CN113049675B - 一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头及方法 - Google Patents

Abstract

本发明申请提供一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头及方法，本发明根据管道的检测要求，首先选择多个频率和对应频率的幅值，利用计算机合成具有多个频率信息的正弦信号和余弦信号，然后将产生的信号加载到正交的激励线圈上，根据集肤效应，激励线圈在管道上感应出渗透和传播深度不同的旋转电磁场信号，进而实现对管道的任意方向缺陷的分层检测；同时，激励线圈印制在柔性PCB板上，可以适应不同直径的管道检测需求，2个柔性PCB板贴附于探头壳的前端和后端，产生的旋转电磁场范围覆盖整个管道周向，最终实现了管道任意方向缺陷全周向分层检测。

Description

一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头及方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头及方法。

背景技术

管道作为一种重要的结构，被广泛应用于石油石化、核电等领域，但是由于管道长期服役于交变应力、腐蚀、拉压等工况下，极易产生裂纹，如果裂纹不能及时被发现，在极端工况下裂纹迅速拓展，进而导致结构失效，引发事故。

交流电磁场是一种新型的无损检测技术，由于其具有不需要清除表面涂层、对提离不敏感、定量精度高、数学模型精度等优点，目前该技术已经被广泛的应用于管道检测中。然而，现有的交流电磁场检测技术在被测物体的表面感应出单方向的均匀电磁场，只对垂直于感应电流方向的裂纹敏感，检测灵敏度受到裂纹方向和检测探头扫查方向的影响；常规的交流电磁场检测技术采用的是单频激励，感应电磁场穿透深度有限，不能实现管道的分层检测；常规的旋转电磁场采双U型磁芯激励，不能实现对管道全周向的检测。

发明内容

本发明申请提供一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头及方法，通过将选定的含多频信息的激励信号加载到旋转电磁场管道检测探头上，实现了管道任意方向缺陷全周向分层检测。

第一方面，本申请提供一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其步骤包括：

S1：根据管道的检测要求，选择合适的激励频率f1，f2…fn和对应的幅值A1，A2…An；

S2：利用计算机生成激励信号X1＝A1*sin(f1*2*π*t)+A2*sin(f2*2*π*t)+…+An*sin(fn*2*π*t)和激励信号X2＝A1*cos(f1*2*π*t)+A2*cos(f2*2*π*t)+…+An*cos(fn*2*π*t)，并将激励信号的波形信息发送给信号发生器；

S3：信号发生器根据S2中波形信息发出激励信号，功率放大器对其进行放大；

S4：S3中的信号被分别加载到一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头的柔性PCB板的上层线圈和下层线圈；

S5：利用S4中的检测探头对管道进行扫查；

S6：一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头中的磁场传感器拾取空间中的磁场信号；

S7：S6中的磁场信号被滤波和放大；

S8：S7中的信号被采集，并送入计算机；

S9：利用计算机对采集到的S8中的信号进行傅里叶变换，提取频率为f1，f2…fn的幅值，并绘制不同频率的信号；

S10：对S9中绘制的不同频率的信号进行分析，进而实现管道缺陷的分层检测。

进一步地，所述n为不小于2的自然数。

第二方面，本申请提供一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头，其特征包括：探头壳，磁场传感器，柔性PCB板；所述探头壳整体呈圆环形结构，所述探头壳上开设两排若干个凹槽，两排所述凹槽分布的范围各为180°，并且两排所述凹槽在周向上可以覆盖整个圆周范围；所述磁场传感器安装于所述凹槽中；所述探头壳的外部被两个所述柔性PCB板贴附，其中一个所述柔性PCB板位于所述探头壳的前部，另外一个所述柔性PCB板位于所述探头壳的后部，两个所述柔性PCB板在轴向上不重叠；所述柔性PCB板为2层结构，所述柔性PCB板的每层都由两个对称分布的矩形线圈组成，两个所述矩形线圈的线宽、线距和匝数一致，但绕向相反；所述柔性PCB板的上层中的线圈和下层中的线圈正交分布，并且所述柔性PCB板上层和下层线圈的中间重叠位置覆盖磁场传感器。

进一步地，所述探头壳上开设导线凹槽，所述导线凹槽的中间为贯穿结构，所述探头壳的内壁设有电路板安装柱。

进一步地，还包括导向器，所述导向器安装于探头壳的前端。

进一步地，还包括保护罩，所述保护罩为圆环型结构，内径比所述探头壳外径稍大，所述保护罩套在所述探头壳上，通过密封胶进行连接。

进一步地，还包括滤波放大电路板，所述滤波放大电路板通过所述电路板安装柱被固定在所述探头壳的内部。

进一步地，还包括后端盖，所述后端盖安装在所述探头壳的后端，所述后端盖中间有接头孔。

进一步地，还包括接头，所述接头安装在所述端盖的所述接头孔上。

与现有技术相比，本申请实施例所提出的技术方案的有益技术效果包括：

首先根据管道的检测要求，选择合适的激励频率f1，f2…fn和对应的幅值A1，A2…An；然后利用计算机生成激励信号X1＝A1*sin(f1*2*π*t)+A2*sin(f2*2*π*t)+…+An*sin(fn*2*π*t)和激励信号X2＝A1*cos(f1*2*π*t)+A2*cos(f2*2*π*t)+…+An*cos(fn*2*π*t)，通过信号发生器产生2路信号，并利用功率放大器对信号进行放大，然后将信号加载到柔性PCB板上，激励信号包含多个频率信息，根据集肤效应，不同频率产生的感应电磁场在被测管道上渗透和传播的距离不一样，进而可以对管道的缺陷进行分层检测。再者柔性PCB板为2层结构，每层PCB板都由两个对称分布的矩形线圈组成，两个矩形线圈的线宽、线距和匝数一致，但两个矩形线圈的绕向相反；柔性PCB板的上层线圈和下层线圈正交分布；因此含有多个频率的2路信号被分别加载到柔性PCB板的上层线圈和下层线圈以后，借助柔性PCB板特殊的线圈结构，将在管道上感应出多个频率的旋转电磁场，感应出的电磁场既在管道上旋转了起来，对任意方向缺陷都具有相同的灵敏度，并且具有多频信息，每个频率渗透的深度不同，实现了任意方向缺陷的分层检测。最后，探头壳整体呈圆环形结构，探头壳上开设两排若干个凹槽，每排凹槽分布的范围各为180°，并且两排凹槽在周向上可以覆盖整个圆周范围；所述磁场传感器安装于所述凹槽中，所述探头壳体的外部被两个所述柔性PCB板贴附，其中一个PCB板位于探头壳体的前部，另外一个柔性PCB板位于探头壳体的后部，两个PCB板在轴向上不重叠，并且所述柔性PCB板上层和下层线圈的中间重叠位置覆盖磁场传感器，通过两个柔性PCB板和多个检测传感器，检测范围覆盖了整个管道的周向，最终实现了管道的全周向任意方向缺陷的分层检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术，描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中旋转电磁场管道缺陷分层检测方法的流程图；

图2为本申请实施例中激励信号X1的示意图；

图3为本申请实施例中激励信号X2的示意图；

图4为本申请实施例中管道缺陷分层检测探头爆炸图；

图5为本申请实施例中探头壳的结构示意图；

图6为本申请实施例中柔性PCB板示意图；

图7为本申请实施例中柔性PCB板的上层线圈结构示意图；

图8为本申请实施例中柔性PCB板的下层线圈结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

下面，通过具体实施例对本申请所示的技术方案进行详细说明。需要说明的是，下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

实施例1

第一方面，本申请提供一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其步骤包括：

S1：根据管道的检测要求，选择合适的激励频率200Hz、400Hz、600Hz、800Hz、1000Hz和对应的幅值1V、1V、1V、1V、1V；

S2：如图2和图3所示，利用计算机生成激励信号，X1＝1*sin(200*2*π*t)+1*sin(400*2*π*t)+1*sin(600*2*π*t)+1*sin(800*2*π*t)+1*sin(1000*2*π*t)和激励信号，X2＝1*cos(200*2*π*t)+1*cos(400*2*π*t)+1*cos(600*2*π*t)+1*cos(800*2*π*t)+1*cos(1000*2*π*t)，产生的激励信号X1和X2包含多个频率，根据集肤效应，激励信号产生的感应电磁场的渗透和传播深度将不同，计算机将激励信号的波形信息发送给信号发生器；

S3：信号发生器根据S2中波形信息发出激励信号，功率放大器对其进行放大；

S4：S3中的信号被分别加载到一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头的柔性PCB板的上层线圈和下层线圈；

S5：利用S4中的检测探头对管道进行扫查；

S6：一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头中的磁场传感器拾取空间中的磁场信号；

S7：S6中的磁场信号被滤波和放大；

S8：S7中的信号被采集，并送入计算机；

S9：利用计算机对采集到的S8中的信号进行傅里叶变换，提取频率为200Hz、400Hz、600Hz、800Hz、1000Hz的幅值，并绘制不同频率的信号；

S10：对S9中绘制的不同频率的信号进行分析，进而实现管道缺陷的分层检测。

实施例2

本申请提供一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头，如图4所示，其特征包括：探头壳10，磁场传感器20，柔性PCB板30；所述探头壳整体呈圆环形结构，所述探头壳上开设两排若干个凹槽101，两排所述凹槽101分布的范围各为180°，并且两排所述凹槽101在周向上可以覆盖整个圆周范围；所述磁场传感器20安装于所述凹槽101中；所述探头壳的外部被两个所述柔性PCB板30贴附，其中一个所述柔性PCB板301位于所述探头壳10的前部，另外一个所述柔性PCB板302位于所述探头壳10的后部，两个所述柔性PCB板30在轴向上不重叠；如图6、图7和图8所示，所述柔性PCB板30为2层结构，所述柔性PCB板30的每层都由两个对称分布的矩形线圈组成，两个所述矩形线圈的线宽、线距和匝数一致，但绕向相反；所述柔性PCB板30的上层中的线圈和下层中的线圈正交分布，因此含有多个频率的2路信号被分别加载到柔性PCB板30的上层线圈和下层线圈以后，借助柔性PCB板30特殊的线圈结构，将在管道上感应出多个频率的旋转电磁场，感应出的电磁场既在管道上旋转了起来，对任意方向缺陷都具有相同的灵敏度，并且具有多频信息，每个频率渗透的深度不同，实现了任意方向缺陷的分层检测。并且所述柔性PCB板30上层和下层线圈的中间重叠位置覆盖磁场传感器20，通过两个柔性PCB板和多个检测传感器，检测范围覆盖了整个管道的周向，最终实现了管道的全周向任意方向缺陷的分层检测。

进一步地，如图5所示，所述探头壳上10开设导线凹槽102，所述导线凹槽102的中间为贯穿结构，用于穿过导线，所述探头壳10的内壁设有电路板安装柱103。

进一步地，还包括导向器40，所述导向器40安装于探头壳10的前端，保证探头能够顺利地在管道中前进。

进一步地，还包括保护罩50，所述保护罩50为圆环型结构，内径比所述探头壳外径稍大，所述保护罩50套在所述探头壳10上，通过密封胶进行连接，保护激励线圈不被管道内壁磨损。

进一步地，还包括滤波放大电路板60，所述滤波放大电路板60通过所述电路板安装柱103被固定在所述探头壳10的内部，所述滤波放大电路主要用于对检测信号的噪声的滤除和特征信号的放大。

进一步地，还包括后端盖70，所述后端盖70安装在所述探头壳10的后端，所述后端盖70中间有接头孔。

进一步地，还包括接头80，所述接头80安装在所述后端盖70的所述接头孔上。

以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其步骤包括：

S1：根据管道的检测要求，选择合适的激励频率f1，f2…fn和对应的幅值A1，A2…An；

S2：利用计算机生成激励信号X1＝A1*sin(f1*2*π*t)+A2*sin(f2*2*π*t)+…+An*sin(fn*2*π*t)和激励信号X2＝A1*cos(f1*2*π*t)+A2*cos(f2*2*π*t)+…+An*cos(fn*2*π*t)，并将激励信号的波形信息发送给信号发生器；

S3：信号发生器根据S2中波形信息发出激励信号，功率放大器对其进行放大；

S4：S3中的信号被分别加载到一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头的柔性PCB板的上层线圈和下层线圈；

S5：利用S4中的检测探头对管道进行扫查；

S6：一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头中的磁场传感器拾取空间中的磁场信号；

S7：S6中的磁场信号被滤波和放大；

S8：S7中的信号被采集，并送入计算机；

S9：利用计算机对采集到的S8中的信号进行傅里叶变换，提取频率为f1，f2…fn的幅值，并绘制不同频率的信号；

S10：对S9中绘制的不同频率的信号进行分析，进而实现管道缺陷的分层检测；

其中，所述旋转电磁场管道缺陷分层检测探头，其特征包括：探头壳，磁场传感器，柔性PCB板；所述探头壳整体呈圆环形结构，所述探头壳上开设两排若干个凹槽，两排所述凹槽分布的范围各为180°，并且两排所述凹槽在周向上可以覆盖整个圆周范围；所述磁场传感器安装于所述凹槽中；所述探头壳的外部被两个所述柔性PCB板贴附，其中一个所述柔性PCB板位于所述探头壳的前部，另外一个所述柔性PCB板位于所述探头壳的后部，两个所述柔性PCB板在轴向上不重叠；所述柔性PCB板为2层结构，所述柔性PCB板的每层都由两个对称分布的矩形线圈组成，两个所述矩形线圈的线宽、线距和匝数一致，但绕向相反；所述柔性PCB板的上层中的线圈和下层中的线圈正交分布，并且所述柔性PCB板上层和下层线圈的中间重叠位置覆盖磁场传感器。

2.如权利要求1所述的一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其特征在于，所述n为不小于2的自然数。

3.如权利要求1所述的一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其特征在于，所述探头壳上开设导线凹槽，所述导线凹槽的中间为贯穿结构，所述探头壳的内壁设有电路板安装柱。

4.如权利要求1所述的一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其特征在于，还包括导向器，所述导向器安装于探头壳的前端。

5.如权利要求1所述的一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其特征在于，还包括保护罩，所述保护罩为圆环型结构，内径比所述探头壳外径稍大，所述保护罩套在所述探头壳上，通过密封胶进行连接。

6.如权利要求1所述的一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其特征在于，还包括滤波放大电路板，所述滤波放大电路板通过所述电路板安装柱被固定在所述探头壳的内部。

7.如权利要求1所述的一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其特征在于，还包括后端盖，所述后端盖安装在所述探头壳的后端，所述后端盖中间有接头孔。

8.如权利要求7所述的一种旋转电磁场管道缺陷分层检测方法，其特征在于，还包括接头，所述接头安装在所述后端盖的所述接头孔上。

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