圈组成，铁芯束设置在激励线圈的中心部位，激励线圈的外部是检测线圈。利用该带铁芯线圈探头对构件实施脉冲涡流检测时，能产生空间聚集的脉冲强磁场，增大激励磁场，提高信号的信噪比，利于在较大提离条件下对较大壁厚构件实施脉冲涡流检测。应用基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统进行检测时，用探头时间常量τ_s来衡量铁芯内脉冲涡流场对检测信号的影响。当τ_s远小于构件扩散时间常量τ_e时，铁芯内脉冲涡流场对检测信号的影响可忽略不计，则带铁芯线圈探头的作用可近似成对检测信号的线性放大，简化了信号处理的难度。

Description

一种基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测方法

技术领域

本发明涉及电磁无损检测领域，特别是涉及一种能产生脉冲强磁场的脉冲涡流电磁无损检测探头、以及基于所述带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测方法。

背景技术

在石油、化工、电力、冶金等工业领域，大量使用金属管道和压力容器来输送和存储液体或气体介质。所输送的介质大多具有高温、高压、腐蚀性强等特点，因此管道和压力容器的腐蚀十分普遍。腐蚀将导致构件的壁厚减薄，承压性能下降，造成泄漏、爆炸等事故，带来人员伤亡和经济损失。因此需要定期对金属管道和压力容器的腐蚀情况实施在役无损检测和评估。

相比其他常规无损检测方法，脉冲涡流法是一种可以在包覆层外在役检测金属管道和压力容器壁厚的电磁无损检测方法。以脉冲电流激励代替正弦电流激励，在被检构件外激发出脉冲磁场，使构件内感应出脉冲涡流，然后通过检测脉冲涡流电磁场的衰减过程，来评估构件壁厚的腐蚀程度。

《无损检测》杂志在2010年第32卷第2期发表了《钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用》一文，作者武新军等。该文介绍了钢腐蚀脉冲涡流检测系统包括有检测系统主机和传感器两个部分，参见图1。

专利申请号CN 200910061369.2，申请日2009年4月1日，发明名称“对具有导磁材料保护层的构件腐蚀检测方法及装置”。该装置(参见图1A)包括依次连接的脉冲涡流传感器8、信号激励电路9、信号处理电路10、A/D转换电路11和便携式计算机12。信号激励电路9给脉冲涡流传感器8提供方波激励。脉冲涡流传感器8用于在被测构件1中激励诱发产生涡流并接受涡流产生的二次磁场信号，并将其转化为电压信号，传送给信号处理电路10。信号处理电路10对获得的信号进行放大、滤波处理，传送给A/D转换电路11。A/D转换电路11将接收的模拟信号转换成数字信号后送入便携式计算机12进行处理。便携式计算机12实现信号采集控制、信号显示和数据存储等功能，对接收的数据进行处理，提取信号特征，获得被测构件1的腐蚀信息。

现有的脉冲涡流检测技术，多采用空心激励线圈作为脉冲磁场激励源，采用空心检测线圈或者霍尔元件、巨磁电阻传感器等作为脉冲涡流场的检测元件。这种空心探头方式产生的脉冲磁场分布区域大，脉冲涡流场检测传感器得到的检测信号微弱，噪声大。当构件外包覆层较厚或者被检构件的壁厚较大时，空心探头方式的检测能力受到了限制。

发明内容

本发明的目的之一是提供了一种带铁芯的脉冲涡流检测线圈探头。该带铁芯探头填充高磁导率、高饱和磁通密度的软磁材料铁芯，减小了线圈探头与被检构件之间磁路的磁阻。因此，利用本发明中带铁芯线圈探头对构件实施脉冲涡流无损检测时，线圈探头能产生空间聚集的脉冲强磁场，增大检测信号，提高信号的信噪比，有利于在较大提离条件下对构件实施脉冲涡流检测，并增强了探头对较大壁厚构件的检测能力。

本发明的目的之二是提出一种应用本发明设计的带铁芯线圈探头进行脉冲涡流检测的方法，该方法利用带铁芯探头的时间常量来衡量铁芯内脉冲涡流场对感应电压检测信号的影响。当带铁芯探头的时间常量小于等于被检构件脉冲涡流扩散时间常量的十分之一时，铁芯内脉冲涡流场对感应电压的影响可忽略不计，则基于带铁芯线圈探头的作用可近似成对检测信号的线性放大，从而简化无损检测信号处理的难度。

本发明是一种基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统，该系统包括有带铁芯线圈探头(10)、计算机(20)、脉冲激励源(21)和数据采集卡(22)，所述带铁芯线圈探头(10)由铁芯束(1)、激励线圈(2)和检测线圈(3)组成，铁芯束(1)设置在激励线圈(2)的中心部位，激励线圈(2)的外部是检测线圈(3)；或者铁芯束(1)设置在检测线圈(3)的中心部位，检测线圈(3)的外部是激励线圈(2)；所述铁芯束(1)由多根铁芯(1A)构成。

应用本发明设计的基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统进行探头测试，包括有下列步骤：

A)将带铁芯的线圈探头置于空气中，不放置被检构件；

B)在激励线圈的一端串联一个0.1Ω的电流采样电阻；

C)在激励线圈中持续通入稳定电流I₀，在t＝0时，关断激励电流，此时，会在激励线圈中形成从I₀开始近似指数衰减的脉冲激励电流下降沿；

D)通过采集电流采样电阻两端的感应电压，得到激励电流下降沿波形；

E)测量出激励电流下降沿时间t_off，且带铁芯探头的时间常量τ_s与激励电流下降沿时间t_off满足关系为

F)对于不同的被检构件，将构件扩散时间常量τ_e与带铁芯探头的时间常量τ_s相比，在满足不等式τ_e≥10τ_s的条件下，利用带铁芯的线圈探头对被检构件进行脉冲涡流检测时，铁芯内脉冲涡流对感应电压检测信号的影响不考虑，此时，所述带铁芯的线圈探头对感应电压检测信号的作用为线性放大。

本发明带铁芯线圈探头在探头及应用所述带铁芯线圈探头在探头构成的脉冲涡流电磁无损检测系统的优点在于：

①本发明设计的带铁芯线圈探头在探头中部填充高磁导率、高饱和磁通密度的软磁材料铁芯，减小了线圈探头与被检构件之间磁路的磁阻。在相同激励电流作用下，能产生脉冲强磁场，从而有更强的磁场渗透到被检构件中，并感应出更强的脉冲涡流场；在相同提离条件下，激发出同样大小的脉冲磁场，需要的激励电流和探头尺寸更小。因此，利用本发明中带铁芯线圈探头对构件实施脉冲涡流无损检测时，线圈探头能产生空间聚集的脉冲强磁场，增大检测信号，提高信号的信噪比，有利于在较大提离条件下对构件实施脉冲涡流检测，并增强了探头对较大壁厚构件的检测能力。

②本发明设计的带铁芯线圈探头内铁芯束由许多根紧密排列、彼此绝缘的铁芯组成；在脉冲电流激励下，相比于整块的铁芯，每根小铁芯内脉冲涡流场的扩散时间更短、衰减更快，从而使本发明中铁芯内脉冲涡流场的衰减更快，对检测信号的影响更小。

③在本发明的带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统中，用线圈探头的时间常量来衡量铁芯内脉冲涡流场对检测信号的影响。当探头时间常量远小于被检构件脉冲涡流扩散时间常量时，说明铁芯内脉冲涡流场的扩散时间远小于被检构件内脉冲涡流场的扩散时间。此时，铁芯内脉冲涡流场对检测信号的影响可忽略不计，则铁芯束的作用可近似成对检测信号的线性放大，从而简化无损检测信号处理的难度。

④在本发明的带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统中，利用内嵌在计算机内的软件进行信息处理，该软件给出了带铁芯线圈探头时间常量的测试方法，并采用带铁芯线圈探头的时间常量与被检构件的脉冲涡流扩散时间常量作比，判断带铁芯线圈探头的检测能力范围。

附图说明

图1是钢腐蚀脉冲涡流检测系统的结构框图。

图1A是对具有导磁材料保护层的构件腐蚀检测方法及装置的结构图。

图2是本发明带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统的结构图。

图2A是本发明铁芯束按圆周排布的带铁芯线圈探头结构图。

图3是本发明铁芯束按四边形排布的带铁芯线圈探头结构图。

图4是激励电流下降沿波形图。

图5是线圈探头中有无铁芯时测得的感应电压时域信号对比。

1.铁芯束	1A.铁芯	2.激励线圈
			3.检测线圈	10.带铁芯线圈探头	11.包覆层
12.被检构件	20.计算机	21.脉冲激励源
			22.数据采集卡

具体实施方式

下面将附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图2，本发明是一种基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统，包括有带铁芯线圈探头10、计算机20、脉冲激励源21和数据采集卡22。被检构件12是导电、导磁的管道或者压力容器，外有一层非导电非导磁的包覆层11覆盖着，起保温、防腐等作用。

参见图2A所示，所述的带铁芯线圈探头10由铁芯束1、激励线圈2和检测线圈3组成，铁芯束1设置在激励线圈2的中心部位，激励线圈2的外部是检测线圈3。

带铁芯线圈探头10由铁芯束1、激励线圈2和检测线圈3组成，铁芯束1设置在检测线圈3的中心部位，检测线圈3的外部是激励线圈2。在本发明中，激励线圈2与检测线圈3之间的位置分布，不会影响本发明设计的带铁芯线圈探头10对感应电压检测信号的测量。

在本发明中，所述铁芯束1由多根铁芯1A构成，多根铁芯1A之间紧密排列，且多根铁芯1A之间彼此绝缘。具体地，多根铁芯1A之间的排布可以是圆周排列，如图2A所示，也可以是四边形排列，如图3所示。

本发明中，铁芯1A的材料成分是电工纯铁、硅钢片、坡莫合金、非晶合金、纳米晶合金等具有高磁导率、高饱和磁通密度、低矫顽力、低剩磁的软磁材料。

计算机20能够实现信号采集控制、信号显示和数据存储等功能，对接收的数据进行处理，提取信号特征，获得被测构件12的腐蚀信息。本发明中，所述的计算机20内还安装有带铁芯线圈探头的测试模块PT(Probe Test)；所述PT模块利用带铁芯线圈探头的时间常量(简称为带铁芯探头时间常量)τ_s与被检构件脉冲涡流扩散时间常量(简称为构件扩散时间常量)τ_e作比，当时，铁芯内脉冲涡流场对感应电压的影响可忽略不计，则基于带铁芯线圈探头的作用可近似成对检测信号的线性放大；当时，说明铁芯内脉冲涡流场对感应电压的影响较大，则该带铁芯线圈探头不适合对该被检构件进行脉冲涡流检测。

在带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统中，计算机20向脉冲激励源21输出触发信号，触发启动脉冲激励源21给带铁芯线圈探头10中的激励线圈2提供脉冲激励电流，产生脉冲强磁场；在所述脉冲磁场激励下，被检构件12中感应出脉冲涡流场，在带铁芯线圈探头10中的检测线圈3两端感应出电压信号；所述感应电压检测信号经数据采集卡22采集、处理后输出数字的脉冲涡流检测信号给计算机20，计算机20对接收到的感应电压检测信号进行处理后得到被检构件12的壁厚。

(一)带铁芯脉冲涡流检测线圈探头的制备方法(探头制备)

本发明中带铁芯的线圈探头横截面如图2A和图3所示，其中铁芯束1由许多根彼此绝缘的铁芯组成，带铁芯的线圈探头10的具体制备步骤为：

步骤A：选取直径足够小的圆柱形电工纯铁(即DT4)铁丝，用冷加工的方式切割成等长的小段。铁丝的直径越小，铁芯内涡流对信号的影响越小，选取铁丝的直径小于被检构件壁厚的倍为佳，每段铁丝长度为1～10cm。

步骤B：用锉刀和砂纸仔细打磨掉图2A、图3中每根铁芯端部的毛刺和锋利边缘，清洁每根铁芯的表面。

步骤C：在每根铁芯表面和端部刷上一层均匀的绝缘漆，晾干。

步骤D：将加工好的单根铁芯如图2A和图3所示紧密排列，组成一个大的圆柱状铁芯束或者矩形铁芯束，并使铁芯间的空气隙尽可能小，最后粘牢固定。

步骤E：用铜漆包线在铁芯外分层、有序、紧密缠绕圆柱形或矩形激励线圈2。

步骤F：用铜漆包线在激励线圈2外分层、有序、紧密缠绕圆柱形或矩形检测线圈3。

(二)带铁芯脉冲涡流检测线圈探头的测试方法(探头测试)

脉冲涡流检测线圈中加入铁芯束后，一方面增加了激励线圈2的电感，使脉冲激励电流下降沿变缓；另一方面脉冲激励电流关断后铁芯束内感应出的涡流，会对检测信号产生影响。在实施脉冲涡流检测前，须对带铁芯的线圈探头的检测能力范围进行测试。在本发明中，采用带铁芯探头的时间常量τ_s(单位为s)来衡量线圈探头中加入铁芯束后对检测信号的影响，对τ_s的测量步骤为：

A)将本发明的带铁芯的线圈探头10置于空气中，不放置被检构件12；

B)在激励线圈2的一端串联一个0.1Ω的电流采样电阻；

C)在激励线圈2中持续通入稳定电流I₀(单位为A)，在t＝0时刻，迅速关断激励电流，此时，会在激励线圈中形成从I₀开始近似指数衰减的脉冲激励电流下降沿；

D)通过采集电流采样电阻两端的感应电压，得到如图4所示的激励电流下降沿波形；

E)测量出图4中所示激励电流下降沿时间t_off(单位为s)，即激励电流从稳态值I₀开始下降到稳态值的e^-3(自然对数的底e取值2.72)倍所需要的时间；在本发明中，带铁芯探头的时间常量τ_s与激励电流下降沿时间t_off满足关系为

在测量出带铁芯线圈探头的时间常量τ_s后，就可以确定该线圈探头的检测能力范围了。

对于导电、导磁的被检构件，可以用被检构件脉冲涡流扩散时间常量(简称为构件扩散时间常量)τ_e(单位为s)来衡量构件内脉冲涡流的扩散时间快慢，其中，磁导率μ＝μ_rμ₀，μ₀为真空磁导率，μ_r为被检构件的相对磁导率，单位为H/m；σ为被检构件的电导率，单位为S/m；d为被检构件的壁厚，单位为m，π取值3.14。

F)对于不同的被检构件，将构件扩散时间常量τ_e与带铁芯探头的时间常量τ_s相比，在满足不等式τ_e≥10τ_s(即)的条件下，利用本发明设计的带铁芯的线圈探头对被检构件进行脉冲涡流检测时，铁芯内脉冲涡流对感应电压检测信号的影响可忽略不计(即不考虑)，此时，本发明设计的带铁芯的线圈探头对感应电压检测信号的作用为线性放大，即感应电压检测信号具有被近似线性放大的效果。

在本发明中，尽量减小带铁芯线圈探头的时间常量τ_s，可以使铁芯内脉冲涡流对检测信号的影响更小，探头的适用范围更广。其中减小探头时间常量的一个方法是，减小单根铁芯的直径，直径越小，单根铁芯内脉冲涡流的扩散时间越短，铁芯束内涡流的作用消除得越快，得到的脉冲激励电流下降沿衰减越快。

(三)带铁芯线圈探头对带包覆层构件的脉冲涡流检测方法(构件检测)

在本发明中，按照探头制备中步骤制备好带铁芯的线圈探头后，再按照探头测试中步骤对探头进行测试，得到探头的时间常量τ_s，然后按如下步骤实施脉冲涡流检测：

检测步骤一：将本发明的带铁芯的线圈探头置于被检构件包覆层上方，如图2所示；

检测步骤二：激励线圈2的两端接入脉冲电流激励源，检测线圈3的两端接入数据采集卡；，

检测步骤三：脉冲电流激励源往激励线圈中输出持续脉宽为10～5000ms，幅值为0.1～20A的稳定电流I₀(单位为A)，在t＝0时，关断激励电流，得到如图4所示的脉冲激励电流下降沿；

检测步骤四：用数据采集卡采集激励电流关断后，检测线圈3两端的感应电压；

检测步骤五：通过采集到的感应电压时域信号，利用计算机20反演得到被检构件的壁厚，从而对构件的腐蚀情况做出评价。

在本发明中，选用的数据采集卡为美国国家仪器公司(NI)生产的PCI-6010。

实施例1

下面给出一个用本发明中带铁芯线圈探头对带包覆层钢管实施脉冲涡流检测的实例。检测对象是外直径为180.0mm，壁厚d为11.0mm的20#钢管，钢管的电导率σ为4MS/m，相对磁导率μ_r为300，管道外包覆层厚度为40mm。由可计算出被检钢管的脉冲涡流扩散时间常量τ_e＝18.5ms。

依据带铁芯线圈探头的测试方法，测得本发明设计的探头在空气中激励电流下降沿如图4中曲线，测得探头的时间常量τ_s＝0.28ms。可见，有成立，说明使用本发明设计的带铁芯线圈探头对该钢管实施脉冲涡流检测时，铁芯内脉冲涡流对检测信号的影响可忽略不计。

对空心探头与带铁芯探头(本发明的探头)的感应电压检测信号进行对比：

将空心探头和带铁芯探头按照构件检测中步骤进行脉冲涡流检测，得到如图5所示的感应电压时域信号对比曲线图。图中横轴表示时间(单位ms)，纵坐标表示感应电压(单位V)的对数，图中虚线表示空心探头测得的信号曲线，实线表示带铁芯探头测得的信号曲线。对比两条曲线可知，在空心探头中填充本发明中的铁芯束后，检测信号的强度约为空心时的5.6倍，且铁芯内脉冲涡流对信号的影响小，填充铁芯的作用可看成对检测信号的线性放大效果，在图5中半对数坐标系下，表现为曲线的向上平移。

Claims (5)

1.一种基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统，该系统包括有带铁芯线圈探头(10)、计算机(20)、脉冲激励源(21)和数据采集卡(22)，所述带铁芯线圈探头(10)由铁芯束(1)、激励线圈(2)和检测线圈(3)组成，其特征在于：铁芯束(1)设置在激励线圈(2)的中心部位，激励线圈(2)的外部是检测线圈(3)；

所述铁芯束(1)由多根铁芯(1A)构成；所述铁芯束(1)的长度为1～10cm；

所述带铁芯线圈探头(10)中的多根铁芯(1A)之间彼此绝缘紧密排列，所述铁芯(1A)的直径小于被检构件壁厚的

2.根据权利要求1所述的基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统，其特征在于：所述带铁芯线圈探头(10)中的多根铁芯(1A)为圆周排列。

3.根据权利要求1所述的基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统，其特征在于：所述带铁芯线圈探头(10)中的多根铁芯(1A)为四边形排列。

4.一种应用权利要求1所述的基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统进行探头测试的方法，其特征在于有下列步骤：

A)将带铁芯线圈探头(10)置于空气中，不放置被检构件；

B)在激励线圈的一端串联一个0.1Ω的电流采样电阻；

C)在激励线圈中持续通入稳定电流I₀，在t＝0时，关断激励电流，此时，会在激励线圈中形成从I₀开始近似指数衰减的脉冲激励电流下降沿；

D)通过采集电流采样电阻两端的感应电压，得到激励电流下降沿波形；

E)测量出激励电流下降沿时间t_off，且带铁芯线圈探头(10)的时间常量τ_s与激励电流下降沿时间t_off满足关系为

F)对于不同的被检构件，将构件扩散时间常量τ_e与带铁芯线圈探头(10)的时间常量τ_s相比，在满足不等式τ_e≥10τ_s的条件下，利用带铁芯线圈探头(10)对被检构件进行脉冲涡流检测时，铁芯内脉冲涡流对感应电压检测信号的影响不考虑，此时，所述带铁芯线圈探头(10)对感应电压检测信号的作用为线性放大。

5.一种应用权利要求1所述的基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统进行脉冲涡流检测的方法，其特征在于有下列步骤：

检测步骤一：将带铁芯线圈探头(10)置于被检构件包覆层上方；

检测步骤二：激励线圈的两端接入脉冲电流激励源，检测线圈的两端接入数据采集卡；

检测步骤三：脉冲电流激励源往激励线圈中输出持续脉宽为10～5000ms，幅值为0.1～20A的稳定电流I₀，在t＝0时，关断激励电流，得到脉冲激励电流下降沿；

检测步骤四：用数据采集卡采集激励电流关断后，检测线圈两端的感应电压；

检测步骤五：通过采集到的感应电压时域信号，利用计算机反演得到被检构件的壁厚，从而对构件的腐蚀情况做出评价。