CN104914157B - 一种用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，包含：电磁探头，伸入微小空间内；主激励线圈，平行设置在金属工件表面上方，位于微小空间的出口周围区域；激励信号单元，与主激励线圈连接，产生激励磁场以在微小空间内表面感应出涡电流，涡电流遇到缺陷后流动方向变化，产生与激励磁场相垂直的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，并被电磁探头感应检测到；控制单元，分别与激励信号单元以及电磁探头相连接，控制激励信号单元产生激励信号，并接收处理由电磁探头感应检测到的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，形成微小空间内的缺陷图像和位置形状报告。本发明能够进入普通涡流检测探头难以进入的多种结构狭窄及复杂的空间内部，并进行高精度的缺陷检测。

Description

一种用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置

技术领域

本发明涉及一种缺陷无损检测装置，具体是指一种用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置。

背景技术

现有技术中，一些关键且形状复杂的金属部件，如发动机叶片、飞机机身等表面或亚表面出现的裂纹或缺陷，可能导致引擎失效甚至飞机失事。为了评估设备结构的安全，在设备检测时要求获得复杂金属结构表面裂纹等缺陷的数量、位置和形状信息。但是传统的磁粉检测、渗透检测等方法对缺陷的定量检测能力不高，不能获得缺陷的形状信息。

当前广泛采用的涡流检测是一种遵循电磁感应原理的无损检测技术。通有交变电流的激励线圈在导体材料中产生一次磁场，该磁场在导体表面感应出涡电流，感应涡电流会产生反射磁场。存在裂纹等缺陷的导体与正常的导体，在受到相同线圈磁场激励情况下，所产生的涡电流的流动情况会受到导体内部缺陷的影响而发生变化，因此所产生的反射磁场也不同，导致检测到的电磁信号发生变化。据此就可以判断导体材料缺陷的存在与否及缺陷的严重程度。

传统的单线圈检测探头只能检测导体表面一定范围内的缺陷。对于一些狭窄空间，如螺栓孔、细管道、部件接缝、板层间隙等部位，由于空间小且狭窄，通常的涡流探头难以进入。又由于这些狭小空间内部的缺陷距离导体表面较远，采用传统涡流探头则会使得检测灵敏度较低，因此容易造成漏检。一方面，这些狭窄部位往往是应力集中部位，容易出现疲劳裂纹；另一方面，这些狭窄部位容易积存水汽、酸液而形成腐蚀缺陷。而这些往往是整个设备中的关键部位，如飞机发动机的叶片、飞机机身铆接结构、汽轮机、核电站热交换管道、汽车发动机、转子的燕尾槽、齿轮等各种形状复杂的机械部件。因此需要对传统的涡流检测探头进行改进来解决上述问题，以保障设备安全运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，能够进入普通涡流检测探头难以进入的多种结构狭窄及复杂的空间内部，并进行高精度的缺陷检测。

为实现上述目的，本发明提供一种用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，对金属工件表面的微小空间内的缺陷进行检测，获得该缺陷的位置和形状信息；该缺陷无损检测装置包含：电磁探头，其伸入微小空间内部；主激励线圈，其平行设置在金属工件的表面上方，且位于微小空间的出口周围区域；激励信号单元，其与所述的主激励线圈相连接，用于产生激励信号并加载至主激励线圈，该主激励线圈通电后，在其周围产生激励磁场，该激励磁场在微小空间的内表面感应出涡电流，该涡电流遇到微小空间内表面上的缺陷后，流动方向发生变化，在微小空间内的缺陷周围产生与激励磁场方向相垂直的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，并被电磁探头感应并检测到；控制单元，其分别与所述的激励信号单元以及电磁探头相连接，用于控制激励信号单元产生激励信号，并接收处理由电磁探头感应检测到的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，形成微小空间内的缺陷的图像，以及缺陷的位置形状报告。

所述的缺陷无损检测装置还包含：直流电源，其与所述的控制单元以及电磁探头相连接，提供工作电源；存储单元，其与所述的控制单元相连接，用于存储由电磁探头感应检测到的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，以及由控制单元形成的缺陷的图像和位置形状报告；显示单元，其与所述的控制单元相连接，用于显示由电磁探头感应检测到的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，以及由控制单元形成的缺陷的图像和位置形状报告。

所述的主激励线圈为空心圆柱形线圈，其截面呈矩形；或者所述的主激励线圈为空心长方体形线圈，其截面呈矩形。

在本发明的一个优选实施例中，所述的电磁探头为多段可弯曲的分支结构，其适用的微小空间是直径小于5mm的圆形孔洞，或是直径小于5mm且内部存在弯曲结构的圆形孔洞；该电磁探头包含：多个依次连接的电磁探头分支，每个电磁探头分支分别与所述的直流电源相连接；多个连接关节，相邻两个电磁探头分支之间通过该连接关节相连接；视觉辅助系统，其设置在电磁探头最前端的电磁探头分支的头部处。

所述的电磁探头分支包含：至少一个磁传感器，其设置在电磁探头分支的前端，与所述的控制单元相连接，将感应检测到的缺陷感应磁场信号发送至控制单元；第一辅助激励线圈，其设置在电磁探头分支的中部，与所述的激励信号单元相连接，以加强激励磁场的信号。

所述的视觉辅助系统包含照明灯以及微型摄像头，该微型摄像头与所述的控制单元相连接，将拍摄到的圆形孔洞的内部结构发送至控制单元。

所述的连接关节具有微机电控制组件，其与所述的控制单元相连接，根据微型摄像头拍摄到的圆形孔洞的内部结构控制对应的连接关节弯曲旋转。

在本发明的另一个优选实施例中，所述的电磁探头为柔性薄膜结构，其适用的微小空间是窄槽、金属工件间的缝隙、金属工件因疲劳而断裂形成的断口和裂纹，该电磁探头包含：柔性薄膜，其采用柔性PCB，或弹性橡胶的绝缘材料制成；感测线圈，其经防水绝缘处理后设置在所述的柔性薄膜上，分别与控制单元以及激励信号单元相连接，将感应检测到的线圈阻抗信号发送至控制单元；第二辅助激励线圈，其设置在所述的柔性薄膜上，与激励信号单元相连接，以加强激励磁场的信号。

所述的感测线圈以平面阵列的形式由铜导线覆设在柔性薄膜上，或以平面阵列的形式采用PCB技术印制在柔性薄膜上。

所述的电磁探头还包含耐磨层，其覆盖设置在所述的柔性薄膜以及感测线圈的外部。

综上所述，本发明所提供的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，能够进入普通涡流检测探头难以进入的多种结构狭窄及复杂的空间内部，并进行高精度的缺陷检测，有效解决了现有技术中因缺陷空间微小或距离金属工件表面较远而检测精度低甚至无法检测的难题。

附图说明

图1为本发明中的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置的结构示意图；

图2为本发明中的呈多段可弯曲的分支结构的电磁探头的结构示意图；

图3为本发明中的呈柔性薄膜结构的电磁探头的结构示意图；

图4A为本发明中的呈空心圆柱形的主激励线圈的结构示意图；图4B为本发明中的呈空心长方体形的主激励线圈的结构示意图；

图5A为本发明中的呈多段可弯曲的分支结构的电磁探头在一个实施例中的检测原理图；图5B为图5A中的在缺陷周围所产生的磁场与涡电流的放大示意图；

图6A为本发明中的呈多段可弯曲的分支结构的电磁探头在另一个实施例中的金属工件俯视图；图6B为图6A沿A-B方向的剖面图；

图7A为本发明中的呈柔性薄膜结构的电磁探头在一个实施例中的金属工件俯视图；图7B为图7A沿A-B方向的剖面图；图7C为本发明中的呈柔性薄膜结构的电磁探头的检测原理图；

图8为本发明中的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置的功能流程图。

具体实施方式

以下结合图1～图8，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明所提供的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，对金属工件101表面的微小空间103内的缺陷104进行检测，获得该缺陷104的位置和形状信息；该缺陷无损检测装置100包含：电磁探头105，其伸入微小空间103内部；主激励线圈102，其平行设置在金属工件101的表面上方，且位于微小空间103的出口周围区域；激励信号单元110，其与所述的主激励线圈102相连接，用于产生激励信号并加载至主激励线圈102，该主激励线圈102通电后，在其周围产生激励磁场，该激励磁场在微小空间103的内表面感应出涡电流，该涡电流遇到微小空间103内表面上的缺陷104后，流动方向发生变化，在微小空间103内的缺陷104周围产生与激励磁场方向相垂直的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，并被电磁探头105感应并检测到；控制单元111，其分别与所述的激励信号单元110以及电磁探头105相连接，用于控制激励信号单元110产生激励信号，并接收处理由电磁探头105感应检测到的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，包括去噪和图像处理等，形成微小空间103内的缺陷104的图像，以及缺陷104的位置形状报告。

所述的缺陷无损检测装置100还包含：直流电源112，其与所述的控制单元111以及电磁探头105相连接，提供工作电源；存储单元，其与所述的控制单元111相连接，用于存储由电磁探头105感应检测到的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，以及由控制单元111形成的缺陷104的图像和位置形状报告；显示单元，其与所述的控制单元111相连接，用于显示由电磁探头105感应检测到的缺陷感应磁场或线圈阻抗信号，以及由控制单元111形成的缺陷104的图像和位置形状报告。

如图4A所示，所述的主激励线圈102为空心圆柱形线圈，其截面呈矩形；该主激励线圈102加载激励信号通电后产生激励磁场，在金属工件101的微小空间103内表面感应出环绕涡电流。

如图4B所示，所述的主激励线圈102为空心长方体形线圈，其截面呈矩形；该主激励线圈102加载激励信号通电后产生激励磁场，在金属工件101的微小空间103内表面感应出环绕涡电流。

在本发明的一个优选实施例中，如图2所示，所述的电磁探头105为多段可弯曲的分支结构，其适用的微小空间是直径小于5mm的圆形孔洞，或是直径小于5mm且内部存在弯曲结构的圆形孔洞；该电磁探头105包含：多个依次连接的电磁探头分支206，每个电磁探头分支206分别与所述的直流电源112相连接；多个连接关节203，相邻两个电磁探头分支206之间通过该连接关节203相连接；视觉辅助系统，其设置在电磁探头105最前端的电磁探头分支206的头部202处。

所述的电磁探头分支206包含：至少一个磁传感器205，其设置在电磁探头分支206的前端，与所述的控制单元111相连接，将感应检测到的缺陷感应磁场信号发送至控制单元111；第一辅助激励线圈204，其设置在电磁探头分支206的中部，与所述的激励信号单元110相连接，当缺陷104所处位置远离位于金属工件101表面上方的主激励线圈102时，仅靠主激励线圈102产生的激励磁场将无法进行检测或检测信号极其微弱，此时控制单元111将控制激励信号单元110产生辅助激励信号并加载至第一辅助激励线圈204，该第一辅助激励线圈204通电后，直接在圆形孔洞的内部产生辅助激励磁场，对主激励线圈102起到辅助补充作用。

所述的连接关节203具有微机电控制组件，其与所述的控制单元111相连接，根据控制单元111的指令分别控制对应的连接关节203弯曲旋转，以使得整个电磁探头105能进入到圆形孔洞的深处，或者进入到圆形孔洞的弯曲结构内部。

所述的视觉辅助系统包含照明灯以及微型摄像头，该微型摄像头与所述的控制单元111相连接，将拍摄到的圆形孔洞的内部结构发送至控制单元111，使该控制单元111依据圆形孔洞的内部结构向各个微机电控制组件发出指令使得对应的连接关节203弯曲旋转。

如图5A和5B所示，本实施例中所述的微小空间是直径小于5mm的圆形孔洞103’（如细小螺栓孔等），此时普通涡流检测探头难以进入，而且由于缺陷104距离金属工件101的表面较远，采用普通涡流检测探头在金属工件101的表面进行检测将难以实施或检测灵敏度较低；因此需要采用本发明所提供的多段可弯曲的分支结构的电磁探头进行检测。其中，图5A是空心圆柱形主激励线圈通电后，在该主激励线圈周围产生的激励磁场与涡电流的示意图；图5B是放大后的圆形孔洞103’内表面上缺陷104周围产生的涡电流与缺陷感应磁场的示意图。

在具体的检测过程中，将呈多段可弯曲的分支结构的电磁探头105伸入圆形孔洞103’内，此时需要含有照明灯和微型摄像头的视觉辅助系统的帮助，通过控制各个连接关节203的微机电控制组件，适当调整电磁探头105的行进路线以便深入狭窄空间内部。由于在位于圆形孔洞103’的外部上方设置有主激励线圈102，其在激励电流信号的作用下，产生激励磁场106，该激励磁场106又在圆形孔洞103’的内表面感应出环绕孔壁的涡电流107；此时如果发现激励磁场106信号较弱时，可通过激励信号单元110启动第一辅助激励线圈204，直接在圆形孔洞103’的内部产生辅助激励磁场，增加涡电流107的密度；当该涡电流107遇到圆形孔洞103’内表面上的缺陷104后，其流动方向发生变化，进而产生环绕缺陷104的涡电流108，该环绕缺陷104的涡电流108将会在缺陷104周围产生与激励磁场106相垂直的缺陷感应磁场109，进而被距离缺陷104最近的电磁探头分支206内的磁传感器205感测到，其采集该缺陷感应磁场109的磁场信号并发送至控制单元111，在经过去噪、图像分析处理等步骤之后，形成圆形孔洞103’内部的缺陷图像以及缺陷位置形状报告，并通过存储单元保存以及显示单元显示。

如图6A和6B所示，本实施例中所述的微小空间是直径小于5mm且内部存在弯曲结构的圆形孔洞103”。其中，图6A是表面具有圆形孔洞103”的金属工件101的俯视图；图6B是图6A中沿A-B方向的剖面图。在具体的检测过程中，本实施例的整个检测步骤和流程与前述图5A、5B所示的实施例基本相同，只是在将呈多段可弯曲的分支结构的电磁探头105伸入圆形孔洞103’内的过程中，需要更好的实时控制各个连接关节203的微机电控制组件，以实时调整各个连接关节203弯曲旋转，从而使得整个电磁探头105能沿着圆形孔洞103”内的弯曲结构顺利进入。

在本发明的另一个优选实施例中，如图3所示，所述的电磁探头105为柔性薄膜结构，其适用的微小空间是窄槽、金属工件间的缝隙、金属工件因疲劳而断裂形成的断口和裂纹，该电磁探头105包含：柔性薄膜301，其采用柔性PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板），或弹性橡胶或其他绝缘材料制成；感测线圈302，其经过防水绝缘处理后设置在所述的柔性薄膜301上，分别与控制单元111以及激励信号单元110相连接，将感应检测到的线圈阻抗信号发送至控制单元111；第二辅助激励线圈，其设置在所述的柔性薄膜301上，与激励信号单元110相连接，以加强激励磁场的信号。

所述的感测线圈302以平面阵列的形式由铜导线覆设在柔性薄膜301上，或以平面阵列的形式采用PCB技术印制在柔性薄膜301上，从而保持整个呈柔性薄膜结构的电磁探头的扁平与柔性。

所述的电磁探头105还包含耐磨层，其覆盖设置在所述的柔性薄膜301以及感测线圈302的外部，起到保护作用。

如图7A、7B和7C所示，本实施例中所述的微小空间是位于金属工件701表面的窄缝702。由于窄缝702的开口宽度及内部间距都非常小，一般的普通涡流检测探头难以深入其内部进行检测，因此采用本发明所提供的柔性薄膜结构的电磁探头进行检测。其中，图7A是表面具有窄缝702的金属工件701的俯视图；图7B是图7A中沿A-B方向的剖面图；图7C是采用柔性薄膜结构的电磁探头对窄缝702内表面上的缺陷703进行检测的示意图。在具体的检测过程中，本实施例的整个检测步骤和流程与前述图5A、5B所示的实施例基本相同，将呈柔性薄膜结构的电磁探头105从窄缝702的开口处放入其内部，虽然窄缝内部可能极不平整，但是由于该电磁探头105本身既薄又柔软，因此能够与窄缝702的内表面紧密接触，减少检测过程中的干扰。随后启动主激励线圈102，根据与上述实施例中相同的原理，使得感测线圈302感应检测到线圈阻抗信号，并将该信号发送至控制单元111，从而形成窄缝702内部的缺陷图像以及缺陷位置形状报告。其中，在发现激励磁场信号较弱时，不仅能够通过激励信号单元110启动第二辅助激励线圈来增加涡电流的密度，还能够直接采用感测线圈302来进一步补充激励磁场的信号。

如图8所示，本发明所提供的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，在具体检测过程中，首先需要根据被检测的金属工件上的微小空间的类型来选择对应的合适的电磁探头。对于呈圆孔状的，较深且内部可能存在弯曲结构的微小空间，选用多段可弯曲的分支结构的电磁探头；对于开口较长、间距较小且内表面不平整的窄缝式微小空间，选用柔性薄膜结构的电磁探头。在将电磁探头伸入微小空间内部之后启动主激励线圈，并通过适当调整主激励线圈的位置以获得最佳激励磁场信号。万一发生因缺陷远离主激励线圈导致激励磁场信号不足时，可启动辅助激励线圈进行补充和加强，直接在微小空间内产生辅助激励磁场。电磁探头依据激励磁场而产生的涡电流进行检测，并将感应检测到的缺陷感应磁场信号或线圈阻抗信号发送至控制单元进行处理，从而形成包含位置、方向、形状以及深度等信息的缺陷报告并加以显示。

综上所述，本发明所提供的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，能够进入普通涡流检测探头难以进入的多种结构狭窄及复杂的空间内部，并进行高精度的缺陷检测，有效解决了现有技术中因缺陷空间微小或距离金属工件表面较远而检测精度低甚至无法检测的难题。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，对金属工件（101）表面的微小空间（103）内的缺陷（104）进行检测，获得该缺陷（104）的位置和形状信息；包含：

电磁探头（105），其伸入微小空间（103）内部；

主激励线圈（102），其平行设置在金属工件（101）的表面上方，且位于微小空间（103）的出口周围区域；

激励信号单元（110），其与所述的主激励线圈（102）相连接，用于产生激励信号并加载至主激励线圈（102），该主激励线圈（102）通电后，在其周围产生激励磁场，该激励磁场在微小空间（103）的内表面感应出涡电流，该涡电流遇到微小空间（103）内表面上的缺陷（104）后，流动方向发生变化，在微小空间（103）内的缺陷（104）周围产生与激励磁场方向相垂直的缺陷感应磁场，或通过感应微小空间（103）内的缺陷（104）产生线圈阻抗信号，并被电磁探头（105）感应并检测到；

控制单元（111），其分别与所述的激励信号单元（110）以及电磁探头（105）相连接，用于控制激励信号单元（110）产生激励信号，并接收处理由电磁探头（105）感应检测到的缺陷感应磁场，或通过感应缺陷（104）产生的线圈阻抗信号，形成微小空间（103）内的缺陷（104）的图像，以及缺陷（104）的位置形状报告。

2.如权利要求1所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的缺陷无损检测装置（100）还包含：

直流电源（112），其与所述的控制单元（111）以及电磁探头（105）相连接，提供工作电源；

存储单元，其与所述的控制单元（111）相连接，用于存储由电磁探头（105）感应检测到的缺陷感应磁场，或通过感应缺陷（104）产生的线圈阻抗信号，以及由控制单元（111）形成的缺陷（104）的图像和位置形状报告；

显示单元，其与所述的控制单元（111）相连接，用于显示由电磁探头（105）感应检测到的缺陷感应磁场，或通过感应缺陷（104）产生的线圈阻抗信号，以及由控制单元（111）形成的缺陷（104）的图像和位置形状报告。

3.如权利要求2所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的主激励线圈（102）为空心圆柱形线圈，其截面呈矩形；或者所述的主激励线圈（102）为空心长方体形线圈，其截面呈矩形。

4.如权利要求3所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的电磁探头（105）为多段可弯曲的分支结构，其适用的微小空间是直径小于5mm的圆形孔洞，或是直径小于5mm且内部存在弯曲结构的圆形孔洞；该电磁探头（105）包含：

多个依次连接的电磁探头分支（206），每个电磁探头分支（206）分别与所述的直流电源（112）相连接；

多个连接关节（203），相邻两个电磁探头分支（206）之间通过该连接关节（203）相连接；

视觉辅助系统，其设置在电磁探头（105）最前端的电磁探头分支（206）的头部（202）处。

5.如权利要求4所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的电磁探头分支（206）包含：

至少一个磁传感器（205），其设置在电磁探头分支（206）的前端，与所述的控制单元（111）相连接，将感应检测到的缺陷感应磁场信号发送至控制单元（111）；

第一辅助激励线圈（204），其设置在电磁探头分支（206）的中部，与所述的激励信号单元（110）相连接，以加强激励磁场的信号。

6.如权利要求5所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的视觉辅助系统包含照明灯以及微型摄像头，该微型摄像头与所述的控制单元（111）相连接，将拍摄到的圆形孔洞的内部结构发送至控制单元（111）。

7.如权利要求6所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的连接关节（203）具有微机电控制组件，其与所述的控制单元（111）相连接，根据微型摄像头拍摄到的圆形孔洞的内部结构控制对应的连接关节（203）弯曲旋转。

8.如权利要求3所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的电磁探头（105）为柔性薄膜结构，其适用的微小空间是窄槽、金属工件间的缝隙、金属工件因疲劳而断裂形成的断口和裂纹，该电磁探头（105）包含：

柔性薄膜（301），其采用柔性PCB，或弹性橡胶的绝缘材料制成；

感测线圈（302），其经防水绝缘处理后设置在所述的柔性薄膜（301）上，分别与控制单元（111）以及激励信号单元（110）相连接，将通过感应缺陷（104）产生并检测到的线圈阻抗信号发送至控制单元（111）；

第二辅助激励线圈，其设置在所述的柔性薄膜（301）上，与激励信号单元（110）相连接，以加强激励磁场的信号。

9.如权利要求8所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的感测线圈（302）以平面阵列的形式由铜导线覆设在柔性薄膜（301）上，或以平面阵列的形式采用PCB技术印制在柔性薄膜（301）上。

10.如权利要求9所述的用于金属结构微小空间内的缺陷无损检测装置，其特征在于，所述的电磁探头（105）还包含耐磨层，其覆盖设置在所述的柔性薄膜（301）以及感测线圈（302）的外部。