CN109406622A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及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。本发明探头包括激励元件、检测元件和固定架(9)；所述固定架(9)包括扫查架连接部(91)及元件安装部(92)，元件安装部(92)上设有元件安装面(921)；所述激励元件由大激励线圈(1)、大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈(2)、小激励线圈绕线柱(7)组成；所述检测元件包括检测线圈(3)、检测线圈绕线柱(8)、磁场屏蔽板(4)和磁场屏蔽筒(5)；所述大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈绕线柱(7)和检测线圈绕线柱(8)依次线性排列，底端分别垂直固定安装在元件安装面(921)上。本发明探测深度大，可达25mm。

Description

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
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。
背景技术
涡流检测是常规无损检测技术之一，是以电磁感应原理为基础，依据材料电磁性能变化来对材料及构件实施缺陷探测和性能测试的电磁检测方法。涡流检测方法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。该法具有非接触、检测速度快的特点和浅裂纹定量方面的优势，是一种对表面和近表面缺陷进行定量无损评价的有效方法。涡流检测方法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。
目前常规涡流检测基本停留在近表层缺陷的检测，因为存在明显的集肤效应，涡流被限制在导体表面及近表面，所以对装备零件中较深缺陷以及深层缺陷识别能力有限。涡流的标准渗透深度是指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。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。增加涡流探头的穿透能力常采用低频激励、远场涡流以及脉冲涡流。虽然通过优化激励频率等措施，可以在一定程度上提高对深裂纹的检测效果，但同时存在其他问题：如采用低频激励及远场涡流虽然可增大涡流渗透深度、提高探头检测深层缺陷的能力，但同时会导致探头分辨率低、信噪比低、检测速度低，并引发了探头的速度效应和检测信号分辨困难等问题；采用脉冲涡流利用多频信号检测缺陷，相对于传统涡流检测具有一定优势，但脉冲涡流信号在产生、传输及接收过程中，会受到噪声污染，所采用的霍尔元件灵敏度不高，分辨率易受偏移量和噪声影响。
常规均匀涡流探头虽然解决了分辨率低、信噪比低等问题，但仍无法摆脱集肤效应的限制，所能探测到的裂纹深度有限，对较深裂纹仍然无法获得理想的检测结果，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。
综上，现有技术存在的主要问题有：(1)传统涡流探头所产生的涡流渗透深度过小，难以检测到深裂纹的问题；(2)深裂纹检测信号受激励磁场噪声干扰的问题；(3)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检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头及检测方法，通过利用尺寸大小不等的两个圆形激励线圈保持一定中心距成线性排列，并通以大小不等的反向激励电流，分别在材料深度方向上产生不同分布的涡流，且使材料表面涡流反向抵消，材料内部涡流密度变大，在试件材料中产生可检测深裂纹的涡流分布，从而达到增加渗透深度的目的。和常规涡流探头及低频激励方法等现有技术相比，本发明可有效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，可用于厚壁构件开口疲劳深裂纹及应力腐蚀深裂纹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：检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，包括激励元件、检测元件和固定架；其特征在于：所述固定架包括扫查架连接部及元件安装部，所述元件安装部上设置有元件安装面；所述激励元件、检测元件均安装在所述元件安装面上；
所述大激励线圈绕制在大激励线圈绕线柱上，所述小激励线圈绕制在小激励线圈绕线柱上；
所述激励元件包括大激励线圈、大激励线圈绕线柱、小激励线圈、小激励线圈绕线柱；所述大激励线圈绕线柱、小激励线圈绕线柱垂直固定安装在固定架的元件安装面上；
所述检测元件安装在激励元件旁边，包括检测线圈、检测线圈绕线柱、磁场屏蔽板和磁场屏蔽筒；所述磁场屏蔽板为一圆形片，中心开设有供检测线圈绕线柱穿过的通孔；所述磁场屏蔽筒为两端开口的筒；所述磁场屏蔽板、检测线圈和磁场屏蔽筒依次套在检测线圈绕线柱上，检测线圈位于磁场屏蔽板和磁场屏蔽筒形成的屏蔽外壳内。
进一步，所述检测线圈绕线柱垂直固定安装在固定架的元件安装面上，与小激励线圈绕线柱、大激励线圈绕线柱依次线性排列；所述大激励线圈、小激励线圈和检测元件依次线性排列；所述大激励线圈、小激励线圈和检测元件依次线性排列。
进一步，所述检测元件有一组。
进一步，所述大激励线圈、小激励线圈和检测线圈均为圆形涡流线圈，其中，所述大激励线圈的直径大于小激励线圈的直径，小激励线圈的直径大于检测线圈的直径。
进一步，所述大激励线圈绕线柱和小激励线圈绕线柱的直径大于检测线圈绕线柱的直径。
进一步，所述大激励线圈、小激励线圈、大激励线圈绕线柱、小激励线圈绕线柱、检测线圈和检测线圈绕线柱顶端面齐平，以保持大激励线圈、小激励线圈和检测线圈在检测过程中固定的相对位置关系。
进一步，所述磁场屏蔽板、检测线圈和磁场屏蔽筒的轴线重合。
进一步，所述扫查架连接部上设置有多个安装孔，用于将所述连环式涡流探头整体安装在扫查架上。
进一步优选地，所述安装孔有两个，对称分布于扫查架连接部上。
进一步，所述大激励线圈绕线柱和小激励线圈绕线柱、检测线圈绕线柱和固定架均由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，所述固定架呈T字型；所述T字型水平部分即为元件安装部，所述T字型水平部分顶端面即为元件安装面，所述T字型竖直部分即为扫查架连接部。
进一步，分别采用频率相同、电流大小不同、相位不同的正弦交变电流对所述大激励线圈和小激励线圈进行激励，以在材料中产生具有较大穿透能力的涡流。
本发明所述连环式涡流探头的装配方法为：
首先，安装激励元件。先将大激励线圈绕线柱和小激励线圈绕线柱的一端分别垂直固定安装在固定架元件安装部的元件安装面上，再将大激励线圈和小激励线圈分别绕制在大激励线圈绕线柱和小激励线圈绕线柱上，保持大激励线圈、小激励线圈的顶端面和大激励线圈绕线柱、小激励线圈绕线柱顶端面齐平。
其次，安装检测元件。先将检测线圈绕线柱的一端垂直固定安装在固定架元件安装部的元件安装面上，使大激励线圈绕线柱、小激励线圈绕线柱和检测线圈绕线柱依次线性排列；将磁场屏蔽板安装在检测线圈绕线柱上，再将检测线圈绕在检测线圈绕线柱上，然后将磁场屏蔽筒套在检测线圈外围，使检测线圈底端和径向外围被磁场屏蔽板与磁场屏蔽筒形成的屏蔽外壳包围，并使磁场屏蔽板、磁场屏蔽筒和检测线圈中心保持同轴。
第三，线圈绕制完毕后，将整个探头通过固定架上的安装孔安装在扫查架上。
基于上述方案，本发明采用的另一个技术方案是：一种利用上述连环式涡流探头对检测开口疲劳及应力腐蚀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分别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；
S3. 向大激励线圈和小激励线圈中持续通入频率相同、电流大小不同、相位不同的稳态正弦交变电流进行激励；
S4. 通过扫查架使探头在试件材料表面进行扫查；扫查时，使检测线圈位于扫查方向的最前方，三个线圈成线性排列，和扫查路径共线，沿扫查路径进行扫查。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. 将示波器所获得的检测线圈测得的电压大小和标定曲线相比，即可得到缺陷的实际深度。
进一步，所述大激励线圈的尺寸为：外半径Ro1 =11.2mm，内半径Ri1 =9.2mm，高度H1=1.6mm； 所述小激励线圈的尺寸为：外半径Ro2 =3.2mm，内半径Ri2 =1.2mm，高度H2=1.6mm；
所述检测线圈基本尺寸为：外半径ro3 =1.6mm，内半径ri3 =0.6mm，高度hC3=0.8mm；
大激励线圈和小激励线圈的中心距: S1,2=28mm，小激励线圈和检测线圈的中心距：S2,3=5mm；
其中，S1,2为大激励线圈与小激励线圈的中心距，S2,3为小激励线圈与检测线圈的中心距；大激励线圈和小激励线圈的中心距以及小激励线圈与检测线圈的中心距对本发明连环式涡流探头的检测性能起着重要作用，直接影响深裂纹的检测结果，保持合适的距离可有效提高探头对裂纹的检测深度。
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=0.01-0.35，相位差为100-140度。
探头的主要配置参数包括线圈尺寸、中心距、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。本发明中两个激励线圈的尺寸、中心距及激励频率、激励电流大小和相位直接影响材料中涡流渗透深度的大小。当两个激励线圈的尺寸和中心距一定时，通过调整激励频率、激励电流的大小比例和相位差，可达到使材料表面涡流密度为零，提高涡流渗透深度的效果。本发明是先给定线圈大小、线圈中心距，然后计算两个激励线圈在检测线圈位置处产生的材料表面涡流密度，根据这两个涡流密度的大小，通过有限元软件计算得到对应的两个激励线圈中激励电流的大小。本发明检测线圈距离大激励线圈较远、距离小激励线圈较近，大激励线圈、小激励线圈和检测线圈呈线性排布。
通过分析试验证明，两个圆形激励线圈的中心距为S1,2=28mm、小激励线圈与检测线圈的中心距为S2,3=5mm时，小激励线圈中电流大小为大激励线圈中电流大小的0.01-0.35倍，相位差保持在100-140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，采用两个直径大小不等的圆形线圈作为激励源，并按一定距离线性排布。在两个激励线圈中分别通入大小和相位不同的相同频率正弦激励电流，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。材料中的深裂纹对材料内部的涡流产生扰动，扰动的涡流场通过二次次生磁场在检测线圈中产生感生电流，影响检测线圈的电压大小。通过对将有无裂纹时检测线圈电压信号之差和标定曲线进行比较，即可对材料中深裂纹的位置、尺寸大小进行判定。
本发明的有益效果：
1、本发明采用对方向不敏感的圆形涡流线圈作为激励线圈，在实际检测过程中，克服了矩形激励线圈产生的涡流对裂纹方向敏感、以及不易检出与涡流流向平行的裂纹缺陷的问题，从而有效避免裂纹漏检情况的发生。
2、本发明为了消除激励磁场对检测信号的干扰，提高检测线圈的灵敏度，采用带磁场屏蔽外壳的圆形线圈作为检测元件。
3、本发明的连环式涡流探头，分辨率高、灵敏度好、检测速度快，检测效率高，解决了现有技术中存在以下问题：试件材料表面涡流集肤效应影响深裂纹缺陷检测的问题；试件内部检测信号过小，检测不到内部缺陷的问题；涡流渗透深度小，涡流探头对深裂纹的检测能力低的问题。
4、本发明连环式涡流探头材料中产生的涡流渗透深度较大，所获得的深裂纹检测信号信噪比较大，探测深度大。在一定激励频率下，将本发明中大激励线圈、小激励线圈的中心距S1,2以及小激励线圈与检测线圈的中心距S2,3设置为S1,2=28mm、S2,3=5mm，小激励线圈与大激励线圈中电流大小比例保持在0.01-0.35倍，相位差保持在100-140度时可达到最佳检测效果，将示波器所获得的检测线圈测得的电压大小和标定曲线相比，连环式涡流探头的渗透深度可达到常规均匀涡流探头的2.9倍左右，为25mm左右。
附图说明
图1为本发明实施例1所述连环式涡流探头装配图；
图2为本发明实施例2所述连环式涡流探头裂纹扫查方案图；
图3为本发明实施例3所述连环式涡流探头和传统圆形涡流探头在10kHz激励频率激励时涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系对比图；
图4为本发明实施例4所述连环式涡流探头和传统圆形涡流探头在5kHz激励频率激励时涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系对比图；
图5为本发明实施例5所述连环式涡流探头和传统圆形涡流探头在1kHz激励频率激励时涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系对比图；
图中零部件、部位及编号：
1-大激励线圈；2-小激励线圈；3-检测线圈；4-磁场屏蔽板；5-磁场屏蔽筒；6-大激励线圈绕线柱；7-小激励线圈绕线柱；8-检测线圈绕线柱；9-固定架；91-扫查架连接部；92-元件安装部；921-元件安装面；10-安装孔。
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，检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，包括激励元件、检测元件和固定架9；其特征在于：所述固定架9包括扫查架连接部91及元件安装部92，所述元件安装部92上设置有元件安装面921；所述激励元件、检测元件均安装在所述元件安装面921上。
所述激励元件包括大激励线圈1、大激励线圈绕线柱6、小激励线圈2、小激励线圈绕线柱7；所述大激励线圈绕线柱6、小激励线圈绕线柱7垂直固定安装在固定架9的元件安装面921上；所述大激励线圈1绕制在大激励线圈绕线柱6上，所述小激励线圈2绕制在小激励线圈绕线柱7上。
所述检测元件安装在激励元件旁边，包括检测线圈3、检测线圈绕线柱8、磁场屏蔽板4和磁场屏蔽筒5；所述磁场屏蔽板4为一圆形片，中心开设有供检测线圈绕线柱8穿过的通孔；所述磁场屏蔽筒5为两端开口的筒；所述磁场屏蔽板4、检测线圈3和磁场屏蔽筒5依次套在检测线圈绕线柱8上，检测线圈3位于磁场屏蔽板4和磁场屏蔽筒5形成的屏蔽外壳内。
所述检测线圈绕线柱8垂直固定安装在固定架9的元件安装面921上，与小激励线圈绕线柱7、大激励线圈绕线柱6依次线性排列；所述大激励线圈1、小激励线圈2和检测元件依次线性排列。
所述检测元件有一组。
所述大激励线圈1、小激励线圈2和检测线圈3均为圆形涡流线圈；所述大激励线圈1的直径大于小激励线圈2的直径，小激励线圈2的直径大于检测线圈3的直径。
所述大激励线圈绕线柱6和小激励线圈绕线柱7的直径大于检测线圈绕线柱8的直径。
所述大激励线圈1和小激励线圈2分别完全绕制在大激励线圈绕线柱6和小激励线圈绕线柱7上，所述检测线圈3完全绕制在检测线圈绕线柱8上；所述大激励线圈1、小激励线圈2、大激励线圈绕线柱6、小激励线圈绕线柱7、检测线圈3和检测线圈绕线柱8顶端面齐平，以保持大激励线圈1、小激励线圈2和检测线圈3在检测过程中固定的相对位置关系。
所述磁场屏蔽板4、检测线圈3和磁场屏蔽筒5的轴线重合。
所述扫查架连接部91上设置有两个安装孔10，对称分布于扫查架连接部91上,用于将所述连环式涡流探头整体安装在扫查架上。
所述大激励线圈绕线柱6、小激励线圈绕线柱7、检测线圈绕线柱8和固定架9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3均由漆包线绕制而成。
由实施例1所得连环式涡流探头的装配图，见图1。
实施例2：
如图2所示，在实施例1 的基础上，一种利用上述连环式涡流探头对厚壁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：按如下方法操作：
首先，安装激励元件。先将大激励线圈绕线柱6和小激励线圈绕线柱7的一端分别垂直固定安装在固定架9元件安装部92的元件安装面921上，再将大激励线圈1和小激励线圈2分别绕制在大激励线圈绕线柱6和小激励线圈绕线柱7上，保持大激励线圈1、小激励线圈2的顶端面和大激励线圈绕线柱6、小激励线圈绕线柱7顶端面齐平。
其次，安装检测元件。先将检测线圈绕线柱8的一端垂直固定安装在固定架9元件安装部92的元件安装面921上，使大激励线圈绕线柱6、小激励线圈绕线柱7和检测线圈绕线柱8依次线性排列；将磁场屏蔽板4安装在检测线圈绕线柱8上，再将检测线圈3绕制在检测线圈绕线柱8上，然后将磁场屏蔽筒5套在检测线圈3外围，使检测线圈3底端和径向外围被磁场屏蔽板4和磁场屏蔽筒5形成的屏蔽外壳包围。磁场屏蔽筒5、检测线圈3以及磁场屏蔽板4中心保持同轴。
第三，线圈绕制完毕后，将整个探头通过安装孔10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3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中持续通入频率相同、电流大小不同、相位不同的稳态正弦交变电流进行激励；
S4. 通过扫查部件，使检测元件在试件材料表面进行扫查；扫查时，如图2所示，使检测线圈3位于扫查方向的最前方，三个线圈成线性排列，和扫查路径共线，沿扫查路径进行扫查。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3中；
S5. 将检测线圈3中的检测信号输入到示波器中；
S6. 将示波器所获得的检测线圈3的电压信号大小和标准试件的标定曲线比较，即可推断出缺陷的深度。
实施例3：
为验证连环式涡流探头对厚壁深裂纹缺陷进行检测时的渗透深度优于传统圆形涡流探头，在实施例1和2的基础上，用304奥氏体不锈钢试件，采用本发明连环式涡流探头和不安装小激励线圈2、检测线圈3，只安装大激线圈1并将其用于激励和缺陷检测时得到的传统自发自收式圆形涡流探头，并按如下参数配置及方法检测，用10kHz激励频率，进行对比实验。
1、传统自发自收式圆形涡流探头检测实验。
a. 在实施例1和2的基础上，只将大激励线圈1用于激励和缺陷检测，按如下配置及方法进行实验。
b. 传统圆形涡流探头配置：
所用大激励线圈1基本尺寸、激励频率、激励电流大小具体如下：
b1. 大激励线圈1基本尺寸：外半径Ro1 =11.2mm，内半径Ri1 =9.2mm，高度H1=1.6mm；
b2. 激励频率：f=10kHz；
b3. 激励电流：I=1A。
c. 检测方法：
向大激励线圈1中输入频率f=10kHz、电流I 1=1A的稳态正弦激励电流，采用与安装大激励线圈1、小激励线圈2和检测线圈3时相同的方法进行实验。
d. 检测结果：
所得传统圆形涡流探头在10kHz激励频率激励时试件中涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系，见图3；由图3中相应的曲线可计算得出，10kHz单频率激励时传统圆形涡流探头的渗透深度为6.3mm。
2、本发明连环式涡流探头检测实验。
a. 在实施例1和2的基础上，装配连环式涡流探头。
b. 连环式涡流探头配置：
b1. 激励线圈基本尺寸
大激励线圈1：外半径Ro1 =11.2mm，内半径Ri1 =9.2mm，高度H1=1.6mm；
小激励线圈2：外半径Ro2 =3.2mm，内半径Ri2 =1.2mm，高度H2=1.6mm；
b2. 激励频率：f=10kHz；
b3. 激励电流大小：I 1=1A, I 2=0.04A，激励电流相位差：Δφ=108°
b4. 大激励线圈1和小激励线圈2的中心距: S1,2=28mm，小激励线圈2和检测线圈3的中心距：S2,3=5mm；
b5. 检测线圈3基本尺寸：外半径ro3 =1.6mm，内半径ri3 =0.6mm，高度hC3=0.8mm；
b6. 磁场屏蔽筒5基本尺寸：外半径ro4 =1.8mm，内半径ri4 =1.6mm，高度hC4=0.8mm；
b7. 磁场屏蔽板4基本尺寸：外半径ro5 =1.8mm，厚度Δt5=0.2mm。
c. 检测方法：
向大激励线圈1中输入频率f=10kHz、电流I 1=1A和小激励线圈2中输入频率f=10kHz、电流I 2=0.04A的稳态正弦激励电流，激励电流相位差：Δφ=108º，采用实施例2所述方法进行实验。
d. 检测结果：
由实施例3所得连环式涡流探头在10kHz激励频率激励时试件中涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系，见图3；由图3中相应的曲线可计算得出，10kHz单频率激励时连环式涡流探头的渗透深度为14.2mm。
3、 本发明连环式涡流探头与传统自发自收式圆形涡流探头检测结果对比。
本发明连环式涡流探头在10kHz激励频率激励时的渗透深度和传统自发自收式圆形涡流探头在10kHz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，本发明连环式涡流探头的渗透深度能达到14.2mm，而传统圆形涡流探头仅能达到6.3mm，前者是后者的2.25倍。
实施例4：
为验证连环式涡流探头对厚壁深裂纹缺陷进行检测时的渗透深度优于传统圆形涡流探头，在实施例1和2的基础上，用304奥氏体不锈钢试件，采用本发明连环式涡流探头和只安装大激线圈1并将其用于激励和缺陷检测而不安装小激励线圈2、检测线圈3时得到的传统自发自收式圆形涡流探头，并按如下配置及方法，用5kHz激励频率，进行对比实验。
1、 传统自发自收式圆形涡流探头检测实验。
a. 在实施例1和2的基础上，只将大激励线圈1用于激励和缺陷检测，按如下配置及方法进行实验。
b. 传统圆形涡流探头配置：
所用大激励线圈1基本尺寸、激励频率、激励电流大小具体如下：
b1. 大激励线圈1基本尺寸：外半径Ro1 =11.2mm，内半径Ri1 =9.2mm，高度H1=1.6mm；
b2. 激励频率：f=5kHz；
b3. 激励电流：I=1A。
c. 检测方法：
向大激励线圈1中输入频率f=5kHz、电流I=1A的稳态正弦激励电流，采用与安装大激励线圈1、小激励线圈2和检测线圈3时相同的方法进行实验。
d. 检测结果：
所得传统圆形涡流探头在5kHz激励频率激励时试件中涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系，见图4；由图4中相应的曲线可计算得出，5kHz单频率激励时传统圆形涡流探头的渗透深度为7.2mm。
2、本发明连环式涡流探头检测实验。
a. 在实施例1和2的基础上，装配连环式涡流探头。
b. 连环式涡流探头配置：
b1. 激励线圈基本尺寸
大激励线圈1：外半径Ro1 =11.2mm，内半径Ri1 =9.2mm，高度H1=1.6mm；
小激励线圈2：外半径Ro2 =3.2mm，内半径Ri2 =1.2mm，高度H2=1.6mm；
b2. 激励频率：f=5kHz；
b3. 激励电流大小：I 1=1A, I 2=0.09A，激励电流相位差：Δφ=102°
b4. 大激励线圈1和小激励线圈2的中心距: S1,2=28mm，小激励线圈2和检测线圈3的中心距：S2,3=5mm；
b5. 检测线圈3基本尺寸：外半径ro3 =1.6mm，内半径ri3 =0.6mm，高度hC3=0.8mm；
b6. 磁场屏蔽筒5基本尺寸：外半径ro4 =1.8mm，内半径ri4 =1.6mm，高度hC4=0.8mm；
b7. 磁场屏蔽板4基本尺寸：外半径ro5 =1.8mm，厚度Δt5=0.2mm。
c. 检测方法：
向大激励线圈1中输入频率f=5kHz、电流I 1=1A和小激励线圈2中输入频率f=5kHz、电流I 2=0.09A的稳态正弦激励电流，激励电流相位差：Δφ=102º，采用实施例2所述方法进行实验。
d. 检测结果：
由实施例4所得连环式涡流探头在5kHz激励频率激励时试件中涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系，见图4；由图4中相应的曲线可计算得出，5kHz单频率激励时连环式涡流探头的渗透深度为17.7mm。
3、 本发明连环式涡流探头与传统自发自收式圆形涡流探头检测结果对比。
本发明连环式涡流探头在5kHz激励频率激励时的渗透深度和传统自发自收式圆形涡流探头在5kHz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，本发明连环式涡流探头能达到的渗透深度为17.7mm，而传统圆形涡流探头能达到的渗透深度为7.2mm，前者是后者的2.46倍。
实施例5：
为验证连环式涡流探头对厚壁深裂纹缺陷进行检测时的渗透深度优于传统圆形涡流探头，在实施例1和2的基础上，用304奥氏体不锈钢试件，采用本发明连环式涡流探头与只安装大激线圈1并将其用于激励和缺陷检测而不安装小激励线圈2、检测线圈3时得到的传统自发自收式圆形涡流探头，并按如下配置及方法，用1kHz激励频率，进行对比实验。
1、 传统自发自收式圆形涡流探头检测实验。
a. 在实施例1和2的基础上，只将大激励线圈1用于激励和缺陷检测，按如下配置及方法进行实验。
b. 传统圆形涡流探头配置：
所用大激励线圈1基本尺寸、激励频率、激励电流大小具体如下：
b1. 大激励线圈1基本尺寸：外半径Ro1 =11.2mm，内半径Ri1 =9.2mm，高度H1=1.6mm；
b2. 激励频率：f=1kHz；
b3. 激励电流：I=1A。
c. 检测方法：
向大激励线圈1中输入频率f=1kHz、电流I=1A的稳态正弦激励电流，采用与安装大激励线圈1、小激励线圈2和检测线圈3时相同的方法进行实验。
d. 检测结果：
所得传统圆形涡流探头在1kHz激励频率激励时试件中涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系，见图5；由图5中相应的曲线可计算得出，1kHz单频率激励时传统圆形涡流探头的渗透深度为8.5mm。
2、 本发明连环式涡流探头检测实验。
a. 在实施例1和2的基础上，装配连环式涡流探头。
b. 连环式涡流探头配置：
b1. 激励线圈基本尺寸
大激励线圈1：外半径Ro1 =11.2mm，内半径Ri1 =9.2mm，高度H1=1.6mm；
小激励线圈2：外半径Ro2 =3.2mm，内半径Ri2 =1.2mm，高度H2=1.6mm；
b2. 激励频率：f=1kHz；
b3. 激励电流大小：I 1=1A, I 2=0.35A，激励电流相位差：Δφ=133°
b4. 大激励线圈1和小激励线圈2的中心距: S1,2=28mm，小激励线圈2和检测线圈3的中心距：S2,3=5mm；
b5. 检测线圈3基本尺寸：外半径ro3 =1.6mm，内半径ri3 =0.6mm，高度hC3=0.8mm；
b6. 磁场屏蔽筒5基本尺寸：外半径ro4 =1.8mm，内半径ri4 =1.6mm，高度hC4=0.8mm；
b7. 磁场屏蔽板4基本尺寸：外半径ro5 =1.8mm，厚度Δt5=0.2mm。
c. 检测方法：
向大激励线圈1中输入频率f=5kHz、电流I 1=1A和小激励线圈2中输入频率f=1kHz、电流I 2=0.35A的稳态正弦激励电流，激励电流相位差：Δφ=133º，采用实施例2所述方法进行实验。
d. 检测结果：
由实施例5所得连环式涡流探头在1kHz激励频率激励时试件中涡流密度的归一化结果与渗透深度的线性关系，见图5；由图5中相应的曲线可计算得出，1kHz单频率激励时连环式涡流探头的渗透深度为25mm。
3、 本发明连环式涡流探头与传统自发自收式圆形涡流探头检测结果对比。
本发明连环式涡流探头在1kHz激励频率激励时的渗透深度和传统自发自收式圆形涡流探头在1kHz激励频率分别激励时所得的渗透深度的对比，见表3。
由以上结果可知，本发明连环式涡流探头能达到的渗透深度为25mm，而传统圆形涡流探头能达到的渗透深度为8.5mm，前者是后者的2.94倍。
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.检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，包括激励元件、检测元件和固定架(9)；其特征在于：所述固定架(9)包括扫查架连接部(91)及元件安装部(92)，所述元件安装部(92)上设置有元件安装面(921)；所述激励元件、检测元件均安装在所述元件安装面(921)上；
所述激励元件包括大激励线圈(1)、大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈(2)、小激励线圈绕线柱(7)；所述大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈绕线柱(7)垂直固定安装在固定架(9)的元件安装面(921)上；所述大激励线圈(1)绕制在大激励线圈绕线柱(6)上，所述小激励线圈(2)绕制在小激励线圈绕线柱(7)上；
所述检测元件安装在激励元件旁边，包括检测线圈(3)、检测线圈绕线柱(8)、磁场屏蔽板(4)和磁场屏蔽筒(5)；所述磁场屏蔽板(4)为一圆形片，中心开设有供检测线圈绕线柱(8)穿过的通孔；所述磁场屏蔽筒(5)为两端开口的筒；所述磁场屏蔽板(4)、检测线圈(3)和磁场屏蔽筒(5)依次套在检测线圈绕线柱(8)上，检测线圈(3)位于磁场屏蔽板(4)和磁场屏蔽筒(5)形成的屏蔽外壳内；
所述检测线圈绕线柱(8)垂直固定安装在固定架(9)的元件安装面(921)上，与小激励线圈绕线柱(7)、大激励线圈绕线柱(6)依次线性排列；所述大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和检测元件依次线性排列。
2.如权利要求1所述的检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，其特征在于：所述大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和检测线圈(3)均为圆形涡流线圈；
所述大激励线圈(1)的直径大于小激励线圈(2)的直径，小激励线圈(2)的直径大于检测线圈(3)的直径；
所述大激励线圈绕线柱(6)和小激励线圈绕线柱(7)的直径大于检测线圈绕线柱(8)的直径。
3.如权利要求2所述的检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，其特征在于：所述小激励线圈(2)的尺寸为：外半径Ro2 =3.2mm，内半径Ri2 =1.2mm，高度H2=1.6mm；
所述检测线圈(3)基本尺寸为：外半径ro3 =1.6mm，内半径ri3 =0.6mm，高度hC3=0.8mm；
大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的中心距: S1,2=28mm，小激励线圈(2)和检测线圈(3)的中心距：S2,3=5mm。
4.如权利要求1所述的检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，其特征在于：所述大激励线圈(1)、小激励线圈(2)、大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈绕线柱(7)、检测线圈(3)和检测线圈绕线柱(8)顶端面齐平。
5.如权利要求1所述的检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，其特征在于：所述磁场屏蔽板(4)、检测线圈(3)和磁场屏蔽筒(5)的轴线重合。
6.如权利要求1所述的检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，其特征在于：所述扫查架连接部(91)上设置有多个安装孔(10)。
7.如权利要求6所述的检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，其特征在于：所述安装孔(10)有两个，对称分布于扫查架连接部(91)上。
8.如权利要求1所述的检测开口疲劳及应力腐蚀深裂纹的连环式涡流探头，其特征在于：所述大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈绕线柱(7)、检测线圈绕线柱(8)和固定架(9)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(3)均由漆包线绕制而成。
9.用权利要求1-8所述的连环式涡流探头对开口疲劳及应力腐蚀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(3)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)中持续通入频率相同、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=0.01-0.35，相位差为100-140度，其中，I1为大激励线圈(1)中电流，I2小激励线圈(2)中电流；
S4. 通过扫查架使探头在试件材料表面进行扫查；扫查时，使检测线圈(3)位于扫查方向的最前方，三个线圈成线性排列，和扫查路径共线，沿扫查路径进行扫查；
S5. 将检测线圈(3)中的检测信号输入到示波器中；
S6. 将示波器所获得的检测线圈(3)测得的电压大小和标定曲线相比，即可得到缺陷的实际深度。
10.权利要求1-8所述的连环式涡流探头的装配方法，其特征在于：
SA1. 安装激励元件：先将大激励线圈绕线柱(6)和小激励线圈绕线柱(7)的一端分别垂直固定安装在固定架(9)元件安装部(92)的元件安装面(921)上，再将大激励线圈(1)和小激励线圈(2)分别绕制在大激励线圈绕线柱(6)和小激励线圈绕线柱(7)上，保持大激励线圈(1)、小激励线圈(2)的顶端面和大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈绕线柱(7)顶端面齐平；
SA2. 安装检测元件：先将检测线圈绕线柱(8)的一端垂直固定安装在固定架(9)元件安装部(92)的元件安装面(921)上，使大激励线圈绕线柱(6)、小激励线圈绕线柱(7)和检测线圈绕线柱(8)依次线性排列；将磁场屏蔽板(4)安装在检测线圈绕线柱(8)上，再将检测线圈(3)绕制在检测线圈绕线柱(8)上，然后将磁场屏蔽筒(5)套在检测线圈(3)外围，使检测线圈(3)底端和径向外围被磁场屏蔽板(4)和磁场屏蔽筒(5)形成的屏蔽外壳包围，磁场屏蔽筒(5)、检测线圈(3)以及磁场屏蔽板(4)中心保持同轴；
SA3. 线圈绕制完毕后，将整个探头通过安装孔(10)安装在扫查架上。
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