CN109406621A - 一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术 - Google Patents

一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术 Download PDF

Info

Publication number
CN109406621A
CN109406621A CN201811644512.6A CN201811644512A CN109406621A CN 109406621 A CN109406621 A CN 109406621A CN 201811644512 A CN201811644512 A CN 201811644512A CN 109406621 A CN109406621 A CN 109406621A
Authority
CN
China
Prior art keywords
excitation coil
coil
big
probe
small
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811644512.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109406621B (zh
Inventor
张东利
武美先
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North Minzu University
Original Assignee
North Minzu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North Minzu University filed Critical North Minzu University
Priority to CN201811644512.6A priority Critical patent/CN109406621B/zh
Publication of CN109406621A publication Critical patent/CN109406621A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109406621B publication Critical patent/CN109406621B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9006—Details, e.g. in the structure or functioning of sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术。本发明探头包括激励元件、检测元件和外固定骨架(8)；所述激励元件包括大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和内固定骨架(3)，嵌套安装于所述外固定骨架(8)的激励元件安装腔(10)内；所述检测元件包括检测线圈(4)、屏蔽罩外筒(5)和屏蔽罩顶盖(6)，整体安装于激励元件安装腔(10)底部的检测元件安装孔(7)内；所述大激励线圈(1)和小激励线圈(2)均为矩形涡流线圈，所述检测线圈(4)为圆形涡流线圈。本发明还提供了双频激励时深层缺陷检测信号提取技术。本发明探头探测深度大，检测效率高。

Description

一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术
技术领域
本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及一种用于核电及其他重要工业领域缺陷检测的涡流探头，尤其涉及一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术。
背景技术
涡流检测是常规无损检测技术之一，广泛应用于用于石油化工、电力冶金等行业，以及航空航天、核电设备等重要领域。相对于其它无损检测方法，涡流检测方法具有非接触、检测速度快的特点和浅裂纹定量方面的优势，可以在探头不接触试件的情况下，对试件进行快速检测。涡流检测方法是以电磁感应原理为基础，使用激励线圈在试件中产生旋涡状的感应交变电流，通过线圈的电压信号变化来判断缺陷的位置和大小，是一种对材料表面和近表面缺陷进行定量无损评价的有效方法。当材料中的涡流密度达到材料表面涡流密度的37%时的材料深度为涡流的标准渗透深度。在此深度内的涡流信号可以检测到，大于这个深度的涡流信号就检测不到了。制约涡流渗透深度的因素有激励频率、激励电流大小以及材料的电磁特性等。
传统的涡流检测探头通常采用圆形线圈作为激励元件,探头极易受试件的电磁特性、结构尺寸以及提离变化的影响而产生很大噪声，存在分辨率低、信噪比低等问题。另外，圆形线圈在金属表面感应出的涡流还存在自抵消现象，限制了传感器对深层缺陷的检测能力，只能用于试件材料表面和近表面裂纹及缺陷的检测。
常规的均匀涡流探头采用矩形线圈进行激励，在导体表面会感应出密度均匀且同向流动的匀强涡流区域，避免了自抵消现象；且矩形线圈所激励出来的涡流渗透深度更深，对深层缺陷的检测能力更强。但和传统的圆形涡流探头类似, 常规的均匀涡流探头在导体材料中感应出来的涡流也存在集肤效应。尤其在激励频率较高的情况下，涡流只能在材料表面或者贴近表面的薄层中流动，涡流探头对材料表层的缺陷灵敏度较高，但对材料中的深层缺陷反应不敏感，而且所采用的矩形激励线圈在材料中所感应产生的涡流具有方向性，容易对平行于涡流流动方向的裂纹产生漏检。
利用低频激励可以增加涡流探头的穿透能力，但受探头分辨率、信噪比、检测速度等因素限制，探头的激励频率不能无限降低。
中国专利CN208076453U公开了一种检测厚壁深裂纹缺陷的双频激励圆形涡流探头，使用圆形激励线圈，虽无方向性，但对圆形检测线圈的磁场有影响，检测信号中噪声稍大，且线圈尺寸大，检测深度不如使用矩形线圈激励线圈的深。
综上，现有技术存在的主要问题有：(1)常规涡流探头所产生的涡流渗透深度过小，无法获得深裂纹检测信号的问题；(2)材料深层缺陷的检测信号较小，易受激励磁场噪声干扰的问题；(3)缺陷及裂纹的漏检问题 ；(4)均匀涡流探头对裂纹方向敏感的问题。
因此，研究能有效识别金属材料中的深裂纹、适用于核电设备及其他重要工业领域大型厚壁构件缺陷检测的涡流检测探头，在保障设备安全运行、评定设备寿命、降低设备维护成本等方面具有重要意义和前景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术，采用两个矩形激励线圈同时反向激励，并向两个激励线圈中分别通入不同频率的正弦交变电流，在材料中产生反向的交变涡流。通过调整激励电流的大小和相位，使材料表面的涡流叠加为零，材料内部涡流密度变大，从而达到增加渗透深度、获取材料内部深裂纹微小信号的目的。和常规单频均匀涡流探头以及低频激励等现有技术相比，本发明可提高裂纹的检测深度，同时具有较高分辨率和较高的检测速度，可有效识别金属材料中的开口深裂纹及内部深层缺陷，用于金属材料中的开口深裂纹及同部深层缺陷的在线高速检测，为工业设备及产品的定量检测和评估提供准确可靠的依据。
本发明采用的技术方案是：一种双频均匀涡流探头，包括激励元件、检测元件和外固定骨架；所述检测元件位于激励元件下方；其特征在于：所述外固定骨架上设置有激励元件安装腔；所述激励元件安装腔底部设置有检测元件安装孔；
所述激励元件包括大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架；所述小激励线圈绕制在内固定骨架上，所述大激励线圈绕制在小激励线圈上，所述激励元件嵌套安装于所述外固定骨架的激励元件安装腔内；
所述检测元件安装孔不是通孔；所述检测元件包括检测线圈、屏蔽罩外筒和屏蔽罩顶盖；所述屏蔽罩外筒嵌套安装于检测元件安装孔内；所述检测线圈嵌套安装于屏蔽罩外筒内；所述屏蔽罩顶盖可拆卸安装在屏蔽罩外筒顶部，与屏蔽罩外筒共同构成检测线圈的屏蔽外壳。
进一步，所述大激励线圈和小激励线圈均为矩形涡流线圈，所述激励元件安装腔为长方体通孔。
进一步，所述检测线圈为圆形涡流线圈，直径小于小激励线圈的宽度，用于采集材料中的裂纹信号。
进一步，所述大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架、外固定骨架的宽度相同，中心线位于同一轴线上，并保持相对位置固定不变；所述大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架两端端面均分别与外固定骨架激励元件安装腔的两个端口齐平。
进一步，检测线圈位于大激励线圈的正下方几何中心位置。
进一步，所述屏蔽罩顶盖上表面和激励元件底部接触。
进一步，所述屏蔽罩外筒、检测线圈以及屏蔽罩顶盖中心位于同一轴线上。
进一步，所述屏蔽罩外筒筒体上设置有供检测线圈引线穿出的检测线圈引线出线孔。
进一步，所述外固定骨架呈长方体，其上还设置有供大激励线圈、小激励线圈的引线穿出外固定骨架的甲出线孔和供检测线圈的引线穿出外固定骨架的乙出线孔。
进一步，所述外固定骨架和内固定骨架均由PVC材料制成。
进一步，所述大激励线圈、小激励线圈和检测线圈均由漆包线绕制而成。
进一步，所述大激励线圈的截面长Lx1为20mm，轴向长Ly1为20mm，截面高Lz1为20mm，厚Δt1=1mm，所述小激励线圈的截面长Lx2为18mm，轴向长Ly2为18mm，截面高Lz2为20mm，厚Δt2=1mm，所述检测线圈的外半径ro3为1.6mm，内半径ri3为0.6mm，截面高hc3为0.8mm。
进一步，所述外固定骨架上设置有多个扫查架安装孔，用于将本发明所述一种双频均匀涡流探头整体安装在扫查架上。
进一步优选地，所述扫查架安装孔有两个，对称分布于外固定骨架上。
本发明所述一种双频均匀涡流探头的装配方法为：
首先，将检测线圈放入屏蔽罩外筒内，将检测线圈的引线穿出屏蔽罩外筒，然后将检测线圈和屏蔽罩外筒整体放入外固定骨架的检测元件安装孔中，再将屏蔽罩顶盖安装在屏蔽罩外筒顶部。检测线圈、屏蔽罩外筒及屏蔽罩顶盖的中心应保持同轴，且保持屏蔽罩顶盖上表面和激励元件安装腔底部处于同一平面内。
其次，将小激励线圈绕制在内固定骨架上，再将大激励线圈绕制在小激励线圈上，然后将激励元件装入外固定骨架的激励元件安装腔中，激励元件底部与屏蔽罩顶盖上表面接触。大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架、外固定骨架的宽度相同，其外侧面保持在同一平面内，中心线保持同轴，并保持相对位置固定不变。大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架两端端面均分别与外固定骨架激励元件安装腔的两个端口齐平。
然后，将所有线圈的引线穿出外固定骨架。
最后，将整个探头安装在扫查架上。
基于上述方案，本发明采用的另一个技术方案是：一种利用上述一种双频均匀涡流探头对深裂纹进行检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 探头装配：按上述方法进行装配；
S2. 将大激励线圈和小激励线圈的引线连接至两个交流电源，将检测线圈的线圈引线连接至示波器，以便施加激励信号、接收结果；
S3. 向大激励线圈和小激励线圈中持续通入频率不同、电流大小不同、相位不同的稳态正弦交变电流进行激励；
S4. 使探头在试件材料表面进行扫查；采用两组探头组合扫查的方式对试件表面进行检测，且使两组探头的激励线圈轴线相互垂直，沿扫查路径同步扫查试件表面一次；缺陷处的涡流场受到缺陷的扰动，通过扰动磁场将缺陷信息反馈到检测线圈中；
S5. 将检测线圈中的检测信号输入到示波器中；
S6. 提取示波器所获得的检测线圈测得的电压信号，并与无缺陷时的电压信号进行比较，即可判断材料中是否存在缺陷；通过与标定曲线比较，可确定缺陷的实际深度。
进一步，小激励线圈中电流I2与大激励线圈中电流I1的比例为I2/I1=4-6，相位差为100-160度。
探头的主要配置参数包括线圈尺寸、激励频率，以及两个激励线圈的激励电流大小比例和相位差。本发明中两个矩形激励线圈中激励电流大小比例、相位差以及激励频率的配合直接影响材料中涡流渗透深度的大小。不同频率、大小的激励电流在材料深度方向所产生的涡流分布不同，而激励电流大小和材料中感应产生的涡流大小成线性关系，通过调整激励电流的大小比例和相位差，使材料表面涡流密度为零，即可有效降低涡流的集肤效应。本发明优选采取两个较大的矩形涡流线圈作为激励线圈，一个较小的圆形涡流线圈作为检测线圈，采集检测信号。两个矩形激励线圈内外嵌套，检测线圈位于外矩形线圈的正下方位置，顶部及周围被磁场屏蔽外壳包围。两个频率的激励信号同时激励时，小激励线圈中电流大小为大激励线圈中电流大小的4-6倍，相位差保持在100-160度，对深度缺陷可得到较好的检测效果。
本发明的原理是：
本发明为了增大涡流渗透深度，采用两个矩形激励线圈内外嵌套，在两个激励线圈中分别通入大小和相位不同的不同频率的正弦激励电流同时激励，在材料表面及内部感应出方向相反、分布不同的涡流。且通过设置适当的激励参数，使材料表面的涡流等值反向，叠加结果为零，从而使材料内部深处的涡流密度变大。两个频率的激励信号同时激励时，在特定激励时刻才会出现渗透深度增大的情况。再通过求解两个激励信号幅值相等的非线性方程，从电压时域检测信号中提取特定时刻的深层裂纹信号。通过对检测线圈中的感应电压信号进行处理并与无缺陷时的电压信号进行比较，即可判断材料中是否存在缺陷。通过与标定曲线比较，可确定缺陷的实际深度。
本发明还提供了利用上述双频均匀涡流探头激励时深层缺陷检测信号的提取方法，其特征在于：通过求解以下三角函数方程，得到材料表面涡流密度叠加为零的时间点t，该时间点t即小激励线圈和大激励线圈中的双频激励信号图上两激励曲线幅值比为倍、方向相反的同一时刻的两点，在此时刻提取检测电压信号即可用于裂纹深度判断。
，
；
令，k前面的负号“-”表示反相（即相差180度）。
其中，i 1和i 2分别是大激励线圈和小激励线圈的激励电流；
f 1和f 2分别是大激励线圈和小激励线圈的激励频率；
A 1和A 2 分别是大激励线圈和小激励线圈的激励电流i 1和i 2的幅值；
，为电流大小调节倍数，是小激励线圈和大激励线圈中激励电流i 2和i 1的幅值和之比；
和分别是大激励线圈和小激励线圈的激励电流的相位；
，是两个激励线圈以相同大小和相位的激励电流分别激励时在材料表面所产生的涡流密度的相位差；
t是时间。
提取检测电压信号时，为了使这两个激励电流在材料表面所感应的涡流密度叠加为零，需要同时调整激励电流的幅值和相位。当满足i 2的幅值是i 1的幅值的k倍、且二者相位相反时，才能使其二者在材料表面所感应出的涡流密度大小相等、方向相反而抵消为零，同时材料内部涡流密度叠加之和不为零，这样检测线圈所检测到的就是材料内部涡流场的信号，所以激励电流i 1和i 2应满足条件：。
本发明的有益效果：
1、本发明的一种双频均匀涡流探头，分辨率高、灵敏度好、检测速度快，检测效率高。
2、本发明采用带磁场屏蔽外壳的圆形线圈作为检测元件，消除了激励磁场对检测信号的干扰，提高了检测线圈的灵敏度。
3、本发明使用双频正弦信号同时激励，在材料中产生渗透深度较大的均匀涡流，可获得信噪比较大的深裂纹检测信号。以涡流密度峰值为基准计算标准渗透深度，双频均匀涡流探头的渗透深度可达到常规单频均匀涡流探头的3.5倍左右，对比实验结果表明，使用双频均匀涡流探头检测，在SUS304不锈钢中的渗透深度最大可达到22mm左右。
4、本发明提供了双频正弦交变电流同时激励时深层缺陷检测信号的提取方法。
附图说明
图1为本发明实施例1所述双频均匀涡流探头装配图；
图2为本发明实施例2所述双频均匀涡流探头扫查方案图；
图3为本发明实施例2所述两个激励线圈中的双频激励信号图；
图4为本发明实施例2所述由检测线圈得到的电压检测信号图；
图5为本发明实施例3所述双频均匀涡流探头在5kHz、1kHz两种激励频率组合时的涡流密度与渗透深度的线性关系图；
图6为本发明实施例3和实施例4所述常规单频均匀涡流探头在1kHz激励频率激励时的涡流密度与渗透深度的线性关系图；
图7为本发明实施例3所述常规单频均匀涡流探头在5kHz激励频率激励时的涡流密度与渗透深度的线性关系图；
图8为本发明实施例4所述双频均匀涡流探头在10kHz、1kHz两种激励频率组合时的涡流密度与渗透深度的线性关系图；
图9为本发明实施例4所述常规单频均匀涡流探头在10kHz激励频率激励时涡流密度与渗透深度的线性关系图；
图中零部件、部位及编号：
1-大激励线圈；2-小激励线圈；3-内固定骨架；4-检测线圈；5-屏蔽罩外筒；6-屏蔽罩顶盖；7-检测元件安装孔；8-外固定骨架；9-甲出线孔；10-激励元件安装腔；11-扫查架安装孔；12-检测线圈引线出线孔；13-乙出线孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的内容并不局限于此。
实施例1：
如图1所示，一种双频均匀涡流探头，包括激励元件、检测元件和外固定骨架8；所述检测元件位于激励元件下方；其特征在于：所述外固定骨架8上设置有激励元件安装腔10；所述激励元件安装腔10底部设置有检测元件安装孔7；
所述激励元件包括大激励线圈1、小激励线圈2和内固定骨架3；所述小激励线圈2绕制在内固定骨架3上，所述大激励线圈1绕制在小激励线圈2上，所述激励元件嵌套安装于所述外固定骨架8的激励元件安装腔10内；
所述检测元件安装孔7不是通孔；所述检测元件包括检测线圈4、屏蔽罩外筒5和屏蔽罩顶盖6；所述屏蔽罩外筒5嵌套安装于检测元件安装孔7内；所述检测线圈4嵌套安装于屏蔽罩外筒5内；所述屏蔽罩顶盖6可拆卸安装在屏蔽罩外筒5顶部，与屏蔽罩外筒5共同构成检测线圈4的屏蔽外壳。
所述大激励线圈1和小激励线圈2均为矩形涡流线圈，所述激励元件安装腔10为长方体通孔。
所述检测线圈4为圆形涡流线圈，直径小于小激励线圈2的宽度。
所述大激励线圈1、小激励线圈2和内固定骨架3两端端面均分别与外固定骨架8激励元件安装腔10的两个端口齐平。
所述检测线圈4位于大激励线圈1的正下方几何中心位置。
所述屏蔽罩顶盖6上表面和激励元件底部接触。
所述屏蔽罩外筒5、检测线圈4以及屏蔽罩顶盖6中心位于同一轴线上。
所述外固定骨架8呈长方体，其上还设置有供大激励线圈1、小激励线圈2的引线穿出外固定骨架8的甲出线孔9和供检测线圈4的引线穿出外固定骨架8的乙出线孔13。
所述外固定骨架8和内固定骨架3均由PVC材料制成。
所述大激励线圈1、小激励线圈2和检测线圈4均由漆包线绕制而成。
所述外固定骨架8上设置有两个扫查架安装孔11，对称分布于外固定骨架8上。
由实施例1所得一种双频均匀涡流探头的装配图，见图1。
实施例2：
如图2所示，在实施例1 的基础上，一种利用上述一种双频均匀涡流探头对深裂纹缺陷进行检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 探头装配：按以下方法进行：
首先，将检测线圈4放入屏蔽罩外筒5内，将检测线圈4引线从屏蔽罩外筒5的筒体上的检测线圈引线出线孔12穿出，然后将检测线圈4和屏蔽罩外筒5整体放入外固定骨架8的检测元件安装孔7中，再将屏蔽罩顶盖6安装在屏蔽罩外筒5顶部。检测线圈4、屏蔽罩外筒5及屏蔽罩顶盖6的中心应保持同轴，且保持屏蔽罩顶盖6上表面和激励元件安装腔10底部处于同一平面内。
其次，将小激励线圈2绕制在内固定骨架3上，再将大激励线圈1绕制在小激励线圈2上，然后将激励元件装入外固定骨架8的激励元件安装腔10中，激励元件底部与屏蔽罩顶盖6上表面接触。大激励线圈1、小激励线圈2和内固定骨架3、外固定骨架8的宽度相同，其外侧面保持在同一平面内，中心线保持同轴，并保持相对位置固定不变。大激励线圈1、小激励线圈2和内固定骨架3两端端面均分别与外固定骨架8激励元件安装腔10的两个端口齐平。
然后，将检测线圈4的引线由外固定骨架8上的乙出线孔13穿出外固定骨架8；将大激励线圈1和小激励线圈2的引线由外固定骨架8上的甲出线孔9穿出。
最后，将整个探头通过扫查架安装孔11安装在扫查架上。
S2. 将大激励线圈1和小激励线圈2的引线分别连接至两个交流电源，将检测线圈4的线圈引线连接至示波器，以便施加激励信号、接收结果。
S3. 向大激励线圈1和小激励线圈2中持续通入频率不同、电流大小不同、相位不同的稳态正弦交变电流进行激励。
S4. 使探头在试件材料表面进行扫查；扫查时，采用两组探头组合扫查的方式对试件表面进行检测，且使两组探头的激励线圈轴线相互垂直，沿扫查路径同步扫查试件表面一次；缺陷处的涡流场受到缺陷的扰动，通过扰动磁场将缺陷信息反馈到检测线圈4中；本步骤中的扫查路径如图2双频均匀涡流探头扫查方案图所示。
S5. 将检测线圈4中的检测信号输入到示波器中。
S6. 提取示波器所获得的检测线圈4测得的电压信号，并与无缺陷时的电压信号进行比较，即可判断材料中是否存在缺陷；通过与标定曲线比较，可确定缺陷的实际深度。
步骤S6中，检测信号的提取方法具体为：
通过求解以下三角函数方程，得到材料表面涡流密度叠加为零的时间点t，该时间点t即小激励线圈2和大激励线圈1中的双频激励信号图上两激励曲线幅值比为倍、方向相反的同一时刻的两点，如图3两个激励线圈中的双频激励信号图所示，在此时刻提取电压检测信号，如图4由检测线圈4得到的电压检测信号图所示，在此时刻提取检测电压信号即可用于裂纹深度判断。
，
；
令，k前面的负号“-”表示反相（即相差180度）。
其中，i 1和i 2分别是大激励线圈1和小激励线圈2的激励电流；
f 1和f 2分别是大激励线圈1和小激励线圈2的激励频率；
A 1和A 2 分别是大激励线圈1和小激励线圈2的激励电流i 1和i 2的幅值；
，为电流大小调节倍数，是小激励线圈2和大激励线圈1中激励电流i 2和i 1的幅值和之比；
和分别是大激励线圈1和小激励线圈2的激励电流的相位；
，是两个激励线圈以相同大小和相位的激励电流分别激励时在材料表面所产生的涡流密度的相位差；
t是时间。
提取检测电压信号时，为了使这两个激励电流在材料表面所感应的涡流密度叠加为零，需要同时调整激励电流的幅值和相位。当满足i 2的幅值是i 1的幅值的k倍、且二者相位相反时，才能使其二者在材料表面所感应出的涡流密度大小相等、方向相反而抵消为零，同时材料内部涡流密度叠加之和不为零，这样检测线圈4所检测到的就是材料内部涡流场的信号，所以激励电流i 1和i 2应满足条件：。
实施例3：
为验证双频均匀涡流探头对厚壁深裂纹缺陷进行检测时的渗透深度优于相应常规单频均匀涡流探头，在实施例2的基础上，采用SUS304不锈钢试件，用5kHz、1kHz两种激励频率，进行双频均匀涡流探头和常规单频均匀涡流探头的渗透深度对比实验。
1. 采用双频均匀涡流探头进行实验时，向大激励线圈1中输入5kHz、1A的电流，向小激励线圈2中输入1kHz、4A的电流；双频均匀涡流探头的配置参数、检测方法及结果具体如下。
A. 配置参数
① 大激励线圈1基本尺寸：截面长Lx1=20mm，轴向长Ly1=20mm，截面高Lz1=20mm，厚Δt1=1mm；
小激励线圈2基本尺寸：截面长Lx2=18mm，轴向长Ly2=18mm，截面高Lz2=20mm，厚Δt2=1mm；
② 大激励线圈1和小激励线圈2的激励频率分别为： f 1=5kHz和 f 2=1kHz；
③ 大激励线圈1和小激励线圈2中的激励电流大小分别为：I 1=1A和I2=4A，
激励电流相位差：160°；
④ 检测线圈4基本尺寸：外半径ro3 =1.6mm，内半径ri3 =0.6mm，高度hC3=0.8mm；
⑤ 屏蔽罩外筒5基本尺寸：外半径ro4 =1.8mm，内半径ri4 =1.6mm，高度hC4=0.8mm；
⑥ 屏蔽罩顶盖6基本尺寸：外半径ro5 =1.8mm，厚度Δt5=0.2mm。
B. 检测方法：
如图2所示，按照实施例2中的方法，进行检测。
C. 结果：
由实施例3所得双频均匀涡流探头在5kHz、1kHz两种激励频率组合时涡流密度与渗透深度的线性关系图，见图5，由图5中曲线可计算得出，使用5kHz和1kHz激励频率组合时，渗透深度可以达到22mm。
2. 在实施例1和2的基础上，只安装大激励线圈1和检测线圈4，而不安装小激励线圈2、屏蔽罩外筒5和屏蔽罩顶盖6，得到常规单频均匀涡流探头，进行实验。方法及结果如下：
① 向大激励线圈1中输入频率f 1 =5kHz、电流I 1=1A的稳态正弦激励电流，采用与同时安装大激励线圈1和小激励线圈2时相同的方法进行实验；所得常规单频均匀涡流探头在5kHz激励频率激励时的涡流密度与渗透深度的线性关系图，见图7；由图7中曲线可计算得出，5kHz单频率激励时的渗透深度为6.4mm；
② 向大激励线圈1中输入频率f 2 =1kHz、电流I 2 =1A的稳态正弦激励电流，采用与同时安装大激励线圈1和小激励线圈2时相同的方法进行实验；所得常规单频均匀涡流探头在1kHz激励频率激励时的涡流密度与渗透深度的线性关系图，见图6；由图6中曲线可计算得出，1kHz单频率激励时的渗透深度为8.9mm。
3. 双频激励与单频激励结果对比：
双频均匀涡流探头在5kHz和1kHz激励频率组合时的渗透深度和常规单频均匀涡流探头在5kHz和1kHz两种激励频率分别激励时所得的渗透深度的对比，见表1：
由以上结果可知，使用双频均匀涡流探头在5kHz和1kHz激励频率组合时，渗透深度可达22mm，大于相应单频率分别激励所得渗透深度。
实施例4：
为进一步验证双频均匀涡流探头对厚壁深裂纹缺陷进行检测时的渗透深度优于相应常规单频均匀涡流探头，在实施例2的基础上，采用SUS304不锈钢试件，进一步用10kHz、1kHz两种激励频率，进行双频均匀涡流探头和常规单频均匀涡流探头的渗透深度对比实验。
1. 采用双频均匀涡流探头进行实验时，向大激励线圈1中输入10kHz、1A的电流，向小激励线圈2中输入1kHz、6A的电流；双频均匀涡流探头的配置参数、检测方法及结果具体如下。
A. 配置参数
① 大激励线圈1基本尺寸：截面长Lx1=20mm，轴向长Ly1=20mm， 截面高Lz1=20mm，厚Δt1=1mm；
小激励线圈2基本尺寸：截面长Lx2=18mm，轴向长Ly2=18mm， 截面高Lz2=20mm，厚Δt2=1mm；
② 大激励线圈1和小激励线圈2的激励频率分别为： f 1=10kHz和 f 2=1kHz；
③ 大激励线圈1和小激励线圈2中的激励电流大小分别为：I 1=1A和I 2=6A，
激励电流相位差：150°；
④ 检测线圈4基本尺寸：外半径ro3 =1.6mm，内半径ri3 =0.6mm，高度hC3=0.8mm；
⑤ 屏蔽罩外筒5基本尺寸：外半径ro4 =1.8mm，内半径ri4 =1.6mm，高度hC4=0.8mm；
⑥ 屏蔽罩顶盖6基本尺寸：外半径ro5 =1.8mm，厚度Δt5=0.2mm。
B. 检测方法：
如图2所示，按照实施例2中的方法，进行检测。
C. 结果：
由实施例4所得双频均匀涡流探头在10kHz、1kHz两种激励频率组合时涡流密度与渗透深度的线性关系图，见图8，由图8中曲线可计算得出，使用10kHz和1kHz激励频率组合时，渗透深度可以达到18.7mm。
2. 在实施例1和2的基础上，只安装大激励线圈1和检测线圈4，而不安装小激励线圈2、屏蔽罩外筒5和屏蔽罩顶盖6，得到常规单频均匀涡流探头，进行实验。方法及结果如下：
① 向大激励线圈1中输入频率f 1 =10kHz、电流I 1=1A的稳态正弦激励电流，采用与同时安装大激励线圈1和小激励线圈2时相同的方法进行实验；所得常规单频均匀涡流探头在10kHz激励频率激励时的涡流密度与渗透深度的线性关系图，见图9；由图9中曲线可计算得出，10kHz单频率激励时的渗透深度为5.3mm；
② 向大激励线圈1中输入频率f 2 =1kHz、电流I 2 =1A的稳态正弦激励电流，采用与同时安装大激励线圈1和小激励线圈2时相同的方法进行实验；所得常规单频均匀涡流探头在1kHz激励频率激励时的涡流密度与渗透深度的线性关系图，见图6。由图6中曲线可计算得出，1kHz单频率激励时的渗透深度为8.9mm。
3. 双频激励与单频激励结果对比：
双频均匀涡流探头在10kHz和1kHz激励频率组合时的渗透深度和常规单频均匀涡流探头在10kHz和1kHz两种激励频率分别激励时所得的渗透深度的对比，见表2：
由以上结果可知，使用双频均匀涡流探头在10kHz和1kHz激励频率组合时，渗透深度可达18.7mm，均大于相应单频率分别激励所得渗透深度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的权利范围。任何以本申请专利范围所涵盖的权利范围实施的技术方案，或者任何熟悉本领域的技术人员，利用上述揭示的方法内容做出许多可能的变动和修饰的方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双频均匀涡流探头，包括激励元件、检测元件和外固定骨架(8)；所述检测元件位于激励元件下方；其特征在于：所述外固定骨架(8)上设置有激励元件安装腔(10)；所述激励元件安装腔(10)底部设置有检测元件安装孔(7)；
所述激励元件包括大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和内固定骨架(3)；所述小激励线圈(2)绕制在内固定骨架(3)上，所述大激励线圈(1)绕制在小激励线圈(2)上，所述激励元件嵌套安装于所述外固定骨架(8)的激励元件安装腔(10)内；
所述检测元件包括检测线圈(4)、屏蔽罩外筒(5)和屏蔽罩顶盖(6)；所述屏蔽罩外筒(5)嵌套安装于检测元件安装孔(7)内；所述检测线圈(4)嵌套安装于屏蔽罩外筒(5)内；所述屏蔽罩顶盖(6)可拆卸安装在屏蔽罩外筒(5)顶部，与屏蔽罩外筒(5)共同构成检测线圈(4)的屏蔽外壳。
2.如权利要求1所述的一种双频均匀涡流探头，其特征在于：所述大激励线圈(1)和小激励线圈(2)均为矩形涡流线圈，所述激励元件安装腔(10)为长方体通孔。
3.如权利要求2所述的一种双频均匀涡流探头，其特征在于：所述检测线圈(4)为圆形涡流线圈，直径小于小激励线圈(2)的宽度。
4. 如权利要求3所述的一种双频均匀涡流探头，其特征在于：所述大激励线圈(1)的截面长Lx1为20mm，轴向长Ly1为20mm，截面高Lz1为20mm，厚Δt1=1mm，所述小激励线圈(2)的截面长Lx2为18mm，轴向长Ly2为18mm，截面高Lz2为20mm，厚Δt2=1mm，所述检测线圈(4)的外半径ro3为1.6mm，内半径ri3为0.6mm， 截面高hc3为0.8mm。
5.如权利要求1所述的一种双频均匀涡流探头，其特征在于：所述大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和内固定骨架(3)两端端面均分别与外固定骨架(8)激励元件安装腔(10)的两个端口齐平。
6.如权利要求1所述的一种双频均匀涡流探头，其特征在于：所述检测线圈(4)位于大激励线圈(1)的正下方几何中心位置；所述屏蔽罩外筒(5)、检测线圈(4)以及屏蔽罩顶盖(6)中心位于同一轴线上。
7.如权利要求1所述的一种双频均匀涡流探头，其特征在于：所述外固定骨架(8)呈长方体，其上还设置有供大激励线圈(1)、小激励线圈(2)的引线穿出外固定骨架(8)的甲出线孔(9)和供检测线圈(4)的引线穿出外固定骨架(8)的乙出线孔(13)。
8.如权利要求1所述的一种双频均匀涡流探头，其特征在于：所述外固定骨架(8)和内固定骨架(3)均由PVC材料制成；所述大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和检测线圈(4)均由漆包线绕制而成。
9.用权利要求1-8所述的一种双频均匀涡流探头对深裂纹进行检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 探头装配；
S2. 将大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的引线分别连接至两个交流电源，将检测线圈(4)的线圈引线连接至示波器；
S3. 向大激励线圈(1)和小激励线圈(2)中持续通入频率不同、电流大小不同、相位不同的稳态正弦交变电流进行激励；所述小激励线圈(2)中电流与大激励线圈(1)中电流的比例为I2/I1=4-6，相位差为100-160度，其中，I1为大激励线圈(1)中电流，I2为小激励线圈(2)中电流；
S4. 通过扫查部件，使探头在试件材料表面进行扫查；采用两组探头组合扫查的方式对试件表面进行检测，且使两组探头的激励线圈轴线相互垂直，沿扫查路径同步扫查试件表面一次；
S5. 将检测线圈(4)中的检测信号输入到示波器中；
S6. 提取示波器所获得的检测线圈(4)测得的电压信号，并与无缺陷时的电压信号进行比较，即可判断材料中是否存在缺陷；通过与标定曲线比较，可确定缺陷的实际深度。
10.用权利要求1-8所述的一种双频均匀涡流探头激励时深层缺陷检测信号的提取方法，其特征在于：通过求解以下三角函数方程，得到材料表面涡流密度叠加为零的时间点t，该时间点t即小激励线圈(2)和大激励线圈(1)中的双频激励信号图上两激励曲线幅值比为倍、方向相反的同一时刻的两点，在此时刻提取检测电压信号即可用于裂纹深度判断：
，
；
令，k前面的负号“-” 表示反相，即相差180度；
其中，i 1和i 2分别是大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的激励电流；
f 1和f 2分别是大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的激励频率；
A 1和A 2 分别是大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的激励电流i 1和i 2的幅值；
，为电流大小调节倍数，是小激励线圈(2)和大激励线圈(1)中激励电流i 2和i 1的幅值和之比；
和分别是大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的激励电流的相位；
，是两个激励线圈以相同大小和相位的激励电流分别激励时在材料表面所产生的涡流密度的相位差；
t是时间。
CN201811644512.6A 2018-12-30 2018-12-30 一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术 Active CN109406621B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811644512.6A CN109406621B (zh) 2018-12-30 2018-12-30 一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811644512.6A CN109406621B (zh) 2018-12-30 2018-12-30 一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109406621A true CN109406621A (zh) 2019-03-01
CN109406621B CN109406621B (zh) 2023-05-26

Family

ID=65461489

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811644512.6A Active CN109406621B (zh) 2018-12-30 2018-12-30 一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109406621B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110133097A (zh) * 2019-06-12 2019-08-16 清华大学 一种埋地管道环焊缝检测装置及检测方法
CN111999380A (zh) * 2020-09-25 2020-11-27 北方民族大学 一种检测分层缺陷的涡流叠加探头及检测方法
CN112034037A (zh) * 2020-09-25 2020-12-04 北方民族大学 一种多类型缺陷的新型涡流同步检测方法及探头
CN112268950A (zh) * 2020-08-31 2021-01-26 北京工业大学 一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器
CN112730603A (zh) * 2020-10-13 2021-04-30 爱德森（厦门）电子有限公司 一种提高涡流检测裂纹深度检测范围的方法及其系统装置
CN114720556A (zh) * 2022-03-30 2022-07-08 中国民航大学 用于cfrp层压板缺陷检测的平切式传感器探头及扫描检测方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5021738A (en) * 1990-03-26 1991-06-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Field variable, electronically controlled, nested coil eddy current probe
US6636037B1 (en) * 2000-03-31 2003-10-21 Innovative Materials Testing Technologies Super sensitive eddy-current electromagnetic probe system and method for inspecting anomalies in conducting plates
JP2010085298A (ja) * 2008-10-01 2010-04-15 Hitachi Ltd パルス励磁型渦電流探傷方法及び探傷装置
CN204882460U (zh) * 2015-06-12 2015-12-16 江南大学 基于多层组合式激励线圈的脉冲涡流检测系统
CN106596713A (zh) * 2016-11-23 2017-04-26 电子科技大学 一种高信噪比的无损检测探头系统
CN106932472A (zh) * 2017-03-05 2017-07-07 北京工业大学 一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器
CN108344798A (zh) * 2018-04-20 2018-07-31 北方民族大学 一种检测厚壁深裂纹缺陷的双频激励圆形涡流探头及方法
CN209264632U (zh) * 2018-12-30 2019-08-16 北方民族大学 一种双频均匀涡流探头

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5021738A (en) * 1990-03-26 1991-06-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Field variable, electronically controlled, nested coil eddy current probe
US6636037B1 (en) * 2000-03-31 2003-10-21 Innovative Materials Testing Technologies Super sensitive eddy-current electromagnetic probe system and method for inspecting anomalies in conducting plates
JP2010085298A (ja) * 2008-10-01 2010-04-15 Hitachi Ltd パルス励磁型渦電流探傷方法及び探傷装置
CN204882460U (zh) * 2015-06-12 2015-12-16 江南大学 基于多层组合式激励线圈的脉冲涡流检测系统
CN106596713A (zh) * 2016-11-23 2017-04-26 电子科技大学 一种高信噪比的无损检测探头系统
CN106932472A (zh) * 2017-03-05 2017-07-07 北京工业大学 一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器
CN108344798A (zh) * 2018-04-20 2018-07-31 北方民族大学 一种检测厚壁深裂纹缺陷的双频激励圆形涡流探头及方法
CN209264632U (zh) * 2018-12-30 2019-08-16 北方民族大学 一种双频均匀涡流探头

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHENMAO CHEN, ET AL.: "Advanced MFLT for detecting far side defects in a welding part of an austenitic stainless steel plate", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ELECTROMAGNETICS AND MECHANICS》 *
冯婷婷 等: "基于Ansys仿真的双频涡流管道裂纹检测中干扰信号的剔除" *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110133097A (zh) * 2019-06-12 2019-08-16 清华大学 一种埋地管道环焊缝检测装置及检测方法
CN112268950A (zh) * 2020-08-31 2021-01-26 北京工业大学 一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器
CN111999380A (zh) * 2020-09-25 2020-11-27 北方民族大学 一种检测分层缺陷的涡流叠加探头及检测方法
CN112034037A (zh) * 2020-09-25 2020-12-04 北方民族大学 一种多类型缺陷的新型涡流同步检测方法及探头
CN112730603A (zh) * 2020-10-13 2021-04-30 爱德森（厦门）电子有限公司 一种提高涡流检测裂纹深度检测范围的方法及其系统装置
CN114720556A (zh) * 2022-03-30 2022-07-08 中国民航大学 用于cfrp层压板缺陷检测的平切式传感器探头及扫描检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109406621B (zh) 2023-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109406621A (zh) 一种双频均匀涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术
Tian et al. Defect classification using a new feature for pulsed eddy current sensors
Wilson et al. Pulsed electromagnetic methods for defect detection and characterisation
CN108344798B (zh) 一种检测厚壁深裂纹缺陷的双频激励圆形涡流探头及方法
CN109406624A (zh) 一种双频阵列涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术
Angani et al. The pulsed eddy current differential probe to detect a thickness variation in an insulated stainless steel
CN109406622A (zh) 检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头及方法
CN109406623A (zh) 用于检测深裂纹的圆形相切式涡流探头及方法
Janousek et al. Novel insight into swept frequency eddy-current non-destructive evaluation of material defects
CN109444257A (zh) 一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测装置及方法
CN108195280A (zh) 一种基于涡流检测的大型容器不锈钢钢衬厚度评价方法
Gong et al. Development of a cone-shaped pulsed eddy current sensor
CN209264632U (zh) 一种双频均匀涡流探头
Okolo et al. Axial magnetic field sensing for pulsed magnetic flux leakage hairline crack detection and quantification
CN209264631U (zh) 一种双频阵列涡流探头
Bernieri et al. Characterization of an eddy-current-based system for nondestructive testing
Stubendekova et al. Impact of defect extent on swept frequency eddy current responses in non-destructive evaluation
Silva et al. Corrosion inspection using pulsed eddy current
CN209280635U (zh) 检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头
Singh et al. Thickness evaluation of aluminium plate using pulsed eddy current technique
CN209280634U (zh) 用于检测深裂纹的圆形相切式涡流探头
EP1877767A2 (en) Near fieldtm and combination near fieldtm - remote field electromagnetic testing (et) probes for inspecting ferromagnetic pipes and tubes such as those used in heat exchangers
US20070108971A1 (en) Eddy current inspection of materials
CN208076453U (zh) 一种检测厚壁深裂纹缺陷的双频激励圆形涡流探头
Janousek et al. Utilization of two-directional AC current distribution for enhancing sizing ability of electromagnetic nondestructive testing methods

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant