CN109781838A - 一种基于v形线圈激励的涡流-超声检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于V形线圈激励的涡流‑超声检测探头，用于检测非铁磁性金属材料表面缺陷并可进一步确定缺陷位置，包括屏蔽壳、V形涡流线圈、永磁体、α‑超声拾取传感器和γ‑超声拾取传感器。将V形涡流线圈、永磁体、α‑超声拾取传感器和γ‑超声拾取传感器安装在屏蔽壳内形成探头；所述V形涡流线圈固定于屏蔽壳底部，包括α‑直导线和γ‑直导线；在本发明中利用永磁体将V形涡流线圈检测结果转化为两路独立的超声波信号，因此对缺陷的探查及其具体位置的确定可以由对两路独立的超声波信号的分析得到。本发明既能对待测非铁磁性金属材料进行大面积探查，又能确定缺陷的具体位置。

Description

一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别是涉及一种可确定非铁磁性金属材料表面缺陷位置的涡流-超声检测探头。

背景技术

非铁磁性金属材料广泛应用于工业中各个领域。该材料在生产过程中不可避免存在夹杂、气泡等缺陷；在使用过程中不可避免存在腐蚀，刻痕或裂纹等缺陷。上述这些缺陷明显具有很强的隐蔽性和危险性，会带来安全生产隐患。因此利用无损检测技术对上述缺陷进行检测具有重要意义。

在现有无损检测技术中，涡流检测技术广泛应用于非铁磁性金属材料的缺陷检测。涡流检测技术是利用电磁感应原理，通过在待测工件内感生涡流的变化来发现缺陷的检测方法。涡流检测技术属于非接触检测技术，而且对待测工件表面及近表面缺陷具有很高的灵敏度。但常规的涡流检测技术，只能在检测区域中探查是否存在缺陷，而不能对缺陷发生的位置进行定位。

涡流检测的核心部件是涡流检测探头。中国专利CN208091969U中介绍了一种用于检测水冷壁疲劳裂纹的涡流探头。该探头在检测弧面的内侧底部，以对角线式安装有两组涡流线圈。探头选择了差动式，避免线圈在经过水冷壁的粗糙面造成的信号干扰。该探头优点是有效增大扫描面积，提高了检测精度；其缺点是无法确定缺陷在检测区域中的具体位置。

中国专利CN105301096A中介绍了一种用于空心车轴内壁探伤的阵列式柔性涡流探头。该探头中一个一维接收阵列采用一根激励印制线进行激励，激励印制线的走线对该组中各个接收阵元形成包围布局，提高了缺陷的检测效率和缺陷位置探伤的可靠性，但结构较为复杂。

因此有必要研究一种单一线圈的新型涡流检测探头。该探头既能对非铁磁性金属材料待测区域进行大面积扫查，又能确定待测区域所存在缺陷的具体位置。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种检测非铁磁性金属材料表面缺陷的涡流-超声检测探头。该探头既能对待测非铁磁性金属材料进行大面积扫查，快速探查缺陷的存在，又能进一步确定缺陷发生的具体位置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头，其特征在于包括屏蔽壳、V形涡流线圈、永磁体、α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器，将V形涡流线圈、永磁体、α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器安装在屏蔽壳内形成探头；所述V形涡流线圈固定于屏蔽壳底部，包括α-直导线和γ-直导线；α-直导线和γ-直导线在同一平面内，并在一个端点处相交，该端点处记为交点；两直导线之间的夹角（θ）为60°-170°之间；所述永磁体置于V形涡流线圈上方且形成偏置磁场，该偏置磁场方向垂直于V形涡流线圈所处平面；所述α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器均置于V形涡流线圈所处平面内，且α-超声拾取传感器置于α-直导线的中垂线上，γ-超声拾取传感器置于γ-直导线的中垂线上。

所述的探头中α-直导线和γ-直导线的输入为正弦激励脉冲，探头中α-直导线和γ-直导线的输出为两路独立的超声波信号，记为α-超声波信号和γ-超声波信号。

所述α-直导线和γ-直导线为单匝或多匝线圈。

所述屏蔽壳为非铁磁性金属材料制造而成。

本发明所述的一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头用于检测非铁磁性金属材料表面缺陷的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将本发明所述的探头置于待测非铁磁性金属材料上方，使V形涡流线圈所处平面以提离高度平行于待测非铁磁性金属材料表面；所述提离高度为0.1-3mm之间；

步骤2：将正弦激励脉冲输入给探头，即加载到V形涡流线圈上，使涡流线圈下方的待测非铁磁性金属材料内形成V形涡流；

步骤3：在待测非铁磁性金属材料表面平移探头，以进行大面积的探查；在平移的同时，观察α-超声波信号和γ-超声波信号是否含有缺陷信息，以进行缺陷探查；若α-超声波信号或γ-超声波信号中均无缺陷信息，则重复步骤3；否则，说明探头在V形涡流区域发现缺陷的存在，则进行步骤4；

步骤4：将探头沿α-直导线或γ-直导线方向移动探头，直到使α-超声波信号和γ-超声波信号同时探查到该缺陷，则说明缺陷定位成功；此时，缺陷处于V形涡流线圈的交点的正下方；重复步骤3，以探查下一个缺陷。

在平移的同时，观察两路超声波信号10的实时峰值，并分别记为 和；若或者时，则说明探头在V形涡流区域发现缺陷的存在；再将探头沿α-直导线或γ-直导线来回移动，直到且，则说明缺陷定位成功，此时，缺陷处于V形涡流线圈的交点的正下方。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下方法使用，并具有有益效果：

将本发明所述的探头置于待测非铁磁性金属材料上方，且使V形涡流线圈所处平面以提离高度平行于待测金属材料的表面。所述提离高度为0.1-3mm之间。以正弦激励脉冲输入给探头，即加载到V形涡流线圈上，使涡流线圈下方的待测非铁磁性金属材料内形成V形涡流。若在V形涡流区域内存在缺陷，则会造成相应缺陷位置上涡流的扰动。传统涡流检测技术可以通过对涡流线圈的阻抗进行检测，从而发现该扰动并实现对缺陷的探查，但无法确定缺陷在涡流区域的具体位置。

针对这个问题，本发明没有检测涡流线圈的阻抗变化，而是在V形涡流线圈上方放置永磁体，以形成垂直于V形涡流线圈所处平面的偏置磁场。在偏置磁场作用下，V形涡流区域内的质点会受洛仑兹力而产生振动并形成超声波。若在V形涡流区域内存在缺陷，则会造成相应缺陷位置处涡流的扰动。该扰动会造成相应质点振动的差异，从而在所产生的超声波中携带了缺陷的相关信息。

根据超声传播的直线性，α-直导线下方涡流所形成的超声波会由α-超声拾取传感器接收，记该路信号为α-超声波信号。γ-直导线下方涡流所形成的超声波会由γ-超声拾取传感器接收，记该路信号为γ-超声波信号。因此本发明的输出为两路独立的超声波信号。分别观察α-超声波信号和γ-超声波信号是否含有缺陷信息，以进行探查缺陷；若α-超声波信号存在缺陷信息，则缺陷存在于α-直导线下方的涡流区域；若γ-超声波信号存在缺陷信息，则缺陷存在于γ-直导线下方涡流区域。因此利用本发明能对待测非铁磁性金属材料进行大面积扫查，并快速探查缺陷的存在。

当探查到α-直导线或γ-直导线下方存在缺陷后，则分别沿α-直导线或γ-直导线方向移动探头，使α-超声波信号和γ-超声波信号同时探查到该缺陷。此时则可确定缺陷在V形涡流线圈的交点的正下方。因此利用本发明还能确定缺陷的具体位置。

在本发明中使用了一种特殊的V形涡流线圈，并利用偏置磁场将涡流检测结果转化为两路独立的超声波信号。对缺陷的探查及缺陷具体位置的确定可以由对两路独立的超声波信号的分析得到。因此本发明结构简单，使用方便，既能对待测非铁磁性金属材料进行大面积探查，又能确定缺陷的具体位置。

附图说明

图1为本发明总体结构示例图；

图1-1为图1的俯视图；

图2为实施例一中V形涡流线圈示意图；

图3为实施例一中总体结构示意图；

图3-1为图3的俯视图；

图4为实施例一中的正弦激励脉冲；

图5为实施例一中α-超声波信号或γ-超声波信号的示意图。

图中：屏蔽壳1、V形涡流线圈2、永磁体3、偏置磁场3-1、α-超声拾取传感器4、γ-超声拾取传感器5、α-直导线6、γ-直导线7、α-直导线的中垂线6-1、γ-直导线的中垂线7-1、V形涡流8、非铁磁性金属材料9、超声波信号10、航空铝板11、缺陷12、交点13、输入端14、α-EMAT传感器15、γ-EMAT传感器16、回折形线圈17、长方体钕铁硼磁铁18、输出端19。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更佳清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步的说明。

如图1、图1-1所示，本发明所述的一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头，用于检测非铁磁性金属材料9表面缺陷并可进一步确定缺陷位置，包括屏蔽壳1、V形涡流线圈2、永磁体3、α-超声拾取传感器4和γ-超声拾取传感器5，将V形涡流线圈、永磁体、α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器安装在屏蔽壳内形成探头。所述V形涡流线圈固定于屏蔽壳底部，包括α-直导线6和γ-直导线7，α-直导线和γ-直导线在同一平面内，并在一个端点处相交，该端点处记为交点13（见图2和图3-1）；两直导线之间的夹角θ为60°-170°之间；所述永磁体3置于V形涡流线圈上方且形成偏置磁场3-1，该偏置磁场方向垂直于V形涡流线圈所处平面；所述α-超声拾取传感器4和γ-超声拾取传感器5均置于V形涡流线圈所处平面内，且α-超声拾取传感器置于α-直导线的中垂线6-1上，γ-超声拾取传感器置于γ-直导线的中垂线7-1上。

将本发明所述的探头置于待测非铁磁性金属材料9上方，且使V形涡流线圈所处平面以提离高度H平行于待测金属材料的表面。所述提离高度H为0.1-3mm之间。以正弦激励脉冲输入给探头，即加载到V形涡流线圈上，使涡流线圈下方的待测非铁磁性金属材料内形成V形涡流8。若在V形涡流区域内存在缺陷，则会造成相应缺陷位置上涡流的扰动。

实施例一

参照图2、图3、图3-1、图4，图5，本发明的一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头。本实施例中使用的V形涡流线圈包括α-直导线和γ-直导线，所述的α-直导线和γ-直导线均由直径为0.2mm的铜漆包线紧密绕制而成，匝数为4，其中α-直导线和γ-直导线长度均为38mm，两直导线之间的夹角θ优选为60°（见图2），由输入端14输入正弦激励脉冲。本实施例中使用的永磁体3选用圆柱形钕铁硼永磁体，磁通量达到800mT，直径70mm，高30mm。将该永磁体N极朝上，S极朝下置于V形涡流线圈中心上方，且形成的偏置磁场3-1方向垂直于V形涡流线圈所处平面。

本实施例中α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器均使用相同的电磁超声传感器（简称EMAT传感器）（分别记为α-EMAT传感器15和γ-EMAT传感器16，见图3）。该EMAT传感器可以优选由回折形线圈17和长方体钕铁硼磁铁18组成，由输出端19输出超声拾取信号。所述的回折形线圈其相邻线间距为5mm，长度为40mm，回折数为3。回折形线圈绕制方向为与EMAT传感器检测方向一致 。长方体钕铁硼磁铁的长、宽、高分别为45mm、35mm、30mm，其紧密无间隙地放置在回折形线圈上方，S极朝上，N极朝下。α-EMAT传感器15和γ-EMAT传感器16均置于V形涡流线圈3所处平面上。α-EMAT传感器置于离α-直导线的中垂线的距离L1为40mm处（见图3-1），且该传感器检测方向与α-直导线中垂线方向一致； γ-EMAT传感器置于离γ-直导线的中垂线的距离L2也为40mm处（见图3-1），且该传感器检测方向与γ-直导线中垂线方向一致。本实施例中屏蔽壳由厚度为0.5mm的薄铝板制成，将V形涡流线圈、永磁体、α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器罩住，屏蔽外界电磁场对线圈的干扰。

本实施例中先将本发明的探头以提离高度H优选为0.5mm置于无缺陷待测航空铝板11表面上方，用AFG3101信号发生器及ATA-122D带宽放大器产生1个正弦激励脉冲（含5个频率为290kHz的正弦波，如图4）加载到V形涡流线圈的α-直导线6和γ-直导线7的输入端14。该正弦激励脉冲在V形涡流线圈中的-直导线和γ-直导线所产生的电流最大值为30A。将α-EMAT传感器和-EMAT传感器检测得到α-直导线和γ-直导线的这两路超声信号分别经10000倍信号放大器放大，其波形示意如图5所示。对上述两信号用数据采集器USB8100读取超声波信号峰值作为基准值，分别记为。

再将该探头以相同提离高度H为0.5mm置于有缺陷12的待测航空铝板11上方。在待测航空铝板11表面平移探头进行大面积的探查。在平移的同时，观察两路超声波信号10的实时峰值，并分别记为和。

不同类型的超声波拾取传感器输出的超声波信号是有差异的，所以，观察α-超声波信号和γ-超声波信号是否含有缺陷12信息的方式也不同。在本实施例中，观察α-超声波信号和γ-超声波信号是否含有缺陷信息，可以通过对比实时峰值α、γ和基准值的大小得到。即当时，判断存在缺陷。这里为限定系数，取0.9。

那么，在实时扫查过程中，若时，则说明探头在V形涡流区域发现缺陷的存在。再将探头沿α-直导线或γ-直导线来回移动，直到且，则说明缺陷定位成功。此时，缺陷处于V形涡流线圈的交点的正下方。通过本实施例既能对待测航空铝板内的缺陷进行大面积探查，又能确定该缺陷的具体位置。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用该构思进行非实质改动均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头，其特征在于包括屏蔽壳、V形涡流线圈、永磁体、α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器，将V形涡流线圈、永磁体、α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器安装在屏蔽壳内形成探头；所述V形涡流线圈固定于屏蔽壳底部，包括α-直导线和γ-直导线；α-直导线和γ-直导线在同一平面内，并在一个端点处相交，该端点处记为交点；两直导线之间的夹角（θ）为60°-170°之间；所述永磁体置于V形涡流线圈上方且形成偏置磁场，该偏置磁场方向垂直于V形涡流线圈所处平面；所述α-超声拾取传感器和γ-超声拾取传感器均置于V形涡流线圈所处平面内，且α-超声拾取传感器置于α-直导线的中垂线上，γ-超声拾取传感器置于γ-直导线的中垂线上。

2.如权利要求1所述的一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头，其特征在于探头中α-直导线和γ-直导线的输入为正弦激励脉冲，探头中α-直导线和γ-直导线的输出为两路独立的超声波信号，记为α-超声波信号和γ-超声波信号。

3.如权利要求1所述的一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头，其特征在于所述α-直导线和γ-直导线为单匝或多匝线圈。

4.如权利要求1所述的一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头，其特征在于所述屏蔽壳为非铁磁性金属材料制造而成。

5.如权利要求1-4任一所述的一种基于V形线圈激励的涡流-超声检测探头用于检测非铁磁性金属材料表面缺陷的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将本发明所述的探头置于待测非铁磁性金属材料上方，使V形涡流线圈所处平面以提离高度平行于待测非铁磁性金属材料表面；所述提离高度为0.1-3mm之间；

步骤2：将正弦激励脉冲输入给探头，即加载到V形涡流线圈上，使涡流线圈下方的待测非铁磁性金属材料内形成V形涡流；

步骤3：在待测非铁磁性金属材料表面平移探头，以进行大面积的探查；在平移的同时，观察α-超声波信号和γ-超声波信号是否含有缺陷信息，以进行缺陷探查；若α-超声波信号或γ-超声波信号中均无缺陷信息，则重复步骤3；否则，说明探头在V形涡流区域发现缺陷的存在，则进行步骤4；

步骤4：将探头沿α-直导线或γ-直导线方向移动探头，直到使α-超声波信号和γ-超声波信号同时探查到该缺陷，则说明缺陷定位成功；此时，缺陷处于V形涡流线圈的交点的正下方；重复步骤3，以探查下一个缺陷。

6.如权利要求5所述的应用，其特征在于在平移的同时，观察两路超声波信号10的实时峰值，并分别记为α和γ；若或者时，则说明探头在V形涡流区域发现缺陷的存在；再将探头沿α-直导线或γ-直导线来回移动，直到且，则说明缺陷定位成功，此时，缺陷处于V形涡流线圈的交点的正下方。