CN105116049A - 涡电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡电流检测方法，所述方法包括：在待测试样旁设置激励线圈；将一无缺陷的导体试样置于小永磁体与激励线圈之间，测得小永磁体受到的第一反作用力；导体试样中缺陷部位经过小永磁体与激励线圈之间的电磁敏感区时，通过测力传感器测得小永磁体受到的第二反作用力，从而得到第一反作用力变化量，通过第一反作用力变化量的分析获得缺陷信息；在对试样的测试过程中，激励线圈与导体试样间的距离从第一距离增加为第二距离，测力传感器测得小永磁体受到第三反作用力，从而得到第二反作用力变化量，与第一反作用力变化量进行分析，将提离效应与缺陷引起的反作用力变化量信号进行区分。本发明涡电流检测方法，测量过程简单，准确度高。

Description

涡电流检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，尤其涉及一种涡电流检测方法。

背景技术

管、线材和薄板类等金属材料可能由于原材料和制备工艺的原因含有杂质(如氧化物、硫化物颗粒等)孔穴、裂纹等缺陷，这将严重影响材料的使役性能。因此,开发有效简便、非接触、无损检测方法十分必要,且具有重要的、现实的国民经济和国防科技意义。

针对以上问题，现有的方法如：超声、射线、渗透等方法都有其局限性。其中涡流检测灵敏度高、操作方便、速度快且耗费低而应用广泛。现有的涡流检测法是基于电磁感应原理，以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法。如图1a所示：激励线圈1通入电流I后将产生交变磁场B；当激励线圈1与试件2距离为一定值L时，交变磁场B在试件2中感生出涡电流j₀；涡电流j₀产生第二磁场B′₀；第二磁场B′₀作用于检测线圈3并使其阻抗发生改变。如图1b所示，当试件2中存在缺陷4时，涡电流将发生变化，设为j₁，进而感应出第二磁场B′₁，最终引起检测线圈3的阻抗发生变化。因此，在保持其他条件不变的情况下，可通过监测检测线圈3阻抗的变化获得缺陷4的特征，此即涡流检测法的基本原理。

在现有涡流检测法中，检测探头与被检测试件之间的距离变化称之为提离(lift-off)。如图2a所示：激励线圈1与试件2提离量为一定值L。相对于图2a当激励线圈与试件的提离发生改变时，如图2b所示，有Δx的变化量，由电磁学基本原理可知：在激励线圈与试件提离发生改变的过程中，试件中的涡流也发生变化，如图2b所示：由j₀变为j₂，进而第二磁场由B′₀变为B′₂，最终引起检测线圈3中的阻抗的变化。因此在现有涡流检测中，即使其他条件不变，提离量的改变也会使涡流检测的输出信号发生变化，这一现象称之为：提离效应。

由图1a-图1b中涡流检测原理示意图可知，现有涡流检测方法是通过对检测线圈3阻抗变化信息的分析来获得缺陷的特征，但缺陷的存在或提离效应均能导致检测线圈3的阻抗发生变化，由于阻抗为标量，因此无法通过阻抗大小的变化来完全追溯导致阻抗变化的不同原因。在对试件探测时，提离效应的干扰是最大的，也是普遍存在的，在多数情况下，提离效应引起线圈阻抗的变化往往大于裂纹或别的缺陷的影响，因此会强烈地干扰检测结果。因此，国内外对避免和改善提离效应进行了大量研究，但目前提出的各类方法均存在一定局限性，无法较好解决提离效应对检测结果的干扰。此外，现有涡流检测法是通过检测线圈的阻抗变化来获得缺陷的特征，由于阻抗是标量这一特性决定了现有涡流检测方法的局限性：(1)信号解释困难，检测结果不够直观；(2)一般只能给出缺陷的有无，缺陷定位、定性、定量都比较困难；(3)对被检测对象的形状不敏感，这对检测诸如裂纹等细长类型的缺陷十分不利。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种涡电流检测方法，测量过程简单，准确度高。

为实现上述目的，本发明提供了一种涡电流检测方法，所述方法包括：

步骤1，在待测试样旁设置激励线圈，所述待测试样与励磁线圈的第一距离为L，在所述励磁线圈通入交变电流；

步骤2，将小永磁体与测力传感器相连接，所述小永磁体与激励线圈间形成电磁敏感区；

步骤3，将一无缺陷的导体试样置于小永磁体与激励线圈之间，通过测力传感器测得小永磁体受到的第一反作用力；

步骤4，导体试样中缺陷部位经过小永磁体与激励线圈之间的电磁敏感区时，通过测力传感器测得小永磁体受到的第二反作用力，从而得到所述第二反作用力与第一反作用力的第一反作用力变化量，通过所述第一反作用力变化量的分析获得缺陷信息；

步骤5，在对试样的测试过程中，激励线圈与导体试样间的距离从第一距离增加为第二距离，测力传感器测得小永磁体受到第三反作用力，从而得到所述第三反作用力与第一反作用力的第二反作用力变化量，与所述第一反作用力变化量进行分析，将提离效应与缺陷引起的反作用力变化量信号进行区分。

进一步的，所述步骤3中第一反作用力的各分量具体为F_x、F_y、F_z。

进一步的，所述步骤4中第二反作用力的各分量具体为(F_x+ΔF_x)、(F_y+ΔF_y)、(F_z+ΔF_z)。

进一步的，所述步骤4中第一反作用力变化量各分量具体为ΔF_x、ΔF_y、ΔF_z。

进一步的，所述步骤5中第三反作用力的各分量具体为(F_x+ΔF_x′)、(F_y+ΔF_y′)、(F_z+ΔF_z′)。

进一步的，所述步骤5中第二反作用力变化量的各分量具体为ΔF_x′、ΔF_y′、ΔF_z′。

本发明涡电流检测方法，测量过程简单，准确度高。

附图说明

图1a和图1b是现有涡电流方法的检测原理的示意图；

图2a和图2b是现有涡电流测量方法中提离效应的示意图；

图3是本发明涡电流检测方法的流程图；

图4a是本发明涡电流检测方法的示意图之一；

图4b是本发明涡电流检测方法的示意图之二；

图4c是本发明涡电流检测方法的示意图之三；

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明涡电流检测方法利用小永磁体取代现有涡流检测仪器中的检测线圈部分，并通过测力传感器测量小永磁体所受到的反作用力变化信号来分析待测试样内缺陷的新方法。通过本发明可以获知缺陷的信息更丰富，如可获知缺陷的形状、裂纹的形状等信息；通过检测原理部分分析可知：通过本发明方法可克服现有涡流方法中的提离效应干扰检测信号这一难题；现有涡电流方法中小尺寸线圈有利于提高检测精度，但受加工工艺限制线圈尺寸很难进一步减小，而本发明检测系统的主体——小永磁体不受加工限制并且可对小永磁体形状进行优化设计，小尺寸及特定形状小永磁体的使用可进而提高检测精度。

图3为本发明涡电流检测方法的流程图，如图所示，本发明具体包括如下步骤：

步骤101，如图4a所示，本发明涡电流检测方法示意图之一，在待测试样2旁设置激励线圈1，待测试样2与励磁线圈1的第一距离为L，在励磁线圈1通入交变电流；

步骤102，将小永磁体5与测力传感器相连接，小永磁体5与激励线圈1间形成电磁敏感区(磁场较强较为集中的区域)；

步骤103，将一无缺陷的导体试样2置于小永磁体5与激励线圈1之间，通过测力传感器测得小永磁体受到的第一反作用力；

具体的，第一反作用力的各分量具体为F_x、F_y、F_z。

步骤104，如图4b所示，本发明涡电流检测方法示意图之二，导体试样2中缺陷部位4经过小永磁体5与激励线圈1之间的电磁敏感区时，通过测力传感器测得小永磁体5受到的第二反作用力，从而得到第二反作用力与第一反作用力的第一反作用力变化量，通过第一反作用力变化量的分析获得缺陷信息；

具体的，第二反作用力的各分量具体为(F_x+ΔF_x)、(F_y+ΔF_y)、(F_z+ΔF_z)；第一反作用力变化量各分量具体为ΔF_x、ΔF_y、ΔF_z。

步骤105，如图4c所示，本发明涡电流检测方法示意图之三，在对试样的测试过程中，激励线圈1与导体试样2间的距离从第一距离l增加为第二距离L+Δx，即发生提离，测力传感器测得小永磁体受到第三反作用力，从而得到第三反作用力与第一反作用力的第二反作用力变化量，与第一反作用力变化量进行分析，将提离效应与缺陷引起的反作用力变化量信号进行区分，即克服了现有涡流中提离效应对检测结果的干扰。

具体的，第三反作用力的各分量具体为(F_x+ΔF_x′)、(F_y+ΔF_y′)、(F_z+ΔF_z′)；第二反作用力变化量的各分量具体为ΔF_x′、ΔF_y′、ΔF_z′。

本发明涡电流检测方法测试过程简单。

利用小块永磁体5取代检测线圈3。根据麦克斯韦的电磁场理论，采用小永磁体取代检测线圈，其电磁学原理的本质并未改变。待测试件中涡电流与小永磁体相互作用产生的电磁力(洛伦兹力)是作用于导体上，该电磁力是不可测的，然而，其作用在小永磁体上的电磁力的反作用力却是可测的，可通过测力传感器测得。根据牛顿第三定律作用力与反作用力为大小相等、方向相反的关系，可以很容易获得上述的电磁力。因而，可通过该反作用力的变化定量地、非直接接触地检测导体中缺陷的特征。

由于力为矢量，因此可同时测得该反作用力的各分量(F_x、F_y、F_z)，因此相对于现有涡电流中测量量—阻抗为标量，本发明获得的测量量信息更丰富，可以更准确地反应缺陷的特征，很好地解决了现有涡电流方法对检测对象的形状不敏感的缺点，同时也能克服提离效应对检测结果的干扰。

如图4a所示，激励线圈1在通入交变电流后产生交变磁场，当激励线圈与待测试样2距离L为一定值后，交变磁场渗透到待测试样2，根据法拉第电磁感应原理，在变化的磁场作用下待测试样2内部将产生感应电流，或称为涡电流。在距待测试样2一定距离处放置一小永磁体5，小永磁体5与待测试样2内部的感应涡电流相互作用会产生电磁力并作用于待测试样上。作用于待测试样上的电磁力是无法直接测量获得，但根据牛顿第三定律：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，因此可通过对作用于小永磁体上的反作用力的测量来获得电磁力信息。本发明中，作用于小永磁体5上的反作用力通过测力传感器测得，并可同时通过多个测力传感器测得反作用力的三个分量(F_x、F_y、F_z)。如图4b所示：当有缺陷4存在时，涡电流由j₀变化为j₁，最终小永磁体5受到的反作用力随之改变，此时测得反作用力为(F_x+ΔF_x)、(F_y+ΔF_y)、(F_z+ΔF_z)，与无缺陷时测得的反作用力分量F_x、F_y、F_z对比分析可获得缺陷4的信息。通过以上分析可知：本发明方法通过测力传感器测量小永磁体5所受到的反作用力变化量即可有效地获得缺陷4信息。

如图4c所示，虽然试件2中无缺陷存在，但当试件2与检测系统距离由L变化为L+Δx，即存在提离时，检测线圈1在试件2中感生出的涡电流变化为j₂，感应涡电流j₂与小永磁体5相互作用产生的反作用力也发生变化，变为(F_x+ΔF_x′)、(F_y+ΔF_y′)、(F_z+ΔF_z′)。但提离效应引起的反作用力各分量的变化ΔF_x′、ΔF_y′、ΔF_z′与缺陷4引起的反作用力各分量的变化ΔF_x、ΔF_y、ΔF_z是不同的，因此通过对小永磁体5所受到的反作用力各分量变化的解析，可将提离效应与缺陷4两者引起的信号区分开，也即解决了现有涡电流检测方法中提离效应对检测信号干扰这一难题，提高了检测精度。

本发明具有以下特点和优点：

1、本发明方法继承并发展了现有涡电流法的相关优点，广泛地适用于线材、管材以及薄板类的导体中缺陷的检测。本发明方法在测量过程中，待测导体与测量仪并无直接机械接触，仍是一种无损检测方法，且只需测量力及其变化，因此测量过程方便简单，简化了测量条件、测量过程和测量成本，因此可以大大简化测量设备，易于实现自动化和小型化；

2、本发明方法相对于现有涡电流法，用小永磁体取代检测线圈并增加测力传感器。在测量过程中，检测的关键部件为小永磁体。相对现有涡电流检测方法中检测线圈尺寸受加工工艺限制而极难微型化，小永磁体则可突破此限制，此外，可对小永磁体的材料、形状进行优化选择和设计，而采用小尺寸及特定形状的小永磁体检测探头可进一步地提高检测精度；

3、相对于现有涡电流检测方法中检测量阻抗为标量，本发明方法在测量过程中，测量量—小永磁体所受的反作用力为矢量，其各分量均能通过测力传感器测得，因此获得的测量量信息更丰富、更为精确。通过对反作用力分量(F_x、F_y、F_z)的解析，可获得缺陷尺寸、形状等信息，也可有效克服提离效应对检测结果的干扰。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种涡电流检测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，在待测试样旁设置激励线圈，所述待测试样与励磁线圈的第一距离为L，在所述励磁线圈通入交变电流；

步骤2，将小永磁体与测力传感器相连接，所述小永磁体与激励线圈间形成电磁敏感区；

步骤3，将一无缺陷的导体试样置于小永磁体与激励线圈之间，通过测力传感器测得小永磁体受到的第一反作用力；

步骤4，导体试样中缺陷部位经过小永磁体与激励线圈之间的电磁敏感区时，通过测力传感器测得小永磁体受到的第二反作用力，从而得到所述第二反作用力与第一反作用力的第一反作用力变化量，通过所述第一反作用力变化量的分析获得缺陷信息；

步骤5，在对试样的测试过程中，激励线圈与导体试样间的距离从第一距离增加为第二距离，测力传感器测得小永磁体受到第三反作用力，从而得到所述第三反作用力与第一反作用力的第二反作用力变化量，与所述第一反作用力变化量进行分析，将提离效应与缺陷引起的反作用力变化量信号进行区分，即克服了现有涡流法中提离效应对检测结果的干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中第一反作用力的各分量具体为F_x、F_y、F_z。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中第二反作用力的各分量具体为(F_x+ΔF_x)、(F_y+ΔF_y)、(F_z+ΔF_z)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中第一反作用力变化量各分量具体为ΔF_x、ΔF_y、ΔF_z。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤5中第三反作用力的各分量具体为(F_x+ΔF_x′)、(F_y+ΔF_y′)、(F_z+ΔF_z′)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5中第二反作用力变化量的各分量具体为ΔF_x′、ΔF_y′、ΔF_z′。