CN108139363A - 用于涡流检验探头的驱动线圈 - Google Patents

Abstract

一种驱动线圈组件，用于在导电管或管道壁内产生涡流的特定空间分布，其可以与单独的磁性传感器阵列结合使用以检测所述管壁中的缺陷。所述驱动线圈组件包括多个线圈，其通常缠绕在圆柱形探头主体的圆周周围，但是其进一步在轴向上成形为蛇形波浪。所述波浪的特征在于空间振幅、空间相位和空间频率；通常，所述空间频率在所述驱动线圈的圆周周围产生整数个波浪，并且选择相位以使叶片均匀地分布在所述圆周周围。选择每个线圈中电流的时间相位以清除所述组件在所述周长周围的净电流。

Description

用于涡流检验探头的驱动线圈

相关申请案

依据美国法典第35篇第119条(e)款，本PCT申请主张享有于2015年7月28日提交的，标题为《用于涡流检验探头的驱动线圈》的临时申请(序列号62/197,963)的权益。整个临时申请通过引用并入本文。

发明背景

线轴式探头(Bobbin probe)

数十年来，线轴式涡流探头已经被用于由导电材料制成的管道和管材的无损检验；图1显示了线轴式探头几何形状的示意图。线轴110由一个线圈组成，线圈与被检验管120同轴。为进行检验，向线圈施加振荡电压并且使线轴沿管轴130平移通过该管。该电压产生电流，产生磁场，磁场转而在管内引发涡流。与管的这种电磁耦合在线圈上形成负荷并且因此可以通过监测电阻抗来对系统进行表征。管壁的孔洞、裂缝、夹杂物或其它缺陷改变了耦合并因此而改变阻抗。

与示意图相邻显示的由线轴式探头产生的磁场分布是简单磁偶极子的磁场分布。线轴式探头构建和驱动简单，但受到若干显著限制，包括：(1)涡流流动方向仅为圆周并且因此系统对平行于管轴的缺陷比对平行于管圆周定向的缺陷更加灵敏；(2)磁场分布相当多地延伸到管外，所以所述装置对管外的导电结构灵敏，包括支承梁、歧管等；及(3)所述装置无法检验缺陷的圆周位置。

几十年来，已经做出了一些改良以解决这些限制：

切向阵列探头

图2示意性显示的切向阵列探头由排列在探头圆周周围的环形阵列中的微型环形线圈210阵列组成，每个线圈的轴线沿径向定向并且每个线圈的平面与探头的圆周相切。Zetec X-探头是此类探头的实例。所述阵列可具有多达几十个线圈，并且可由一束或几束线圈组成。

通常使用经优化以平衡探头灵敏度、分辨率和检验速度的多路复用方案，单独地或成对或三个一组地按顺序驱动线圈。单独驱动每个线圈时，每个线圈的磁场分布为简单磁偶极子，其轴线与线圈轴线重合，线圈轴线又与探头直径重合。这在与图2示意图相邻的图中示出，其描绘了基于箭头体积的通量密度。

这种类型的探头可设计为对轴向和圆周缺陷同样灵敏，并且因为每个线圈较小，所以磁场分布的几何范围有限并且探头对管外的结构具有相对豁免性。然而，这种类型的设计需要高性能多路复用器，因为线圈是电感负荷并且开关必须既快速以保持检验速度又完全以最小化串扰(cross-talk)。线圈必须多路复用，因为如果在相同方向上同时将其全部驱动，则由相邻线圈产生的涡流在线圈之间的区域可消除，从而降低了该装置的效率。此外，卷绕、匹配、安装和对齐大量线圈是一个精密且昂贵的制造过程。这类装置的一种限制是当探头平移通过管或管道时，管道壁的一些部分经受主要为圆周的电流，而其他部分将经受主要为轴向的电流。因此对不同定向的缺陷的灵敏度可取决于其相对于探头中的线圈的确切位置。涡流沿主要为圆周的方向流动时，例如，在每个线圈中心所横穿的通路附近的区域中，探头对平行于管轴(并因此平行于探头轴线)定向的缺陷特别灵敏。相反，如果潜在缺陷遇到的涡流主要沿平行于管轴的方向流动，例如在相邻线圈之间的切点附近的部分中会发生，则探头将会对沿探头圆周定向的缺陷最灵敏。

旋转场探头

在旋转场探头中，使用两个线圈。图3是几何形状的示意图。第一线圈310排列为使其平面含管轴，并且第二线圈320排列为使其平面也含管轴并且其法线与第一线圈310的法线垂直并且线圈310和320的中心重合，使得管轴与两个线圈的交叉点重合。因此，每个线圈产生的磁场是沿管的直径在两个点与管交叉的磁偶极子。在这种设计中，两个线圈通常以相同频率驱动，但第二线圈的激励相位比第一线圈的激励相位落后(或超前)90°，使得偶极子磁场以线圈驱动信号频率绕管的圆周旋转。任选地，线圈可以以时变相位或以两个线圈不相同的频率驱动，这将导致与驱动信号频率不同的旋转频率。检测可以通过监测驱动线圈的阻抗或通过使用单独的磁场传感器或传感器阵列来完成。传感器可以是绕线线圈、固态传感器或本领域已知的任何其他传感器。

这种设计对圆周和轴向缺陷同样灵敏并且可以提供相同的圆周分辨率。然而，这仍然受到某些限制：(1)磁场在管外很好地延伸并因此与外部结构相互作用；及(2)虽然缺陷的圆周位置在某些情况下可以由信号的相位获得，但信号的相位还含有关于缺陷的深度、尺寸和形状的信息，因此这些不能独立地通过这种方法确定。

在许多涡流探头中，包括X-探头和类似设计中，使用(同时或不同时)与驱动线圈和检测器相同的线圈。固态磁性检测器也可以使用并且可在成本、尺寸和均匀性上提供优于绕线线圈的优势。然而，如果绕线线圈也必须并入探头中才能产生涡流，则使用固态传感器的制造优势不能完全实现。因此，探头利用固态传感器阵列作为检测器时，不依赖大量微型线圈的驱动线圈设计，例如下面描述的本发明，尤其有利。

总的来说，期望发明一种驱动电流设计，其产生方向随时间和/或探头位置变化的涡流分布，使得管壁内的每个位置在一部分检验期间经受主要为圆周的涡流并且在不同检验部分期间经受主要为轴向的涡流。或者，主要涡流方向可以呈其他角度，只要在探头扫描期间的不同时间，管壁中每个点的涡流方向沿至少两个优选彼此垂直的不同方向流动。

此外期望产生此类时间和/或位置改变的涡流分布，而不依靠多路复用离散驱动线圈，因为多路复用器增加了探头的复杂性和制造成本并且可对检验管的速率有不利影响。

发明内容

本发明的第一个方面是一种用于检验含导电材料的管状物体的涡流发生结构，所述结构具有环形周长并且包括一条或多条载流通路，其中所述通路基本上围绕公共轴线同心并且在轴向上进一步受空间调制，使得所述一条或多条通路中的每一条都具有整数个围绕所述结构周长的轴向波浪。

在本发明的另一方面中，所述波浪成形为优化管状物体壁上涡流的分布。在本发明的另一方面中，这些波浪的形状为正弦形、梯形、圆形或相关功能形状。

在本发明的另一方面中，存在多条电流通路，每一条彼此具有空间相位关系并且所述电流通路的波浪的空间相位排列成使得所述波浪均匀分布在系统的圆周周围。

在本发明的另一方面中，存在多条电流通路，其中每条通路上电流的时间相位固定并且不同通路的时间相位配置成使得公共轴线周围的净电流为零。

在本发明的另一方面中，存在多条电流通路，其中每条导电通路上电流的时间频率相同。

在本发明的另一方面中，存在多条电流通路，其中每条导电通路上不同电流的时间频率不同。

在本发明的另一方面中，包括第一磁场传感器阵列。在本发明的另一方面中，载流通路产生背景磁场并且其中所述磁场传感器阵列的位置的空间相位和节距配置为在背景场中提供对称性。

在本发明的另一方面中，载流通路产生背景磁场并且其中所述磁场传感器定向为检测磁场的方向分量。在本发明的另一方面中，方向分量是由以下组成的组的一种：与管状物体表面垂直，与管状物体轴线平行及与管状物体表面相切。

在本发明的另一方面中，第一传感器阵列包括选自由以下组成的组的传感器：有感线圈、固态传感器、AMR传感器、GMR传感器、霍尔传感器(Hall sensor)、阀式传感器、TMR传感器和磁光传感器。

在本发明的另一方面中，包括第二传感器阵列，其中所述第一传感器阵列位于所述载流通路第一侧面的轴向附近并且所述第二传感器阵列位于所述载流通路第二侧面的轴向附近。在本发明的另一方面中，利用第二传感器阵列以提供用于差动传感的信号基准。在本发明的另一方面中，利用第二传感器阵列以增加仪器的圆周分辨率。

可由离散电线、光刻生产的导体、减式制造、加式制造或这些的任何组合制造所述载流通路。

所述载流通路可在随后成形为圆柱形的柔性基板上制造或在刚性或半刚性探头主体上直接成形。

本发明的另一方面是一种用于检验含导电材料的平面或任意形状的物体的涡流发生结构，该结构具有基本上为平面的布置和含于平面内的线性轴，该结构包括多条载流通路，其中所述通路通常沿公共轴线布置并且在平面上在与轴线正交的的方向上进一步受空间调制，使得每条通路具有整数个轴向波浪，并且相对于所述载流通路中的每一条，波浪的空间相位沿公共轴线均匀分布。

在用于平面或任意形状的物体检验的结构的另一方面，涡流发生可以支撑在刚性平面基板、刚性成形基板、柔性基板或铰接基板上。

在用于平面或任意形状的物体检验的结构的另一方面，包括一个或多个磁性传感器。

附图说明

图1是现有技术线轴式探头和与之关联的磁场的示意图；

图2是现有技术切向阵列探头和与之关联的磁场的示意图；

图3是现有技术旋转场探头的示意图；

图4a是根据本发明一个方面的示例性探头的示意图；

图4b显示了对于根据本发明一个方面的示例性探头而言，中等厚壁近侧(顶部)和远侧(底部)上的涡流分布；

图5a是根据本发明一个方面的示例性多绕组探头的示意图；

图5b显示了对于图5a所示的示例性探头而言，中等厚壁近侧和远侧上的涡流分布；

图6a是根据本发明一个方面的示例性多绕组探头的示意图；

图6b是根据本发明一个方面的示例性多绕组探头的示意图；

图6c显示了对于图6a说明的构造而言，内壁近侧的涡流。

图6d显示了对于同相信号而言，远侧壁上具有圆周缺陷的管壁外表面上的涡流强度和方向。

图6e显示了对于90度相移信号而言，远侧壁上具有圆周缺陷的管壁外表面上的涡流强度和方向。

图7显示了模型激励和传感系统的几何形状；

图8显示了对于图7中的模型而言在十个传感器位置，磁场径向分量的大小；

图9a和9b显示了对于具有不同数量的叶片的系统而言，轴向和圆周缺陷的背景减除数据；

图10a和10b显示了与图9a和9b相同，标准化为本地背景场的数据；

图11显示了对于根据本发明的各种线圈构造而言，磁场不同分量大小的汇总；

图12a显示了背景减除响应的大小；

图12b显示了响应与背景场的比率；

图13a显示了本发明电流驱动设计的平面形式的示意图；并且

图13b显示了图13a的设计的磁场。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，修改传统的线轴式驱动线圈设计，以便在轴向上进一步形成蛇形波浪。图4中显示了上述几何图形的示意图。波浪410的特征在于空间幅度411和空间周期412；通常，选择的空间频率在驱动线圈圆周周围产生整数个波浪。正弦线圈(例如：图4a中显示的线圈)可通过参数方程加以说明：

x＝R cos(t)，

y＝R sin(t)，

z＝A cos(nt+φ)，

其中，参数t的数值变化范围介于0～2*pi：0≤t≤2*π.R之间，线圈的半径通常略小于内部探头管的内径并且略大于外部探头管的外径，A表示波浪幅度，n表示叶片数量，φ表示该通路弧度的波浪相位，管道和探头的轴均与z轴对齐。

上述线圈产生的涡流在管道圆周周围的不同点处按不同方向流动，但一般而言，管壁的各区域仅遇到涡流的一个特定方向，因此，各区域内对平行于该方向的缺陷的灵敏度大幅降低。也就是说，管道区域(例如：临近驱动线圈420圆周部分的区域)仅遇到圆周涡流，在测量期的不同时间点不会遇到轴向涡流。上述系统对某些区域内的轴向缺陷及其他区域内的圆周缺陷灵敏。此外，随着入壁深度的增加，涡流方向上的空间调制减少，因此，对于具有足够厚度的管壁而言，管壁远侧的涡流分布与简单线轴式驱动线圈的涡流分布几乎无异。图4中的图形显示了管壁430(内部探头的内壁和外部探头的外壁)近侧和管壁440(中等厚壁)远侧的涡流分布。从图中可以看到，对于远侧壁而言，电流分布的轴向调制大幅减少。因此，电流主要平行于远壁中的圆周缺陷450。此外，该驱动线圈的磁场分布再次呈现出类似于线轴式探头磁场分布的大偶极，因此磁场与外部物体或结构相互作用，从而导致涡流测量对外部物体或结构灵敏。

为了减少某些上述缺点，在另一个实施例中，如图5所示布置了两个蛇形线圈，因此第二线圈520的空间波浪的圆周相位与第一线圈510相比偏移90°(上述方程中，φ＝2*π/4)，此外，通过两个环的电流的时间相位偏移180°，因此探头圆周周围的净电流是零。上述配置大致相当于探头圆周周围分散的闭合循环通路的圆形阵列。感应涡流分布还包括闭合循环通路530，通过壁厚(即使是厚壁管道，如图所示)将这些通路保护到图5所示的右侧。此外，每条循环通路与小型局部磁偶极有关，减少了与外部物体或结构之间的相互作用。但是，由于探头轴向平移通过管道，某些区域(例如：沿着通路540)遇到的电流改变方向，而其他区域(例如：沿着通路550)遇到的涡流沿着一个方向，这种情况下形成圆周涡流。

如图6所示，利用三个蛇形线圈610、620、630可实现进一步的改进，任何一对线圈之间的相对空间相位为60°，相对时间相位为120°，如图6a和图6b所示。这种情况下，管壁各区域遇到在不同方向上流动的涡流，因为探头横向平移通过管道。例如，沿着通路640，涡流的主要方向首先是圆周，然后是在一个方向上倾斜120°，最后才是在相反方向上也倾斜120°。图6c显示管壁(图示配置的内壁)近侧的涡流，图6d和图6e分别显示了在励磁时间振荡的两个不同点处，远侧管壁涡流的强度及方向。如图所示，圆周缺陷650位置处的主要电流方向在两个时间不同的点处有所不同。

本发明的一个方面是驱动线圈组件，包括两个或以上的蛇形驱动线圈环。几个组件环定位在探头圆周周围，选择的每个环波浪的空间相位使波浪叶片均匀分布在探头圆周周围，多个环均由一个输入信号驱动，它们具有相同的特定频率和不同的相对时间相位，以使：(1)探头圆周周围的净电流为零；以及(2)在任何特定时间点，管壁中产生的涡流分布有多个区域，其中主要电流方向是圆周，还有其他区域，其中主要电流方向是轴向或斜向，并且一个区域的主要涡流方向在探头扫描期不同时间点上有所不同。主要电流方向可相对于管轴形成任何需要的角度，前提是每个管段中的电流在至少两个彼此正交的方向之间变化。在替代实施例中，若沿着相对于管轴的特定方向预期缺陷更为普遍，涡流驱动线圈的几何图形可优化成生成偏置电流模式，与沿着较少关注方向的灵敏度相比，提高了沿着需要方向的灵敏度。

可选地，组件的不同蛇形环可能具有稍微不同的半径，因此它们可以在管道内布置成同心但未彼此接触，或者可以将环的绕线匝数彼此交织，前提是环之间没有电气短路。同样可选地，可沿着轴向将环彼此隔开，以便实现特定的理想涡流分布，可采用有限元建模或此项技术中已知的任何其他方法进行优化。

图6a中显示的配置是本发明的一个优选实施例。三个环形导体610、620、630均布置在探头主体的周围。每个环均包括探头圆周周围具有整数个正弦周期的蛇形；每个周期包括两个叶片，一个在正轴向突出，另一个在负轴向突出。选择的振荡空间相位(即每个叶片相对于其他环的起点)使所有环的叶片均匀分布在圆周周围。对于所述三个环，三个环的叶片之间的相对空间相位为60°。

在本发明的另一个实施例中，驱动线圈的蛇形环略大于管道或杆件的外径，组件用作外部环绕线圈，如图6b所示。

电气信号施加于三个导体中的每个导体，以产生具有特定频率和相位的电流。电流的频率和幅度根据管壁的材料和厚度进行选择，将按照此项技术中确定的方法测试管壁。选择三个导体中电流的相对时间相位时，应使相位总和为零。因此，可在零相位下相对于任意时间参考驱动第一个环610内的电流相位，在+120°时间相位下相对于第一个环610驱动第二个环620内的电流，在-120°相位下相对于第一个环610驱动第三个环630内的电流。

对于不同数量的环，选择的空间和时间相位应使叶片均匀分布在圆周周围，时间相位之和为零。可选地，环之间的相对相位或第一个环的参考相位可能在时间上有所变化，以便提高探头的灵敏度和/或采用特定的检测或数据分析算法。可选地，可在唯一频率下驱动各环，该频率可能不同于其他环的频率，以便加强检测或提高检测灵敏度或数据分析。

以这种方式，管道圆周周围的净电流为零。因此，没有净磁偶极矩。这样尽可能减少了检测探头产生的磁场的空间幅度，从而尽可能减少了检测探头与外部结构(例如：安装支架、歧管等)之间的相互作用。

整个环的净偶极矩为零，三个导电环的叶片形成一个小循环电流网，其中每个具有沿着探头直径方向的偶极矩。从而形成了一种通过管壁的循环涡流涡模式。通过管壁厚度保持这种模式，磁场分布为局部分布，对外部物体或结构相对不灵敏。管壁中的缺陷破坏了产生磁场特征的涡流模式。对正交于缺陷位置处瞬时涡流方向的缺陷强调上述特征。由于检测期间探头平移通过管道，管壁中的各点随着时间的流逝遇到不同的涡流方向，因此可以检测到沿着任何方向的缺陷。图6d和图6e显示了在时间振荡周期内，在两个不同例子中，具有圆周缺陷650的管壁外表面中的涡流强度和方向。显然，对于特定配置而言，在周期的特定时刻及扫描的特定位置，涡流基本上平行于缺陷，但由于探头平移通过管道，也有几次涡流流向与缺陷成一个角度，从而提高了系统对缺陷的灵敏度。

以略微不同的频率驱动各轨迹和/或让相位在各轨迹之间轻微变化(全部同步旋转或将相位调制到120°左右)可能是一种有利的做法。这种做法对检测灵敏度、噪音抑制或数据分析目的有利。但是，不需要依次驱动它们，也就是说，将电流脉冲到环内，从而使任何时间点只有一个环载流，因为如果电流流经单个蛇形轨迹，那么波浪会被壁厚洗掉，对于具有足够厚度的管壁(几毫米)，远侧的涡流与简单线轴相当。出于相同的原因，不需要在轴向上将各环明显隔开。电流之间的相互作用(特别是与电流有关的磁通线之间的相互作用)保持了材料内部的电流模式。

协同驱动线圈，涡流检测系统需要一个或以上的传感器或传感器阵列来检测试验物体缺陷产生的磁场特征。某些情况下，用于驱动涡流的同样结构可用于检测磁场特征，与驱动信号同时进行或在不同时间进行。其他情况下，探头可配备不同的传感器或传感器阵列。本发明中描述的驱动线圈配置特别适合与一个或以上的传感器阵列一起使用。图7中显示了上述配置的示意图。各阵列710、715包括布置在探头圆周周围的多个传感器720，探头位于轴向位置730，该位置选择用于优化探头的灵敏度。传感器阵列可延伸到整个圆周周围或仅覆盖部分区域，这取决于系统要求。可将多个阵列置于驱动线圈的相同侧或相反侧，并置于系统设计确定的任意轴向位置。

传感器检测到的磁场是以下四个分量的叠加：(1)驱动线圈产生的磁场；(2)稳态涡流分布产生的磁场；(3)管壁缺陷造成的涡流分布干扰产生的磁场干扰；以及(4)存在的任何外磁场。对磁场的前两个效应在时间上不变，驱动频率下的振荡除外；干扰是有用信号，外磁场带来噪音。可配置感应电子组件来拒绝稳态背景信号并缓慢改变外部信号，并且仅响应探头平移通过缺陷时观测到的偏差。背景信号的拒绝可通过此项技术中已知的任何手段完成，包括但不限于差动感应和/或数字或模拟后处理。

选择传感器的轴向位置时，尽可能减弱背景信号并尽可能增强与待检测缺陷有关的信号，或尽可能提高缺陷信号与背景信号之比。选择圆周周围传感器的空间节距740时，尽可能提高尺寸已知缺陷的检测概率，或根据系统的其他限制，包括布线、多路复用和后处理能力。

一些传感器的响应取决于局部磁场的方向。这些传感器包括但不限于：螺线管、磁阻传感器(包括各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、自旋阀)及霍尔效应传感器。通常，背景场在径向上最大，在轴向上较小，在切向上最小，因此，使传感器的定向能检测出磁场切向分量是一种有利的做法。但是，传感器也可以定向成根据测量系统的特定要求检测磁场的任何要求方向。

可采用差动感应提高探头的灵敏度和/或尽可能降低对外部结构或物体或对背景场的灵敏度。差动感应可配置传感器阵列之间，传感器阵列轴向定位在驱动线圈组件的任何一侧，例如，图7中的阵列710和阵列715，或配置在单一圆周传感器阵列的单独传感器之间。但是，任何情况下，差动感应均宜配置在放置的传感器之间，以便在幅度、方向、相位方面类似地直接耦合到驱动线圈，从而使信号之间的差异可明确归因于扫描中存在的异常。

可选地，可采用多个传感器阵列。各阵列的灵敏度方向可以独立选择。可选地，传感器可配置成检测磁场的所有三个轴线。

一些类型的传感器表现出非线性行为(例如：饱和)，因此，可以从背景场较低的位置受益。可采用数种方法中的一种满足上述条件，包括选择传感器与驱动线圈之间的距离，使背景场足够低，或确定传感器的方向，使背景场的重要分量与传感器不灵敏的方向一致，并使传感器响应背景场中较低或缺少的磁场分量。

在本发明的一个实施例中，磁性传感器是指各向异性磁电阻(AMR)传感器，包括磁场暴露量超过某个最高水平时磁极性可切换方向的材料，因此，一般需要选择一个位置，使驱动线圈产生的直接场保持低于阈值场。

此外，AMR传感器具有高度定向的灵敏度，因此，可能需要将它们排成一行来响应切向场分量，切向场分量一般小于直接场的最大轴向和径向分量。但是，在其他情况下及在其他驱动线圈设计中，可能需要感应其他场方向。此外，其他场分量可能影响测量，因为传感器的线形存在公差或因为传感器响应噪音或系统对背景物体的灵敏度可能取决于磁场的总幅度，而非取决于特定分量的幅度，因此，宜在系统设计中考虑整个磁场分布。

可能为了具体管径、壁厚、管材、需要的最低缺陷灵敏度、阈值缺陷尺寸和形状或任何其他参数优化涡流生成线圈叶片的形状和尺寸。图4a、图5a、图6a、图6b、图7中显示的叶片是正弦形状，但也可能是矩形、梯形、圆形或任何其他形状。驱动线圈叶片的尺寸和形状及将布置在圆周周围的叶片数量可采用此项技术中已知的任何手段进行优化，包括实验方法和/或有限元建模。

可以通过选择探头周边周围的叶片数量来优化信号幅度和/或信号幅度与传感器阵列要求位置处的背景场之比。最佳数量可能取决于管径、缺陷尺寸、缺陷位置、管材、要求的空间分辨率或系统的任何其他参数。可采用计算机建模确定最佳设计参数，包括但不限于有限元建模和/或物理实验。参考图7-10理解优化叶片数量的过程。这些图形显示了针对不同数量的叶片及圆周和轴向缺陷，图6a所示的三相配置的有限元计算机模型计算结果。这些结果旨在阐明优化过程，而非限制本发明的范围。

下表1概述了模型参数。

表1

模型中，通过改变驱动线圈组件中心之间的轴向间距(变化范围为-8mm～8mm，每次变化幅度为0.5mm)模拟探头的轴向扫描。为轴向和圆周定向的二次侧缺陷(管道的外表面)进行了计算，缺陷中心位于轴向位置0mm处。图6d和图6e显示了圆周缺陷周围的典型涡流分布。显然，缺陷干扰了局部涡流，随着探头平移通过管道，缺陷处的局部涡流方向也会改变，因此，任何缺陷都会至少通过不平行于局部涡流方向的某些区域，从而产生电磁特征。传感器位置处的磁性特征的幅度和相位取决于涡流的幅度、缺陷接近传感器时涡流的方向及系统的其他参数。因此，探头对任何缺陷的响应取决于这些系统参数，包括蛇形驱动线圈中叶片的幅度和数量。可通过反复试验或此项技术中已知的系统方法优化多参数设计；此处显示的单变量数据用于阐明过程。

图7显示模型的几何形状，图8显示针对一行传感器计算的磁场径向分量幅度(复数结果的绝对值)，上述传感器的覆盖区域小于图7所示的完整圆周。针对每个蛇形线圈中不同数量的叶片，传感器距离驱动线圈组件中心3.5mm，检测磁场的径向分量。响应结构是由背景信号幅度和相位的局部变化产生。正如预期的那样，具有较少叶片的系统不仅拥有较大的背景场，还拥有较大的背景场变化。上述变化超过任何缺陷引起的特征。例如，在本文提供的案例中，具有两个叶片的系统810的平均场强为30A/m，总变化幅度为27A/m，然而，对于10周期系统820，平均场强为2.5A/m，变化幅度为5A/m。

若从扫描数据中扣除背景信号，缺陷引起的响应很明显。图9显示了针对具有不同数量叶片的系统，轴向(上组)和圆周(下组)缺陷扣除背景后的数据。对应于传感器阵列中传感器的9个可能位置，在沿着探头圆周的9个位置处测量了磁场。图形的水平轴线对应于传感器的位置，而深度轴线代表扫描方向，表示轴向位置或相当于时间，所有图形均绘制成相同的垂直比例尺。通过图形可以观察到，响应幅度取决于叶片数量；例如，仅有两个叶片时，电流的方向一般是圆周，圆周缺陷的响应折中，而轴向缺陷的响应很强。另一方面，若有12个叶片，针对轴向和圆周缺陷的响应幅度相当，但由于涡流高度局部化，总体磁场较小，因此，响应的绝对量较小。注意：叶片数量的效应随着管径和波浪幅度的不同而变化。还需注意：为建模之目的，在图9所示的9个传感器位置处评估了磁场，但探头内的传感器分布可能包括额外的、更少的或不同的传感器位置，视需求而定。最常见的是，传感器阵列将在探头的整个圆周周围延伸，以便覆盖待检管道的整个表面。

某些情况下，与响应的绝对量相比，响应与背景场之比是优化探头设计的更好指标。这可能导致不同的最佳叶片数量，因为背景场的幅度随着叶片数量发生变化。图10显示的数据与图9相同，但在上述情况下，图10显示的数据被标准化到局部背景场。上述情况下，最佳叶片数量看起来是10～12。

图11显示了磁场不同矢量分量的幅度汇总。显然，背景场的切向分量远小于径向或轴向分量，因此，优先采用定向灵敏的传感器，并将其灵敏轴定向在切向上。

图12a显示扣除背景后的响应幅度，图12b显示响应与背景场之比。在此，最佳叶片数量估计约10片。

出于类似的原因，根据系统参数和使用的传感器类型，将传感器置于离驱动线圈组件更近或更远的地方比较有利。可采用类似方法优化系统的其他参数，包括但不限于传感器的位置和节距，以及叶片的形状和幅度。

本发明中的传感器阵列还包括离散线圈、光刻法形成的线圈或任何其他磁性传感器。

在本发明的一个替代实施例中，沿着一个平面布置蛇形导电通路，而非沿着圆柱表面弯曲。图13中显示了上述配置。图13a显示了三个蛇形通路1301、1302、1303，它们沿着公共轴线1310布置，布置方式使叶片沿着公共轴线均匀隔开。每个导体均可占用一个不同的空间层，或导体可能包括沿着垂直维度相互缠绕的绝缘线，但在任何情况下，导体彼此间电气隔离，在彼此相对时间相位为120°的条件下通过交流电进行驱动。电源线1320、1330还包括在120°相对时间相位下驱动的三个导体，并宜布置成彼此接近。因此，它们不携带净电流，从而也不产生涡流或磁场。此外，它们还可以弯曲或蜿蜒伸展出平面外，其中以形成功能探头所需的任何方式形成蛇形轨迹。上述布置形成的涡流模式如图13B所示。显然，若探头沿着垂直于公共轴线1310的方向1330扫描，在扫描的某点处，缺陷1340将遇到不平行于主要方向的涡流。

上述配置适合检测不具有圆柱对称性的物体和表面。对于大部分呈平面的物体，支撑结构和轨迹可采用刚性或半刚性材料制成。对于具有一定曲率的物体，可在柔性基板上制作轨迹，包括但不限于卡普顿、硅酮、聚酯薄膜、织物或编织的玻璃纤维薄板。基板可通过刚性元件加以支撑，其形状与表面曲率匹配，或将基板置于柔性或铰接结构上，扫描期间该结构主动贴合表面形状。此外，围绕着圆柱形支架缠绕柔性基板也是一种可行的办法，目的是利用柔性基板检测管状表面。上述布置具有一个或以上的优点，包括但不限于制造成本、探头对不同管径的适应性或耐久性。

Claims (20)

1.一种用于检验含导电材料的管状物体的涡流发生结构，所述结构具有环形周长并且包括：

一条或多条载流通路，其中所述通路基本上围绕公共轴线同心并且在轴向上进一步受空间调制，使得所述一条或多条通路中的每一条都具有整数个围绕所述结构周长的轴向波浪。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述波浪成形为优化管状物体壁上涡流的分布。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述波浪的形状是由正弦形、梯形、圆形或相关功能形状组成的组中的一种。

4.根据权利要求1所述的系统，其包括多条彼此具有空间相位关系的电流通路并且其中所述电流通路的波浪的空间相位排列成使得所述波浪均匀分布在所述系统的圆周周围。

5.根据权利要求1所述的系统，其包括多条电流通路，其中每条通路上电流的时间相位固定并且不同通路的所述时间相位配置成使得公共轴线周围的净电流为零。

6.根据权利要求1所述的系统，其包括多条电流通路，其中每条导电通路上电流的时间频率相同。

7.根据权利要求1所述的系统，其包括多条电流通路，其中每条导电通路上不同电流的时间频率不同。

8.根据权利要求1所述的系统，其还包括第一磁场传感器阵列。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述结构产生背景磁场并且其中所述磁场传感器阵列的位置的空间相位和节距配置为在背景场中提供对称性。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述结构产生磁场并且其中所述磁场传感器定向为检验磁场的方向分量。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述方向分量是由以下组成的组的一种：与管状物体表面垂直，与管状物体轴线平行及与管状物体表面相切。

12.根据权利要求8所述的系统，其中第一传感器阵列包括选自由以下组成的组的传感器：有感线圈、固态传感器、AMR传感器、GMR传感器、霍尔传感器、阀式传感器、TMR传感器和磁光传感器。

13.根据权利要求8所述的系统，其还包括第二传感器阵列，其中所述第一传感器阵列位于所述载流通路第一侧面的轴向附近并且所述第二传感器阵列位于所述载流通路第二侧面的轴向附近。

14.根据权利要求13所述的系统，其中利用第二传感器阵列以提供用于差动传感的信号基准。

15.根据权利要求13所述的系统，其中利用第二传感器阵列以增加仪器的圆周分辨率。

16.根据权利要求1所述的系统，其中由离散电线、光刻生产的导体、减式制造和加式制造组成的组制造所述载流通路。

17.根据权利要求3所述的系统，其中所述载流通路在随后成形为圆柱形的柔性基板上制造或在刚性或半刚性探头主体上直接成形。

18.一种用于检验含导电材料的平面或任意形状的物体的涡流发生结构，所述结构具有基本上为平面的布置和含于平面内的线性轴并且包括：

多条载流通路，其中所述通路通常沿公共轴线布置并且在平面上在与轴线正交的的方向上进一步受空间调制，使得每条通路具有整数个轴向波浪，并且相对于所述载流通路中的每一条，波浪的空间相位沿公共轴线均匀分布。

19.根据权利要求18所述的涡流发生系统，其在由刚性平面基板、刚性成形基板、柔性基板和铰接基板组成的组中的一个上成形。

20.根据权利要求23所述的涡流发生系统，其还包括一个或多个磁性传感器。