CN109406624B - 一种双频阵列涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及双频阵列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、检测元件和矩形安装槽(8)；所述矩形安装槽(8)上设置有安装槽顶盖(9)；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)绕在内固定骨架(3)上，大激励线圈(1)绕在小激励线圈(2)上；所述检测元件包括检测线圈(4)、屏蔽罩外筒(5)、屏蔽罩顶盖(6)和绕线柱(7)；所述绕线柱(7)安装在矩形安装槽(8)槽底上，所述检测线圈(4)套在绕线柱(7)上，并位于磁场屏蔽罩外筒(5)和屏蔽罩顶盖(6)构成的屏蔽外壳内。本发明探头探测深度大，检测效率高。

Description

一种双频阵列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，涉及适用于石油化工、航天航空及其他重要工业领域缺陷检测的涡流传感器，尤其涉及一种双频阵列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，对于保障设备运行安全、评定设备寿命、降低设备维护成本等具有重要意义。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，大于此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。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。但常规涡流检测方法使用单个线圈进行扫查，检测精度和有效性难以保证，检测速度慢，在大面积板材扫查以及深层缺陷检测方面存在很大不足。

常规的阵列涡流检测技术采用多个独立工作的线圈，按照特殊方式排列，克服了常规涡流传感器检测速度慢的缺点，具有较高的检测灵敏度和检测速度。近年来，国内外专家学者开发了多种先进的阵列涡流探头，已成功应用于很多工业无损检测领域。但阵列涡流传感器的线圈单元众多，在提高检测效率、精度的同时，也存在线圈单元之间互感干扰和信号激励、采集电路设计繁琐冲突等问题。对于线圈之间的互感干扰导致检测灵敏度降低的问题，常用多路复用电路技术、增大线圈中心距、数据差分处理等方法进行改善，但并不能从根本上加以解决。

国内有学者采用矩形线圈作为阵列涡流探头的激励源，通过使激励线圈和检测线圈轴线垂直，来降低激励线圈对检测线圈的干扰。矩形载流线圈激励时，不存在自抵消现象，所得到的涡流的穿透深度更深，对深层缺陷的检测能力更强。但其所产生的涡流仍存在集肤效应问题，涡流渗透深度的大小仍然受制于激励频率的高低，对较深裂纹仍然无法获得理想检测结果。虽然阵列涡流探头可在一定频率范围内通过采用低频激励来增大涡流渗透深度，提高探头检测深层缺陷的能力，但低频同时会导致探头分辨率低、信噪比低，并引发探头的速度效应和检测信号分辨困难等问题。

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)现有常规涡流探头所产生的涡流渗透深度过小，对深裂纹的检测能力有限；(2)检测信号易受激励磁场影响，导致检测分辨率降低；(3)对缺陷及裂纹存在漏检问题；(4)检测信号分辨困难的问题；(5)检测速度慢。

因此，研究适用于石油化工、航天航空及其他重要工业领域缺陷检测的涡流传感器，以有效识别大面积厚壁板材、金属焊缝、飞行器整体结构中存在的深裂纹及深层缺陷，在设备维修、工业产品实时检测和结构强度判断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阵列涡流探头及深裂纹混频检测信号提取技术，采用两个双频同步反向激励的矩形激励线圈作为激励源，来提供具有较大渗透深度的均匀涡流分布。和现有涡流阵列探头技术相比，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，可对检测材料中存在的深裂纹和深层缺陷实现大面积高速在线检测，为工业设备及产品的定量评估提供准确可靠依据。

本发明采用的技术方案是：一种双频阵列涡流探头，包括激励元件、检测元件和两端开口的矩形安装槽，所述激励元件及检测元件安装在矩形安装槽内，检测元件位于激励元件下方，二者轴线垂直；所述矩形安装槽上还设置有可拆卸安装的安装槽顶盖；其特征在于：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，由大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架构成的激励元件整体嵌套安装在所述矩形安装槽内，轴向与矩形安装槽开口方向一致；

所述检测元件有n²个，其中n为2-6之间任意一个整数，每个检测元件包括1个检测线圈、1个屏蔽罩外筒、1个屏蔽罩顶盖、1个绕线柱；所述绕线柱呈阵列排布，垂直固定安装在所述矩形安装槽槽底上；所述屏蔽罩外筒呈中空筒状且两端开口；所述屏蔽罩顶盖呈片状；所述检测线圈、屏蔽罩外筒依次套在绕线柱上，所述屏蔽罩顶盖可拆卸安装在屏蔽罩外筒顶端；所述屏蔽罩外筒和屏蔽罩顶盖共同构成检测线圈的屏蔽外壳；所有屏蔽罩顶盖上表面齐平。

所述大激励线圈和小激励线圈均为矩形涡流线圈。

进一步，所述绕线柱可呈矩阵排布，如2×2，3×3，4×4，5×5，6×6中任意一种形式排布。

进一步，所述大激励线圈和小激励线圈均为矩形涡流线圈。

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n=4。

进一步，分别采用频率不同、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。

进一步，所述大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架轴线重合，两端端面均分别与矩形安装槽两个端口齐平，并保持相对位置固定不变。

进一步，所述检测线圈呈阵列排布，位于大激励线圈的正下方。

进一步，所述大激励线圈下表面与所述屏蔽罩顶盖上表面接触。

进一步，所述屏蔽罩外筒、检测线圈以及屏蔽罩顶盖轴线重合。

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，所述矩形安装槽两侧壁上端设置有两个对称的槽道，所述安装槽顶盖通过所述对称的槽道与矩形安装槽可拆卸安装。

进一步，所述矩形安装槽、安装槽顶盖、绕线柱和内固定骨架均由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L_x1=50mm，轴向长L_y1=50mm，截面高L_z1=9mm，厚Δt₁=1mm，所述小激励线圈的截面长L_x2=48mm，轴向长L_y2=50mm，截面高L_z2=7mm，厚Δt₂=1mm，所述检测线圈的外半径r_o3=1.6mm，内半径r_i3=0.6mm，高h_c3=0.8mm。

进一步，所述矩形安装槽上设置有多个扫查架安装孔，用于将本发明所述一种双频阵列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，对称分布于安装槽顶盖上。

进一步，所述矩形安装槽上还设置有供大激励线圈、小激励线圈的引线穿出矩形安装槽的甲出线孔和供检测线圈的引线穿出矩形安装槽的乙出线孔。

进一步优选地，所述甲出线孔位于安装槽顶盖上，所述乙出线孔位于矩形安装槽的侧壁上。

本发明所述一种双频阵列涡流探头的装配方法为：

首先，将绕线柱垂直固定安装在矩形安装槽槽底上，将检测线圈套在绕线柱上，再将屏蔽罩外筒套在检测线圈外面，将检测线圈的引线穿出屏蔽罩外筒，最后在屏蔽罩外筒顶端安装屏蔽罩顶盖，同法完成所有检测元件的组装。各检测线圈及其相应的屏蔽罩外筒、屏蔽罩顶盖中心应保持同轴，所有屏蔽罩顶盖上表面齐平。

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，然后将由内固定骨架、小激励线圈和大激励线圈构成的激励元件整体嵌套安装于矩形安装槽内，使其位于检测元件的正上方，且大激励线圈的下表面和屏蔽罩顶盖的上表面相接触。大激励线圈、小激励线圈和内固定骨架轴线重合，两端端面均分别与矩形安装槽两个端口齐平，中心线保持同轴，并保持相对位置固定。

然后，在矩形安装槽上安装安装槽顶盖，将所有线圈的引线穿出矩形安装槽。

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阵列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、接收检测结果；

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，扫查时采用与探头扫查路径相互垂直的两次扫查方式对试件表面进行检测，以保证横向裂纹及纵向裂纹均能被检测到；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=2-6，相位差为120-170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。高频在材料表面所产生的涡流密度较大，低频则正好相反。

本发明优选采取两个较大的矩形涡流线圈作为激励线圈，16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2-6倍，相位差保持在120-170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。采用两种相互垂直的扫查路径先后对试件表面进行两次扫查，分别检测材料中可能存在的横向裂纹及纵向裂纹。和扫查方向垂直的裂纹会在检测线圈中产生扰动电压信号，对扰动电压信号进行处理并与无缺陷时的电压信号比较，即可确定裂纹的位置和大小。和扫查方向平行的裂纹不会在检测线圈中产生扰动电压信号，但可通过改变扫查路径，使其和扫查路径垂直，来避免发生漏检情况。本发明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。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阵列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、本发明的一种双频阵列涡流探头，检测效率高、检测深度深、分辨率高、灵敏度好; 通过适当设计线圈尺寸，可在极短时间内对大面积板材以及复杂零部件进行全检。通过调整两个激励线圈的激励频率和激励电流，可获得不同深度的缺陷检测信息。

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，双频阵列涡流探头的渗透深度可达到常规均匀涡流探头的3倍左右，对比实验结果表明，使用双频阵列涡流探头检测，在SUS304不锈钢中的渗透深度最大可达到16mm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。

5、与现有技术中使用圆形激励线圈双频激励涡流探头相比，本发明使用了矩形线圈来产生反向涡流叠加渗透深度更深，且矩形激励线圈对圆形检测线圈的磁场无影响，检测信号中噪声小，检测信号容易测到，更灵敏；同时因为两个矩形线圈嵌套在一起，占用空间小，所以探头尺寸相对小。

附图说明

图1为本发明实施例1所述双频阵列涡流探头装配图；

图2为本发明实施例2所述双频阵列涡流探头检测方案图；

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所述双频阵列涡流探头在10kHz、5kHz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7为本发明实施例3所述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；

图8为本发明实施例4所述双频阵列涡流探头在20kHz、5kHz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20kHz激励频率激励时的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-绕线柱；8-矩形安装槽；9-安装槽顶盖；10-甲出线孔；11-扫查架安装孔；12-乙出线孔；13-检测线圈引线出线孔。

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，一种双频阵列涡流探头，包括激励元件、检测元件和两端开口的矩形安装槽8，所述激励元件及检测元件安装在矩形安装槽8内，检测元件位于激励元件下方，二者轴线垂直；所述矩形安装槽8上还设置有可拆卸安装的安装槽顶盖9；其特征在于：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，由大激励线圈1、小激励线圈2和内固定骨架3构成的激励元件整体嵌套安装在所述矩形安装槽8内，轴向与矩形安装槽8开口方向一致；

所述检测元件有16个，呈4×4矩阵排布；每个检测元件包括1个检测线圈4、1个屏蔽罩外筒5、1个屏蔽罩顶盖6、1个绕线柱7；所述绕线柱7呈阵列排布，垂直固定安装在所述矩形安装槽8槽底上；所述屏蔽罩外筒5呈中空筒状且两端开口；所述屏蔽罩顶盖6呈片状；所述检测线圈4、屏蔽罩外筒5依次套在绕线柱7上，所述屏蔽罩顶盖6可拆卸安装在屏蔽罩外筒5顶端；所述屏蔽罩外筒5和屏蔽罩顶盖6共同构成检测线圈4的屏蔽外壳；所有屏蔽罩顶盖6上表面齐平。

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，直径小于小激励线圈2的宽度，用于采集材料中的裂纹信号。

所述大激励线圈1、小激励线圈2和内固定骨架3轴线重合，两端端面均分别与矩形安装槽8两个端口齐平。

所述检测线圈4呈矩阵排布，位于大激励线圈1的正下方位置。

所述大激励线圈1下表面与所述屏蔽罩顶盖6上表面接触。

所述屏蔽罩外筒5、检测线圈4以及屏蔽罩顶盖6轴线重合。

所述屏蔽罩外筒5筒体上设置有供检测线圈4引线穿出的检测线圈引线出线孔13。

所述矩形安装槽8、安装槽顶盖9、绕线柱7和内固定骨架3均由PVC材料制成。

所述矩形安装槽8两侧壁上端设置了两个对称的槽道，用于安装所述安装槽顶盖9。

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。

所述安装槽顶盖9上设置有两个扫查架安装孔11，对称分布于安装槽顶盖9上，用于将本发明所述一种双频阵列涡流探头整体安装在扫查架上。

所述安装槽顶盖9上还设置有供大激励线圈1、小激励线圈2的引线穿出矩形安装槽8的甲出线孔10和供检测线圈4的引线穿出矩形安装槽8的乙出线孔12。

所述大激励线圈1和小激励线圈2分别采用频率不同、电流大小不同、相位不同的正弦交变电流进行激励。

由实施例1所得一种双频阵列涡流探头的装配图，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阵列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，将绕线柱7垂直固定安装在矩形安装槽8槽底上，将检测线圈4套在绕线柱7上，再将屏蔽罩外筒5套在检测线圈4外面，然后，将检测线圈4的引线先由屏蔽罩外筒5筒体上的检测线圈引线出线孔13穿出，最后在屏蔽罩外筒5顶端安装屏蔽罩顶盖6，同法完成所有检测元件的组装。各检测线圈4及其相应的屏蔽罩外筒5、屏蔽罩顶盖6中心应保持同轴，所有屏蔽罩顶盖6上表面齐平。

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，然后将由内固定骨架3、小激励线圈2和大激励线圈1构成的激励元件整体嵌套安装于矩形安装槽8内，使其位于检测元件的正上方，且大激励线圈1的下表面和屏蔽罩顶盖6的上表面相接触。大激励线圈1、小激励线圈2和内固定骨架3轴线重合，两端端面均分别与矩形安装槽8两个端口齐平，中心线保持同轴，并保持相对位置固定。

然后，在矩形安装槽8上安装安装槽顶盖9；将检测线圈4的引线再通过安装槽顶盖9上的乙出线孔12穿出矩形安装槽8；将大激励线圈1和小激励线圈2的引线均由安装槽顶盖9上的甲出线孔10穿出矩形安装槽8。

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、接收检测结果。

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；其中，小激励线圈2中电流I₂与大激励线圈1中电流I₁的比例为I₂/I₁=2-6，相位差为120-170度。

S4. 使探头在试件材料表面进行扫查；扫查时，如图2所示，采用探头扫查路径相互垂直的两次扫查方式对试件表面进行检测。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。

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/>

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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：

为验证双频阵列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，对304奥氏体不锈钢试件，采用10kHz、5kHz两种激励频率，进行常规单频均匀涡流探头和双频阵列涡流探头的渗透深度对比实验。

1. 采用双频阵列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；双频阵列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L_x1=50mm,轴向长L_y1=50mm,截面高L_z1=9mm，厚Δt₁=1mm；

小激励线圈2基本尺寸：截面长L_x2=48mm，轴向长L_y2=50mm，截面高L_z2=7mm，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 =5kHz；

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 =2A，

激励电流相位差：170°；

④ 检测线圈4基本尺寸：外半径r_o3 =1.6mm，内半径r_i3 =0.6mm，高度h_C3=0.8mm；

⑤ 屏蔽罩外筒5基本尺寸：外半径r_o4 =1.8mm，内半径r_i4 =1.6mm，高度h_C4=0.8mm；

⑥ 屏蔽罩顶盖6基本尺寸：外半径r_o5 =1.8mm，厚度Δt₅=0.2mm；

⑦ 检测线圈4中心距：s=4.6mm。

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.检测结果：

由实施例3所得双频阵列涡流探头在10kHz、5kHz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，见图5，由图5中曲线可计算得出，使用10kHz和5kHz激励频率组合时，渗透深度可以达到15.6mm。

2. 在实施例1和2的基础上，只安装一个大激励线圈1和检测线圈4，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。采用单频激励矩形涡流检测探头进行实验时，依次向大激励线圈1中输入10kHz、1A的电流和5kHz、1A的电流；方法及结果具体如下：

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7；由图7中曲线可计算得出，10kHz单频率激励时的渗透深度为5.3mm；

② 向激励线圈1中输入频率f ₂=5kHz、电流I ₂=1A的稳态正弦激励电流，采用与安装两组激励线圈1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6。由图6中曲线可计算得出，5kHz单频率激励时的渗透深度为6.4mm。

3. 双频激励与单频激励检测结果对比：

双频阵列涡流探头在10kHz和5kHz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5kHz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，使用双频阵列涡流探头在10kHz和5kHz激励频率组合时，渗透深度可达15.6mm，大于相应单频率分别激励所得渗透深度，分别是常规均匀涡流探头的2.44倍和2.94倍。

实施例4：

为进一步验证双频阵列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，对304奥氏体不锈钢试件，进一步用20kHz、5kHz两种激励频率，进行常规单频均匀涡流探头和双频阵列涡流探头的渗透深度对比实验。

1. 采用双频阵列涡流探头进行实验时，向大激励线圈1中输入20kHz、1A的电流，向小激励线圈2中输入5kHz、2.7A的电流；双频阵列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L_x1=50mm,轴向长L_y1=50mm,截面高L_z1=9mm，厚Δt₁=1mm；

小激励线圈2基本尺寸：截面长L_x2=48mm，轴向长L_y2=50mm，截面高L_z2=7mm，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=20kHz和 f ₂=5kHz；

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=2.7A，

激励电流相位差：160°；

④ 检测线圈4基本尺寸：外半径r_o3 =1.6mm，内半径r_i3 =0.6mm，高度h_C3=0.8mm；

⑤ 屏蔽罩外筒5基本尺寸：外半径r_o4 =1.8mm，内半径r_i4 =1.6mm，高度h_C4=0.8mm；

⑥ 屏蔽罩顶盖6基本尺寸：外半径r_o5 =1.8mm，厚度Δt₅=0.2mm；

⑦ 检测线圈4中心距：s=4.6mm。

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.检测结果：

由实施例3所得双频阵列涡流探头在20kHz、5kHz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，见图8，由图8中曲线可计算得出，使用20kHz和5kHz激励频率组合时，渗透深度可以达到13.5mm。

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，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。采用常规单频均匀涡流探头进行实验时，依次向大激励线圈1中输入20kHz、1A的电流和5kHz、1A的电流；方法及结果具体如下。

B.检测方法及结果：

① 向大激励线圈1中输入频率f ₁=20kHz、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20kHz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，20kHz单频率激励时的渗透深度为4.8mm；

② 向激励线圈1中输入频率f ₂=5kHz、电流I ₂=1A的稳态正弦激励电流，采用与安装两组激励线圈1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6。由图6中曲线可计算得出，5kHz单频率激励时的渗透深度为6.4mm。

3. 双频激励与单频激励检测结果对比：

双频阵列涡流探头在20kHz和5kHz激励频率组合时的渗透深度和常规单频均匀涡流探头在20kHz和5kHz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，使用双频阵列涡流探头在20kHz和5kHz激励频率组合时，渗透深度可达13.5mm，大于相应单频率分别激励所得渗透深度，分别是常规均匀涡流探头的2.1倍和2.81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 (8)

1.一种双频阵列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：所述探头包括激励元件、检测元件和两端开口的矩形安装槽(8)，所述激励元件及检测元件安装在矩形安装槽(8)内，检测元件位于激励元件下方，二者轴线垂直；所述矩形安装槽(8)上还设置有可拆卸安装的安装槽顶盖(9)；其特征在于：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，由大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和内固定骨架(3)构成的激励元件整体嵌套安装在所述矩形安装槽(8)内，轴向与矩形安装槽(8)开口方向一致；

所述检测元件有n²个，其中n为2-6之间任意一个整数，每个检测元件包括1个检测线圈(4)、1个屏蔽罩外筒(5)、1个屏蔽罩顶盖(6)、1个绕线柱(7)；所述绕线柱(7)呈阵列排布，垂直固定安装在所述矩形安装槽(8)槽底上；所述屏蔽罩外筒(5)呈中空筒状且两端开口；所述检测线圈(4)、屏蔽罩外筒(5)依次套在绕线柱(7)上，屏蔽罩顶盖(6)可拆卸安装在屏蔽罩外筒(5)顶端；所述屏蔽罩外筒(5)和屏蔽罩顶盖(6)共同构成检测线圈(4)的屏蔽外壳；所有屏蔽罩顶盖(6)上表面齐平；

所述探头按下述方法进行装配：

首先，将绕线柱(7)垂直固定安装在矩形安装槽(8)槽底上，将检测线圈(4)套在绕线柱(7)上，再将屏蔽罩外筒(5)套在检测线圈(4)外面，同法完成所有检测元件的组装，将检测线圈(4)的引线穿出屏蔽罩外筒(5)，最后在屏蔽罩外筒(5)顶端安装屏蔽罩顶盖(6)；各检测线圈(4)及其相应的屏蔽罩外筒(5)、屏蔽罩顶盖(6)中心应保持同轴，所有屏蔽罩顶盖(6)上表面齐平；

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，然后将由内固定骨架(3)、小激励线圈(2)和大激励线圈(1)构成的激励元件整体嵌套安装于矩形安装槽(8)内，使其位于检测元件的正上方，且大激励线圈(1)的下表面和屏蔽罩顶盖(6)的上表面相接触；大激励线圈(1)、小激励线圈(2)和内固定骨架(3)轴线重合，两端端面均分别与矩形安装槽(8)两个端口齐平，中心线保持同轴，并保持相对位置固定；

然后，在矩形安装槽(8)上安装安装槽顶盖(9)，将所有线圈的引线穿出矩形安装槽(8)；

最后，将整个探头安装在扫查架上；

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、接收检测结果；

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；小激励线圈(2)中电流I₂与大激励线圈(1)中电流I₁的比例为I₂/I₁＝2-6，相位差为120-170度；

S4.使探头在试件材料表面进行扫查，扫查时采用与探头扫查路径相互垂直的两次扫查方式对试件表面进行检测，以保证横向裂纹及纵向裂纹均能被检测到；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；

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，确定缺陷的实际深度；

步骤S6中，所述检测信号的提取方法为：

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k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i₂(f₂)/i₁(f₁)＝-k，k前面的负号“-”表示反相，即相差180度；

其中，i₁和i₂分别是大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的激励电流；

f₁和f₂分别是大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的激励频率；

A₁和A₂分别是大激励线圈(1)和小激励线圈(2)的激励电流i₁和i₂的幅值；

k＝A₂/A₁，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i₂和i₁的幅值A₂和A₁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。

2.如权利要求1所述的一种双频阵列涡流探头对深裂纹进行检测的方法，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。

3.如权利要求2所述的一种双频阵列涡流探头对深裂纹进行检测的方法，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所述的一种双频阵列涡流探头对深裂纹进行检测的方法，其特征在于：所述大激励线圈(1)的截面长L_x1＝50mm，轴向长L_y1＝50mm，截面高L_z1＝9mm，厚Δt₁＝1mm，所述小激励线圈(2)的截面长L_x2＝48mm，轴向长L_y2＝50mm，截面高L_z2＝7mm，厚Δt₂＝1mm，所述检测线圈(4)的外半径r_o3＝1.6mm，内半径r_i3＝0.6mm，高h_c3＝0.8mm。

5.如权利要求1所述的一种双频阵列涡流探头对深裂纹进行检测的方法，其特征在于：所述n＝4。

6.如权利要求1所述的一种双频阵列涡流探头对深裂纹进行检测的方法，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)轴线重合，两端端面均分别与矩形安装槽(8)两个端口齐平。

7.如权利要求1所述的一种双频阵列涡流探头对深裂纹进行检测的方法，其特征在于：所述检测线圈(4)呈阵列排布，位于大激励线圈(1)的正下方；

所述大激励线圈(1)下表面与所述屏蔽罩顶盖(6)上表面接触；

所述屏蔽罩外筒(5)、检测线圈(4)以及屏蔽罩顶盖(6)轴线重合。

8.如权利要求1所述的一种双频阵列涡流探头对深裂纹进行检测的方法，其特征在于：所述矩形安装槽(8)、安装槽顶盖(9)、绕线柱(7)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。

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