CN111929359B - 一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头及方法，属于电磁无损检测技术领域。包括激励线圈、检测线圈及固定安装架；所述激励线圈为环形螺线管线圈；所述固定安装架包括与激励线圈适配的线圈安装柱及固定连接在线圈安装柱顶端的桥接板；所述激励线圈套装在线圈安装柱上；所述线圈安装柱下部设置有向下开口的检测线圈安装槽，所述检测线圈垂直嵌装在检测线圈安装槽内。本发明的分层缺陷的涡流检测方法及探头具有检测效率高、探测深度大的特点。使用螺线管线圈激励，可在材料中感应出沿材料深度方向流动的具有较大穿透能力的涡流，能对深层的分层缺陷进行有效检测；通过调整涡流渗透深度的大小，可检测深层及浅层的裂纹及分层缺陷。

Description

一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头及方法

技术领域

本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及一种适用于核电及其他重要工业领域缺陷检测的涡流传感器，尤其涉及一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头及方法。能有效识别金属材料中的分层缺陷，可为核电设备及工业大型厚壁构件实时定量检测和结构强度判断提供技术支持。

背景技术

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，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。

涡流检测方法使用激励线圈在试件中感应出旋涡状的交变电流，通过线圈的阻抗信号变化来判断缺陷的位置和大小。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，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。

由于集肤效应的限制，涡流被限制在导体表面及近表面，常规的涡流探头仅适用于检测浅表层的裂纹，无法检测平行于材料表面的脱粘、分层等平面型缺陷。

超声方法可检测夹层等平面型缺陷，但不易检查形状复杂的工件，且存在检测盲区，对距离材料表面距离太近的分层缺陷无法检测。要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。

电磁超声通过电磁效应实现换能，不需要耦合剂，也不需要对工件表面进行预处理，但电磁超声的转换效率低,接收到的超声波信号幅值小；对周围环境噪声敏感度高, 接收信号常被淹没在噪声中；辐射模式较宽, 能量不集中。

CN201910282331.1的发明公开了一种钢材表面探伤用涡流探头，包括检测线圈、激励线圈、接线柱、插座、探头壳体，激励线圈与检测线圈固定在探头壳体内，激励线圈水平设置，检测线圈垂直设置在激励线圈上方，检测线圈为两个以上，检测线圈沿激励线圈的中心轴轴向均布，检测线圈缠绕在多棱柱结构上，检测线圈相互间串联，检测线圈、激励线圈分别引出两根信号线，信号线与接线柱连接，接线柱固定在插座内。优点是：可检测平面上0～90°的各方向缺陷。但是其依然主要用于检测表面缺陷，能检测的缺陷深度仅有1.5mm，无法检测深层缺陷；其检测线圈垂直设置在激励线圈上方，所测得的信号相对较小。

CN201210538859.9的发明公开了一种电涡流探头，该电涡流探头用于检测金属管道内部表面裂纹等缺陷。该电涡流探头由激励线圈阵列和检测线圈阵列组成，激励线圈阵列由与圆柱面垂直的圆周向线圈和通过圆柱轴所在平面的矩形线圈组成。检测线圈阵列分布于探头圆柱表面，位于圆周向和轴向检测线圈之间。检测线圈通过感测圆周向激励线圈产生的磁通受到圆周向裂纹扰动而产生的变化，可检测圆周向裂纹。检测线圈通过感测轴向激励线圈产生的涡电流受到圆周向裂纹扰动而产生的变化，也可检测圆周向裂纹。检测线圈通过感测圆周向激励线圈产生的涡电流受到轴向裂纹扰动而产生的变化，可检测轴向裂纹，通过探头沿管道方向扫查可以检测导电管道表面多个方向不同裂纹缺陷的存在，并可根据各检测线圈获得缺陷信号特征判断裂纹数量、方向及长、宽、深度等形状信息。该发明尚存在如下不足：(1)该发明仅适用于金属管道内表面缺陷的检测，无法用于平板表面缺陷检测；(2)所检测裂纹都是浅表裂纹，无法检测深层缺陷及裂纹；(3)所检测缺陷类型仅为周向、轴向裂纹，无法检测任意方向的裂纹。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种检测金属材料中分层缺陷的新型涡流检测方法和探头。和现有技术的常规涡流探头及超声探头相比，本发明可检测面积型的分层、脱粘等缺陷，可检测距离材料表面较近的分层缺陷，不存在检测盲区。该检测方法不需要耦合剂，也不需要对工件表面进行预处理，并具有较高的分辨率和检测速度，可用于深层分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依据。

与现有技术相比，本发明重点解决以下技术问题：(1)现有技术的涡流探头所感应的涡流平行于材料表面，无法检测分层缺陷的问题；(2)现有技术的涡流探头受集肤效应限制，检测深度过浅的问题；(3)超声探头需要耦合剂，且存在检测盲区的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，包括激励线圈、检测线圈及固定安装架；所述激励线圈为环形螺线管线圈；所述固定安装架包括与激励线圈适配的线圈安装柱及固定连接在线圈安装柱顶端的桥接板；所述激励线圈套装在线圈安装柱上；所述桥接板上设置有扫查架安装孔，所述桥接板通过扫查架安装孔可拆卸安装在扫查架上；所述线圈安装柱下部设置有向下开口的检测线圈安装槽，所述检测线圈垂直嵌装在检测线圈安装槽内。

进一步，所述检测线圈位于激励线圈的中心位置。

进一步，所述激励线圈的轴线与检测线圈的轴线垂直相交。

进一步，所述激励线圈和检测线圈均由漆包线绕制而成。

进一步，所述环形螺线管线圈均匀绕制在环状线柱上。

进一步，所述激励线圈裸露部分罩设安装有激励线圈保护罩，用于封闭、保护激励线圈。

进一步，所述检测线圈安装槽开口处可拆卸安装有封装底板，用于将检测线圈封闭安装在检测线圈安装槽内。

进一步，所述检测线圈绕制在柱形线柱上。

进一步，所述检测线圈为圆形，所述柱形线柱为圆柱形。

进一步，所述固定安装架由PVC材料制成。

在此基础上，进一步的技术方案是，一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测方法，按如下步骤操作。

S1. 安装激励线圈：将激励线圈套装在线圈安装柱上，并使其轴线保持垂直，安装好激励线圈保护罩。

S2. 安装检测线圈：将检测线圈垂直嵌装在检测线圈安装槽内，并通过封装底板将检测线圈封闭安装在检测线圈安装槽内，使其轴线保持水平，且与激励线圈的轴线垂直相交。

S3.涡流检测探头安装：将激励线圈的引线连接至交流电源，将检测线圈的引线连接至示波器，再将整个涡流检测探头通过探头桥接板上的扫查架安装孔安装在扫查架上。

S4.检测：将整个探头沿S形扫查路径对整个材料表面进行扫查检测，扫查时，在激励线圈中通入特定大小和相位的激励电流，在材料不同部位感应出沿着材料深度方向流动的涡流；当材料中存在分层缺陷时，检测线圈检测到缺陷信号；根据缺陷信号的大小对材料中分层缺陷的位置和尺寸大小进行判定。

传统的圆形涡流线圈在材料中感应的涡流主要是平行于材料表面流动的，因此传统的涡流探头只能检测到垂直于材料表面的浅裂纹，而无法检测和材料表面平行的分层缺陷。

本发明采用了一个螺线管线圈作为激励线圈来在材料中产生竖直方向的涡流。由螺线管线圈所产生的磁力线主要被约束在管内；而管外的磁力线由于在材料中感应出来的涡流集肤效应不明显，从而具有较大的渗透深度。其感应的涡流沿竖直方向流动，遇到分层缺陷会产生涡流扰动场，扰动信号被检测线圈拾取后即可对分层缺陷进行定位和定量；在环形螺线管线圈中通入激励电流使其在线圈中心位置处中产生具有较大穿透能力的竖直流向的涡流，然后通过检测线圈采集材料中的分层缺陷信号。

本发明的有益效果。

1、本发明的分层缺陷的涡流检测方法及探头具有检测效率高、探测深度大的特点。为了增大涡流渗透深度，利用螺线管线圈所产生的涡流本身具有的集肤效应小的特点来激励感应出可深度渗透的涡流。使用螺线管线圈激励，即可在材料中感应出沿着材料深度方向流动的具有较大穿透能力的涡流，能对深层的分层缺陷进行有效检测。

2、本发明的分层缺陷的涡流检测方法及探头，在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。以涡流密度峰值为基准计算标准渗透深度，所感应的涡流在SUS304不锈钢中的渗透深度可达到25mm左右，是常规圆形涡流探头的5倍左右。

3、本发明的分层缺陷的涡流检测方法及探头，通过采用能产生竖直方向涡流的螺线管线圈的技术手段，来在材料中感应出竖直方向流动的涡流，以实现对分层缺陷的检测。

4、本发明的分层缺陷的涡流检测方法及探头，通过调整激励频率大小，本发明的分层缺陷的涡流检测方法及探头可调整涡流渗透深度的大小，使得涡流可检测深层及浅层的裂纹及分层缺陷，避免了超声检测分层缺陷时，存在检测盲区的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的工作原理图。

图2为本发明实施例1环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的装配图。

图3为本发明实施例1环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的爆炸图。

图4为本发明实施例1环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的剖面爆炸图。

图5为本发明实施例2环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测方法的扫查方案图。

图6a为实施例3中现有技术的常规圆形涡流探头感应的涡流密度分布-X分量。

图6b为实施例3中现有技术的常规圆形涡流探头感应的涡流密度分布-Y分量。

图6c为实施例3中现有技术的常规圆形涡流探头感应的涡流密度分布-Z分量。

图6d为实施例3中本发明的分层缺陷涡流检测探头感应的涡流密度分布-X分量。

图6e为实施例3中本发明的分层缺陷涡流检测探头感应的涡流密度分布-Y分量。

图6f为实施例3中本发明的分层缺陷涡流检测探头感应的涡流密度分布-Z分量。

图7a为实施例4中本发明分层缺陷涡流检测探头对20mm×20mm×0.5mm缺陷的检测结果。

图7b为实施例4中本发明分层缺陷涡流检测探头对40mm×40mm×0.5mm缺陷的检测结果。

图中零部件、部位及编号：1-激励线圈、11-螺线管线圈、12-环状线柱；2-检测线圈、21-柱形线柱；3-固定安装架、31-线圈安装柱、311-检测线圈安装槽、32-桥接板、321-扫查架安装孔；4-激励线圈保护罩；5-封装底板；6-分层缺陷。

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：

本发明的一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，如图1所示，其工作原理为：采用一个螺线管线圈11作为激励线圈1来在材料中产生竖直方向的涡流。由螺线管线圈11所产生的磁力线主要被约束在管内；而管外的磁力线由于在材料中感应出来的涡流集肤效应不明显，从而具有较大的渗透深度。其感应的涡流沿竖直方向流动，遇到分层缺陷6会产生涡流扰动场，扰动信号被检测线圈2拾取后即可对分层缺陷6进行定位和定量。在环形螺线管线圈11中通入激励电流使其在线圈中心位置处中产生具有较大穿透能力的竖直流向的涡流，然后通过检测线圈2采集材料中的分层缺陷6信号。

如图2-图4所示，本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，包括激励线圈1、检测线圈2及固定安装架3；所述激励线圈1为环形螺线管线圈11；所述固定安装架3包括与激励线圈1适配的线圈安装柱31及固定连接在线圈安装柱31顶端的桥接板32；所述激励线圈1套装在线圈安装柱31上；所述桥接板32上设置有扫查架安装孔321，所述桥接板32通过扫查架安装孔321可拆卸安装在扫查架上，以完成本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的整体安装；所述线圈安装柱31下部设置有向下开口的检测线圈安装槽311，所述检测线圈2垂直嵌装在检测线圈安装槽311内。所述检测线圈2位于激励线圈1的中心位置。所述激励线圈1的轴线与检测线圈2的轴线垂直相交。所述激励线圈1和检测线圈2均由漆包线绕制而成。所述环形螺线管线圈11均匀绕制在环状线柱12上。所述激励线圈1裸露部分罩设安装有激励线圈保护罩4，用于封闭、保护激励线圈1。所述检测线圈安装槽311开口处可拆卸安装有封装底板5，用于将检测线圈2封闭安装在检测线圈安装槽311内。所述检测线圈2绕制在柱形线柱21上。所述固定安装架3由PVC材料制成。

实施例2：

本发明的实施例1的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的检测方法，按如下步骤操作。

S1. 安装激励线圈1：将激励线圈1套装在线圈安装柱31上，并使其轴线保持垂直，安装好激励线圈保护罩4。

S2. 安装检测线圈2：将检测线圈2垂直嵌装在检测线圈安装槽311内，并通过封装底板5将检测线圈2封闭安装在检测线圈安装槽311内，使其轴线保持水平，且与激励线圈1的轴线垂直相交。

S3.涡流检测探头安装：将激励线圈1的引线连接至交流电源，将检测线圈2的引线连接至示波器，再将整个涡流检测探头通过探头桥接板32上的扫查架安装孔321安装在扫查架上。

S4.检测：如图5所示，将整个探头沿S形扫查路径对整个材料表面进行扫查检测，扫查时，在激励线圈1中通入特定大小和相位的激励电流，在材料不同部位感应出沿着材料深度方向流动的涡流；当材料中存在分层缺陷6时，检测线圈2检测到缺陷信号；根据缺陷信号的大小对材料中分层缺陷6的位置和尺寸大小进行判定。

实施例3：

通过试验，对比本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头和现有技术的常规圆形涡流探头的渗透深度。

具体试验参数及结果如下。

A. 现有技术的常规自发自收式圆形涡流探头配置：

A1.线圈尺寸：

外半径R_o=10mm、内半径R_i=5mm、高H=10mm

A2.激励频率：f=1kHz

A2.激励电流：I=1A

A3.线圈提离距离：lf=0.5mm。

B. 本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头配置：

B1.环形螺线管线圈11尺寸

外半径R_o=10mm、内半径R_i=5mm、高H=10mm、绕线厚度t=1mm

B2.激励频率：f=1kHz

B3.激励电流：I=1A

B4.线圈提离距离：lf=0.5mm。

C. 结果：

如图6a~图6c所示，现有技术的常规自发自收式圆形涡流探头感应的涡流密度的x分量和y分量都很大，而垂直方向的z分量很小，表明常规自发自收式圆形涡流探头只能用来检测裂纹；

如图6d~图6f所示，本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头感应的涡流密度的y分量最小，z分量最大且渗透深度也很大，因此能用于检测较深的分层缺陷6；

标准渗透深度是指当涡流沿材料深度方向的大小为表面大小的37%时对应的深度。由此可知，本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头感应的涡流密度z分量的渗透深度能达到25mm，而现有技术的常规自发自收式圆形涡流探头感应的涡流密度z分量的渗透深度仅能达到5mm，本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头感应的涡流密度在z方向的渗透深度是现有技术的常规自发自收式圆形涡流探头的5倍。

实施例4：

通过试验，考察本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的检测效果，结果如下。

A. 本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头配置：

A1.环形螺线管线圈11尺寸

外半径R_o=10mm、内半径R_i=5mm、高H=10mm、绕线厚度t=1mm

A2.激励频率：f=1KHZ

A3.激励电流大小：I=1A

A4.线圈提离距离：lf=0.5mm

A5.检测线圈2尺寸：外半径r₀=3.2mm，内半径r₁=2.2mm，高h_e=0.8mm。

B. 检测结果：

图7a为缺陷尺寸为20mm×20mm×0.5mm时的分层缺陷6检测结果，图7b为缺陷尺寸为40mm×40mm×0.5mm时的分层缺陷6检测结果。可见，本发明的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头对缺陷的分辨效果取决于缺陷大小和缺陷深度。缺陷较大时检测效果好，能检测的深度可达到25mm左右，当缺陷较小时，对部分深度能有效辨识。

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而实施的技术方案，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)

1.一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，包括激励线圈(1)、检测线圈(2)及固定安装架(3)；其特征在于：所述激励线圈(1)为环形螺线管线圈(11)；所述固定安装架(3)包括与激励线圈(1)适配的线圈安装柱(31)及固定连接在线圈安装柱(31)顶端的桥接板(32)；所述激励线圈(1)套装在线圈安装柱(31)上；所述桥接板(32)上设置有扫查架安装孔(321)，所述桥接板(32)通过扫查架安装孔(321)可拆卸安装在扫查架上；所述线圈安装柱(31)下部设置有向下开口的检测线圈安装槽(311)，所述检测线圈(2)垂直嵌装在检测线圈安装槽(311)内；

所述检测线圈(2)位于激励线圈(1)的中心位置；

所述激励线圈(1)的轴线与检测线圈(2)的轴线垂直相交。

2.如权利要求1所述的一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，其特征在于：所述激励线圈(1)和检测线圈(2)均由漆包线绕制而成。

3.如权利要求1所述的一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，其特征在于：所述环形螺线管线圈(11)均匀绕制在环状线柱(12)上。

4.如权利要求1所述的一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，其特征在于：所述激励线圈(1)裸露部分罩设安装有激励线圈保护罩(4)。

5.如权利要求1所述的一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，其特征在于：所述检测线圈安装槽(311)开口处可拆卸安装有封装底板(5)。

6.如权利要求1所述的一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，其特征在于：所述检测线圈(2)绕制在柱形线柱(21)上。

7.如权利要求1所述的一种环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头，其特征在于：所述固定安装架(3)由PVC材料制成。

8.一种如权利要求1所述的环形螺线管线圈激励的分层缺陷涡流检测探头的检测方法，按如下步骤操作：

S1. 安装激励线圈(1)：将激励线圈(1)套装在线圈安装柱(31)上，并使其轴线保持垂直，安装好激励线圈保护罩(4)；

S2. 安装检测线圈(2)：将检测线圈(2)垂直嵌装在检测线圈安装槽(311)内，并通过封装底板(5)将检测线圈(2)封闭安装在检测线圈安装槽(311)内，使其轴线保持水平，且与激励线圈(1)的轴线垂直相交；

S3.涡流检测探头安装：将激励线圈(1)的引线连接至交流电源，将检测线圈(2)的引线连接至示波器，再将整个涡流检测探头通过探头桥接板(32)上的扫查架安装孔(321)安装在扫查架上；

S4. 检测：将整个探头沿S形扫查路径对整个材料表面进行扫查检测，扫查时，在激励线圈(1)中通入特定大小和相位的激励电流，在材料不同部位感应出沿着材料深度方向流动的涡流；当材料中存在分层缺陷(6)时，检测线圈(2)检测到缺陷信号；根据缺陷信号的大小对材料中分层缺陷(6)的位置和尺寸大小进行判定。