CN107505388B - 一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头及检测方法，该探头包括磁饱和线圈、脉冲涡流激励线圈和检出线圈，其中磁饱和线圈为直径较大的平面螺旋线圈，脉冲涡流激励线圈及检出线圈为等直径平面螺旋线圈；将这三个线圈同轴心累加，层间用绝缘层隔开，并用外绝缘层密封，形成柔性磁饱和脉冲涡流探头；强电压脉冲信号施加给磁饱和线圈，产生强磁场并将被测铁磁性试件饱和，同时低电压脉冲信号通入脉冲涡流激励线圈，脉冲涡流检出线圈测得检出电压信号，实现厚板内面缺陷检测；本发明相对于常规脉冲涡流探头，提升了对铁磁性材料的检测深度，同时适用于对具有复杂表面的结构的无损检测；解决了常规大型磁饱和装置中存在的便携性差、对弯曲表面适用性差的问题。

Description

一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头及检测方法

技术领域

本发明涉及一种电磁无损检测探头及系统，具体涉及一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头及检测方法。

背景技术

日本福岛核电站堆芯熔毁事故凸显了核电结构安全的重要性。除全电源丧失可能导致堆芯无法冷却而引发堆芯事故外，冷却所必需的大量核级管道的局部减薄等缺陷的发生和发展也可能导致核级管道的泄漏甚至大破裂，对核能结构安全造成严重威胁。在核级管道中大量存在流速测定部位、L弯头、T形接头等特殊部位，由于流动的复杂性其下游管道在服役过程中发生减薄缺陷不可避免，对核电站的安全造成严重威胁，需要定期进行定量无损检测以保障其安全性和经济性。

核级管道材料主要为不锈钢和碳素钢，核电结构定量无损检测主要采用超声检测(UT)方法。由于管道外部的隔热/绝缘层的存在，常规超声方法无法实现直接对内壁缺陷的定量检测，而常规涡流检测方法不需要接触及耦合剂，同时脉冲涡流检测(PECT)方法对于厚壁结构无损检测具有优势。对于不锈钢管道，理论和实验研究已证明了PECT方法对于管道局部减薄缺陷检测的有效性。但对于强磁性碳素钢管道，由于磁导率影响涡流的集肤深度大大降低，导致PECT方法无法直接应用于厚壁管道检测，需要开发新的方法。

磁饱和现象可降低材料磁导率。对于铁磁性材料，可利用外加强磁场使试件磁饱和，以增加涡流的集肤深度。磁饱和涡流检测已在磁性材料检测中广泛使用，但无法实现厚板内面缺陷检测。结合脉冲涡流和磁饱和涡流的特点，磁饱和脉冲涡流检测有望克服上述困难，实现碳素钢核级管道内面减薄缺陷的定量检测。然而现有磁饱和装置，一般是用大型赫姆霍兹线圈装置或较大的电磁铁装置产生的强静磁场使被检测对象磁饱和，大型赫姆霍兹线圈装置一般固定在实验室内，便携性很差，而较大的电磁铁装置对具有复杂表面的结构的适用性较差，很大程度限制了磁饱和脉冲涡流探头的检测范围；另一方面，对于铁磁性材料，传统脉冲涡流探头在实现检测时有以下两方面缺点，一是仅对探头同侧的表面/近表面缺陷检测灵敏度高，对探头异侧的缺陷检测灵敏度较差，二是即使对于探头同侧的缺陷，当缺陷深度较大时，存在信号饱和、无法定量的问题。而对于适用于弯曲表面的柔性磁饱和脉冲涡流探头，国内外尚无相关研究报道。

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柔性磁饱和脉冲涡流(PECT)检测探头及检测方法，通过电容器电源放电在磁饱和线圈中通入较强电流、形成强磁场，使被检测试件磁导率降低，达到磁饱和状态；然后在被检测试件处于磁饱和状态下，由脉冲涡流装置对柔性脉冲涡流探头完成脉冲激励和脉冲信号检出。具有非接触、易实现、易操作、检测效率高、便携性好、对复杂表面适应性强等优点。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头，包括磁饱和线圈、脉冲涡流激励线圈和脉冲涡流检出线圈，所述磁饱和线圈的直径比脉冲涡流激励线圈和脉冲涡流检出线圈的直径大1至2倍；通过将磁饱和线圈、脉冲涡流激励线圈及脉冲涡流检出线圈同轴心逐层累加，层间用绝缘体隔开，并在这三部分线圈外部用外层绝缘层密封，形成一个柔性磁饱和脉冲涡流检测探头；其中，每层按从上到下的顺序分别为：上层外绝缘层、磁饱和线圈、第一内绝缘层、脉冲涡流激励线圈、第二内绝缘层、脉冲涡流检出线圈和下层外绝缘层；所述脉冲涡流检出线圈能够检出铁磁性被测试件内外表面存在的缺陷信号。

所述磁饱和线圈为直径为0.03mm至0.1mm的漆包线平面螺旋密绕500匝至1000匝而成，或用金属箔片腐蚀成平面螺旋形状，层与层之间用胶基隔开。

所述脉冲涡流激励线圈及脉冲涡流检出线圈均为直径为0.03mm至0.1mm的漆包线平面螺旋密绕而成，或用金属箔片腐蚀成平面螺旋形状。

所述脉冲涡流激励线圈与脉冲涡流检出线圈为等直径的平面螺旋密绕线圈。

所述的柔性磁饱和脉冲涡流检测探头进行缺陷检测的方法，

首先，将所述柔性磁饱和脉冲涡流检测探头放置在铁磁性被测试件上方，其中检测探头的脉冲涡流检出线圈一侧贴近被测试件，并提离0.5mm，电容器充放电电源提供激励信号给磁饱和线圈，电容器充电完成后放电形成的强电压信号传递给磁饱和线圈，以使得磁饱和线圈中的电流达到1000A以上，可持续时间为2s；此时，在强电流的作用下，磁饱和线圈产生的磁场强度大小高达2T；利用该磁场即能够使铁磁性被测试件达到磁饱和状态，即，铁磁性试件的相对磁导率量级从1000降到10甚至10以内；

其次，脉冲信号发生器产生低幅值方波脉冲信号，经功率放大器放大后，通入脉冲涡流激励线圈；其中，方波脉冲信号周期为0.01s，相对于磁饱和线圈产生的1000A以上的强电流的维持时间2s而言较短；因此，脉冲涡流激励线圈中能够持续通入至多200个周期的稳态的方波脉冲激励电流；

最后，脉冲涡流激励线圈中通入的激励电流会在铁磁性被测试件内产生交变磁场，变化的磁场会在铁磁性被测试件中感生出交变的涡流，铁磁性被测试件中缺陷的存在会对涡流造成扰动，涡流感生的次生磁场会被脉冲涡流检出线圈捕捉生成电压信号，通过对该电压信号采用基于逆问题的缺陷重构算法进行分析处理，就能够获取缺陷的信息，实现铁磁管道中局部减薄缺陷的定量无损评价。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明探头及检测方法使用电容器电源给平面螺旋型磁饱和线圈通入强电流以产生强磁场进而对铁磁性被测试件进行磁饱和。其中柔性磁饱和线圈相比于现有的磁饱和装置中的大型赫姆霍兹线圈装置，具有很高的便携性；相比于现有的磁饱和装置中的使用较大电磁铁的磁饱和装置，对于复杂表面的适用性较好，尤其对于弯曲表面试件的检测，可以解决由于弯曲表面导致的磁化方向不稳定的问题。

2、柔性脉冲涡流激励线圈及检出线圈装置相对于现有的脉冲涡流探头，对复杂表面的适用性更好，尤其对于弯曲表面试件的检测，可以解决由于弯曲表面导致的脉冲涡流探头提离及检测方向不稳定的问题，很大程度提高了涡流探头的检测信噪比和检测精度。

3、由于磁饱和线圈中通入的强电流产生的强磁场使得铁磁性被测试件达到磁饱和，很大程度降低了被测试件的磁导率，提高了涡流的集肤深度，从而提高了脉冲涡流探头的检测范围和检测精度。相对于常规的脉冲涡流探头，对于深度较大的缺陷，不存在信号饱和、无法定量的问题。

附图说明

图1为本发明柔性磁饱和脉冲涡流检测探头各部分的结构示意图。

图2为本发明柔性磁饱和脉冲涡流检测探头的装配示意图。

图3为本发明所用系统各组件连接示意图。

图4为本发明中用到的模拟弯曲表面被测试件的局部减薄矩形沟缺陷示意图(即被测铁磁性试件)。

图5为本发明所用电容器电源充放电时电压/电流的时间变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例为一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头，包括磁饱和线圈、脉冲涡流激励线圈和脉冲涡流检出线圈。磁饱和线圈为匝数约1000匝至2000匝、直径比脉冲涡流激励线圈大1至2倍的平面螺旋密绕线圈；脉冲涡流激励线圈和检出线圈为等直径的平面螺旋密绕线圈。通过将磁饱和线圈、脉冲涡流激励线圈及检出线圈同轴心逐层累加，层间用绝缘体隔开，并在这三部分线圈外部用外层绝缘层密封，形成一个柔性磁饱和脉冲涡流探头。

如图2所示，柔性磁饱和脉冲涡流检测探头中，每层按从上到下的顺序分别为：第1部分为最外层的上层外绝缘层和磁饱和线圈，第2部分为第一内绝缘层和脉冲涡流激励线圈，第3部分为第二内绝缘层和脉冲涡流检出线圈，第4部分为下层外绝缘层。四部分逐层同轴心叠放并密封，即形成一个柔性磁饱和脉冲涡流探头。

如图3所示，柔性磁饱和脉冲涡流系统流程如下：由电容器充放电电源放电产生强电压信号通入磁饱和线圈；脉冲信号发生器产生多个周期的稳态方波脉冲信号，该方波脉冲激励信号经功率放大器放大后通入脉冲涡流激励线圈；脉冲涡流检出线圈接收含有缺陷信息的电压信号。

如图4所示，柔性磁饱和脉冲涡流探头由于其柔性，可以较好地贴合具有复杂表面(如管道弯曲表面、齿轮齿根表面)的被测部件，用于检出被测部件中存在的缺陷。

如图5所示，电容器充放电电源中的电容器充电过程及放电过程可用以自然函数e为底的指数函数描述。电容器充电完成后放电形成的一个较强的电压信号通入磁饱和线圈，以使得磁饱和线圈中的电流可达到1000A以上，可维持的时间可达到2s。而脉冲涡流信号频率较大，如100Hz。脉冲涡流激励线圈中可持续通入约200个周期的稳态的脉冲激励电流。

本发明柔性磁饱和脉冲涡流检测探头进行缺陷检测的方法为：

本发明是为了实现铁磁性被测试件表面及深层缺陷的准确检测评估。

首先，将所述柔性磁饱和脉冲涡流检测探头放置在铁磁性被测试件上方，其中检测探头的脉冲涡流检出线圈一侧贴近被测试件，并提离0.5mm，电容器充放电电源提供激励信号给磁饱和线圈。电容器充电完成后放电形成强电压信号传递给磁饱和线圈，以使得磁饱和线圈中的电流可达到1000A以上，持续时间约为2s。此时，在强电流的作用下，磁饱和线圈产生的磁场强度大小高达2T。利用该磁场即可使铁磁性被测试件达到磁饱和状态，即，铁磁性试件的相对磁导率量级从1000降到10甚至10以内，从而使涡流的集肤深度增加，进而实现厚板内面缺陷检测。

其次，提供激励信号给脉冲涡流激励线圈的装置为信号发生器及功率放大器，脉冲信号发生器产生低幅值方波脉冲激励信号，功率放大器将信号放大，并传递给脉冲涡流激励线圈。信号发生器产生周期约为0.01s的低幅值方波脉冲激励信号，通过功率放大器，将信号放大，并传递给脉冲涡流激励线圈。由于给磁饱和线圈提供激励信号的电容器放电时产生的磁场是变化的，其中大于等于能使被测铁磁性试件磁饱和的磁场可维持的时间可达到2s，而低幅值方波脉冲激励信号频率较大，一般为100Hz，即，周期0.01秒。所以脉冲涡流激励线圈中通入的低幅值方波脉冲信号最多可维持约200个周期。由于磁饱和激励线圈、脉冲涡流激励、检出线圈均为平面螺旋密绕线圈，且这些线圈均制作在柔性基底材料上，而平面螺旋式线圈及基底材料均具有良好的柔韧性，因此能够方便地用于对具有复杂表面形状的结构的无损检测。

最后，该脉冲激励电流会在铁磁性被测试件内产生交变磁场，变化的磁场会在铁磁性被测试件表面集肤深度层感生出交变的涡流，涡流会受到铁磁性被测试件表面缺陷的扰动，涡流感生的次生磁场会被脉冲涡流检出线圈捕捉生成电压信号，通过对该电压信号采用基于逆问题的缺陷重构算法进行分析处理，就能够获取缺陷的信息，实现铁磁管道中局部减薄缺陷的定量无损评价。

Claims (5)

1.一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头，其特征在于：包括磁饱和线圈、脉冲涡流激励线圈和脉冲涡流检出线圈，所述磁饱和线圈的直径比脉冲涡流激励线圈和脉冲涡流检出线圈的直径大1至2倍；通过将磁饱和线圈、脉冲涡流激励线圈及脉冲涡流检出线圈同轴心逐层累加，层间用绝缘体隔开，并在这三部分线圈外部用外层绝缘层密封，形成一个柔性磁饱和脉冲涡流检测探头；其中，每层按从上到下的顺序分别为：上层外绝缘层、磁饱和线圈、第一内绝缘层、脉冲涡流激励线圈、第二内绝缘层、脉冲涡流检出线圈和下层外绝缘层；所述脉冲涡流检出线圈能够检出铁磁性被测试件内外表面存在的缺陷信号。

2.根据权利要求1所述的一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头，其特征在于：所述磁饱和线圈为直径为0.03mm至0.1mm的漆包线平面螺旋密绕500匝至1000匝而成，或用金属箔片腐蚀成平面螺旋形状，层与层之间用胶基隔开。

3.根据权利要求1所述的一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头，其特征在于：所述脉冲涡流激励线圈及脉冲涡流检出线圈均为直径为0.03mm至0.1mm的漆包线平面螺旋密绕而成，或用金属箔片腐蚀成平面螺旋形状。

4.根据权利要求1所述的一种柔性磁饱和脉冲涡流检测探头，其特征在于：所述脉冲涡流激励线圈与脉冲涡流检出线圈为等直径的平面螺旋密绕线圈。

5.权利要求1至4任一项所述的柔性磁饱和脉冲涡流检测探头进行缺陷检测的方法，其特征在于：

首先，将所述柔性磁饱和脉冲涡流检测探头放置在铁磁性被测试件上方，其中检测探头的脉冲涡流检出线圈一侧贴近被测试件，并提离0.5mm，电容器充放电电源提供激励信号给磁饱和线圈，电容器充电完成后放电形成的强电压信号传递给磁饱和线圈，以使得磁饱和线圈中的电流达到1000A以上，持续时间为2s；此时，在强电流的作用下，磁饱和线圈产生的磁场强度大小高达2T；利用该磁场即能够使铁磁性被测试件达到磁饱和状态，即，铁磁性试件的相对磁导率量级从1000降到10甚至10以内；

其次，脉冲信号发生器产生低幅值方波脉冲信号，经功率放大器放大后，通入脉冲涡流激励线圈；其中，方波脉冲信号周期为0.01s，相对于磁饱和线圈产生的1000A以上的强电流的维持时间2s而言较短；因此，脉冲涡流激励线圈中能够持续通入至多200个周期的稳态的方波脉冲激励电流；

最后，脉冲涡流激励线圈中通入的激励电流会在铁磁性被测试件内产生交变磁场，变化的磁场会在铁磁性被测试件中感生出交变的涡流，铁磁性被测试件中缺陷的存在会对涡流造成扰动，涡流感生的次生磁场会被脉冲涡流检出线圈捕捉生成电压信号，通过对该电压信号采用基于逆问题的缺陷重构算法进行分析处理，就能够获取缺陷的信息，实现铁磁管道中局部减薄缺陷的定量无损评价。