CN114062485A - 一种平面柔性差分脉冲涡流探头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面柔性差分脉冲涡流探头及其使用方法。平面柔性差分脉冲涡流探头由三片加工有螺旋线圈的柔性电路板构成，包括激励线圈和两组检测线圈，每组检测线圈包括以差分方式连接的两个线圈，两组检测线圈正交放置，紧贴在激励线圈下方。将探头沿着其中一组检测线圈圆心连线方向扫查，通过检测线圈拾取感应磁场的变化，从而检测到不同方向的缺陷信息。该探头无需耦合剂即可与试件表面保持良好的耦合，采用差分式结构以提高检测灵敏度和检测效率，采用正交的双通道柔性平面检测线圈，解决传统圆柱形激励‑接收探头耦合效果不好、检测区域有限的问题，实现对表面裂纹、孔状缺陷的检测。

Description

一种平面柔性差分脉冲涡流探头及其使用方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种平面柔性差分脉冲涡流探头及其使用方法。

背景技术

石油储罐作为储存石油产品的容器，在油气储运过程中起到非常重要的作用。但由于应力、腐蚀等作用，石油储罐底板会产生内外裂纹缺陷。一旦出现缺陷损伤，很容易发生爆炸、火灾等事故，带来重大的安全隐患。因此，为了提高石油储罐可靠性，降低安全事故发生风险，保障人身安全，避免产生不必要的人身经济财产损失，需要对其进行无损检测，及时发现缺陷。

目前，石油储罐底板裂纹缺陷的主要无损检测方式有超声检测、射线检测、漏磁检测、涡流检测等。通过对比现有的无损检测方法得知，涡流检测以其独特的优点，适合该种缺陷检测。涡流检测适合所有导电材料检测，不需耦合剂，也不与被测试件接触；对被测试件表面及近表面的缺陷有很高的灵敏度；检测速度快、效率高，便于实现自动化；得到的检测信号是电信号，检测结果可以进行数字化处理、比较、分析。

涡流检测已经发展了多个分支领域，其中脉冲涡流检测技术是近些年来发展起来的一种新的涡流检测技术，具有宽频谱、穿透能力强的特点。该技术采用脉冲激励的方式，一次检测就可以获得不同深度下的被测工件的情况，可有效检测出石油储罐底板的裂纹等缺陷，检测灵敏度很高。

脉冲涡流检测技术中，常采用圆柱形激励-接收探头。该探头成本低、激励强度大，但其无法与储罐底板表面良好耦合，且探头分辨率有限，较难适应狭窄区域检测，限制了其在储罐底板缺陷检测中的应用。现有的平面探头对石油储罐裂纹及孔类缺陷的检测缺乏较为系统的研究。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决传统圆柱形激励-接收探头耦合效果不好、检测区域有限及无法对不同类型缺陷进行检测识别的问题，提出一种平面柔性差分脉冲涡流探头。

本发明的第二个目的是提供一种平面柔性差分脉冲涡流探头的使用方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种平面柔性差分脉冲涡流探头，包括激励线圈和检测线圈，所述检测线圈包括检测线圈A和检测线圈B，所述检测线圈A包括以差分方式连接的线圈Ⅰ和线圈Ⅱ，所述检测线圈B包括以差分方式连接的线圈Ⅲ和线圈Ⅳ，所述检测线圈A和检测线圈B正交放置并位于所述激励线圈的下方，所述检测线圈A、检测线圈B和激励线圈的中心点重合，所述激励线圈、检测线圈A和检测线圈B分别加工在三个柔性电路板上。

进一步的，所述激励线圈包括线圈Ⅴ和线圈Ⅵ，所述线圈Ⅴ和线圈Ⅵ分别对应设置在相应的柔性电路板的上下两个表面，所述线圈Ⅴ和线圈Ⅵ在圆心处穿过相应的柔性电路板上的通孔连接。

进一步的，所述线圈Ⅰ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ、线圈Ⅳ、线圈Ⅴ和线圈Ⅵ均为平面的螺旋结构，且旋向相同。

进一步的，所述检测线圈A的中心点为线圈Ⅰ和线圈Ⅱ的圆心连线的中点，所述检测线圈B的中心点为线圈Ⅲ和线圈Ⅳ的圆心连线的中点。

进一步的，所述激励线圈的中心点为线圈Ⅴ和线圈Ⅵ相重合的圆心点。

进一步的，所述激励线圈的内径为0.01～0.2mm，外径为1～8mm，线径为0.1～0.6mm。

进一步的，所述线圈Ⅰ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ和线圈Ⅳ的参数均为：内径为0.01～0.2mm，外径为1～8mm，线径为0.01～0.3mm。

一种所述的探头的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、将所述探头中的激励线圈与脉冲信号源连接，检测线圈A和检测线圈B均与检测信号接收电路中的数据采集卡连接；脉冲信号源将双极性方波信号发射到激励线圈；

步骤二、将探头沿着长轴方向移动对被测工件进行测试，其中长轴方向为检测线圈A中线圈Ⅰ和线圈Ⅱ的两圆心连线的方向或检测线圈B中线圈Ⅲ和线圈Ⅳ的两圆心连线的方向，数据采集卡接收检测线圈的电压信号并进行电压数据采集；

步骤三、将采集到的电压数据，以时间为横坐标，电压值为纵坐标，绘制成电压衰减曲线；

步骤四、通过分析电压衰减曲线中电压峰值时间及峰值大小，获知检测线圈附近的缺陷信息，以此判断缺陷的存在情况。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

本发明将平面柔性差分探头与脉冲涡流结合起来，平面柔性涡流检测线圈可以与复杂表面良好耦合，双层形式的激励线圈提高了激励磁场的磁场强度，差分形式的检测线圈能够更好地检测缺陷信息，提高了检测效率与检测精度。另一方面，本发明设计了正交放置的两组检测线圈，在检测的过程中共用一个激励线圈，采用双通道采集的形式，二者互不影响，从而实现同时采集检测线圈经过路径上两个不同方向的缺陷信息，大大提高了检测效率。本发明对裂纹及腐蚀缺陷检测有很大帮助，在脉冲涡流无损检测技术中有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明中平面柔性涡流探头的示意图；

图2是线圈Ⅴ和线圈Ⅵ的示意图(2a)和激励线圈的整体示意图(2b)；

图3为检测线圈A的示意图；

图4为检测线圈B的示意图；

图5为本发明涡流缺陷检测系统的流程示意图；

图6为模拟裂纹缺陷的304L不锈钢平板检测试件3的俯视图(6a)和主视图(6b)；

图7为模拟方孔缺陷的304L不锈钢平板检测试件4的俯视图(7a)和主视图(7b)；

图8为模拟大圆孔缺陷的304L不锈钢平板检测试件5的俯视图(8a)和主视图(8b)；

图9为模拟小圆孔缺陷的304L不锈钢平板检测试件6的俯视图(9a)和主视图(9b)；

图10为本发明对裂纹缺陷平板检测试件3检测的检测结果；

图11为本发明对方孔缺陷平板检测试件4检测的检测结果；

图12为本发明对大圆孔缺陷平板检测试件5检测的检测结果；

图13为本发明对小圆孔缺陷平板检测试件6检测的检测结果；

图中：11.激励线圈，12、线圈Ⅰ，14、线圈Ⅱ，13、线圈Ⅲ，15、线圈Ⅳ；

21.脉冲信号源，22.数据采集卡，23.计算机，24.被测工件，25、涡流缺陷检测系统；

71～76为平面柔性差分脉冲涡流探头检测试件3中的31～35标记的裂纹缺陷的检测信号；

81～85为平面柔性差分脉冲涡流探头检测试件4中的41～44标记的方孔缺陷的检测信号；

91～95为平面柔性差分脉冲涡流探头检测试件5中的51～54标记的大圆孔缺陷的检测信号；

101～105为平面柔性差分脉冲涡流探头检测试件6中的61～64标记的小圆孔缺陷的检测信号。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明做详细描述，特作出声明，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖的范围。

具体实施方式一

一种平面柔性差分脉冲涡流探头，包括激励线圈11和检测线圈，

所述检测线圈包括检测线圈A和检测线圈B；所述激励线圈11、检测线圈A和检测线圈B分别加工在三个柔性电路板上，且从上到下叠加放置；具体结构如图1～4所示；

所述检测线圈A包括以差分方式连接的线圈Ⅰ12和线圈Ⅱ14，所述检测线圈B包括以差分方式连接的线圈Ⅲ13和线圈Ⅳ15，所述检测线圈A和检测线圈B紧贴在激励线圈11下方；

所述激励线圈11包括线圈Ⅴ111和线圈Ⅵ112，所述线圈Ⅴ111和线圈Ⅵ112分别对应设置在相应的柔性电路板的上下两个表面，所述线圈Ⅴ111和线圈Ⅵ112在圆心处穿过相应的柔性电路板上的通孔连接。

所述线圈Ⅰ12、线圈Ⅱ14、线圈Ⅲ13、线圈Ⅳ15、线圈Ⅴ111和线圈Ⅵ112均为平面的螺旋结构，且旋向相同。

所述检测线圈A和检测线圈B设置为正交放置且中心点与激励线圈11的圆心点重合，所述检测线圈A的中心点为线圈Ⅰ12和线圈Ⅱ14的圆心连线的中点，所述检测线圈B的中心点为线圈Ⅲ13和线圈Ⅳ15的圆心连线的中点；

所述激励线圈11的圆心与检测线圈A和检测线圈B的交点处重合；

所述检测线圈A和检测线圈B采取双通道采集形式，两组检测线圈采集到的信号互不影响。

进一步的，所述激励线圈11参数为：内径为0.01～0.2mm，外径为1～8mm，线经为0.1～0.6mm；

进一步的，所述检测线圈中线圈Ⅰ12、线圈Ⅱ14、线圈Ⅲ13和线圈Ⅳ1的参数均为：内径为0.01～0.2mm，外径为1～8mm，线经为0.01～0.3mm。

差分连接表示两个参数相同的线圈反向差分连接，如图3和4。

具体实施方式二

一种包含具体实施方式一所述探头的涡流缺陷检测系统25，包括脉冲信号源21、数据采集卡22和计算机23，所述探头01中激励线圈11的两个端头与脉冲信号源21电连接，所述探头01中检测线圈A的两个端头和检测线圈B的两个端头均与数据采集卡22电连接，所述数据采集卡22与计算机23电连接，如图5所示。本发明的涡流缺陷检测系统25中，脉冲信号源21将双极性方波信号发射到涡流探头的激励线圈11，探头01在被测工件24表面沿着长轴方向移动，其中长轴方向为检测线圈A中线圈Ⅰ12和线圈Ⅱ14的两圆心连线的方向或检测线圈B中线圈Ⅲ13和线圈Ⅳ15的两圆心连线的方向，将检测到的信号传输到数据采集卡22，数据采集卡22将检测信号进行存储与处理并输入到计算机23中，在计算机23中对检测信号进行数据处理。

具体实施方式三

一种具体实施方式一所述的探头的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、将所述探头01中的激励线圈11与脉冲信号源21连接，检测线圈A和检测线圈B均与检测信号接收电路中数据采集卡22连接；脉冲信号源21将双极性方波信号发射到激励线圈11，

步骤二、将探头01沿着长轴方向移动对待测件24进行测试，其中长轴方向为检测线圈A中线圈Ⅰ12和线圈Ⅱ14的两圆心连线的方向或检测线圈B中线圈Ⅲ13和线圈Ⅳ15的两圆心连线的方向，数据采集卡22接收检测线圈的电压信号并进行电压数据采集；

步骤三、将采集到的电压数据，以时间为横坐标，电压值为纵坐标，绘制成电压衰减曲线；

步骤四、通过分析电压衰减曲线中电压峰值时间及峰值大小，获知检测线圈附近的缺陷信息，以此判断缺陷的存在情况。

其检测原理为：检测时，给探头01的激励线圈11接通双极性方波电流信号，当施加在激励线圈11上的方波电流瞬时关断时，在周围空间产生快速衰减的瞬变磁场，称为一次磁场。进一步地，衰减的一次磁场会在被测工件24中感应出变化的涡流。涡流同样会产生快速衰减的感应磁场，称为二次磁场，该磁场反映了被检测对象的属性。通过检测线圈A、检测线圈B拾取感应磁场的变化，就能得到检测对象缺陷的信息。探头01沿长轴方向扫查，在无缺陷处感应磁场在检测线圈A的线圈Ⅰ12和线圈Ⅱ14中，或，检测线圈B的线圈Ⅲ13和线圈Ⅳ15中分布相同，两个线圈的感应电压相互抵消，输出端电压为零。而缺陷位于任一一个检测线圈下方时，缺陷引起的扰动导致感应磁场的不对称分布，进而引起检测线圈A或/和检测线圈B的输出端电压不为零。通过分析检测线圈A、检测线圈B感应信号的变化，可以实现被测工件24缺陷的检测。

涡流缺陷检测系统25与所使用的探头01连接，为探头01提供稳定的脉冲激励，将探头01放置被测工件24的一端，沿着被测工件24的轴线方向匀速缓慢往另一端移动，采集检测电压数据，最后绘制电压衰减曲线。

实施例1：

以下列举探头01对裂纹缺陷区域检测的具体实施案例：

(1)使用如图6所示的304L不锈钢板平板检测试件3，厚度为10mm，在该试件上制作了裂纹缺陷。相邻缺陷间距为80mm，具体缺陷尺寸为：标号31的裂纹缺陷长为20mm，宽为2mm，深度为8mm，标号32的裂纹缺陷长为20mm，宽为2mm，深度为6mm，标号33的裂纹缺陷长为20mm，宽为2mm，深度为4mm，标号34的裂纹缺陷长为20mm，宽为2mm，深度为2mm，标号35的裂纹缺陷长为20mm，宽为2mm，深度为1mm；

(2)探头01沿着轴线方向对平板检测试件3进行扫查，其具体参数如表所示，对探头01通以1安培的激励电流，频率为100Hz，占空比为50％；

表1探头的检测线圈和激励线圈的参数表

名称	激励线圈	检测线圈
			线径/mm	0.3	0.127
匝数	19	28
			内径/mm	0.2	0.2
外径/mm	8	8

(3)将探头01置于平板检测试件3表面，打开涡流缺陷检测系统25，使探头01缓慢匀速通过试件，同时采集并记录数据；

(4)当探头01完成检测后，保存采集到的电压数据并绘制电压衰减曲线图。

(5)观察电压衰减曲线在探头01通过人工缺陷时的电压峰值变化。

图10为探头01检测平板检测试件3裂纹缺陷区域的电压衰减曲线。标号71的曲线为无缺陷时的电压曲线，无缺陷时以差分方式连接的检测线圈输出电压接近0V，且电压较稳定。标号72～76的曲线依次是裂纹缺陷深度为1mm、2mm、4mm、6mm、8mm的电压曲线，可见随着深度的增加，检测信号电压峰值逐渐增大。该检测探头能够对裂纹缺陷进行识别。

实施例2：

以下列举探头01对方孔缺陷区域检测的具体实施案例：

(1)如图7所示的304L不锈钢板平板检测试件4，厚度为10mm，在该试件上制作了方孔缺陷。相邻缺陷间距为80mm，具体缺陷尺寸为：标号为41的方孔缺陷长为20mm，宽为20mm，深度为6mm，标号为42的方孔缺陷长为20mm，宽为20mm，深度为4mm，标号为43的方孔缺陷长为20mm，宽为20mm，深度为2mm，标号为44的方孔缺陷长为20mm，宽为20mm，深度为1mm。

(2)探头01对平板检测试件4(方孔缺陷试件)进行检测，探头01使用方法与上述实施例一致。

图11为探头01检测平板检测试件4方孔缺陷区域的电压衰减曲线。标号81的曲线为无缺陷时的电压曲线，无缺陷时以差分方式连接的检测线圈输出电压接近0V，且电压较稳定。标号82～85的曲线依次是方孔缺陷深度为1mm、2mm、4mm、6mm的电压曲线，可见随着深度的增加，检测信号电压峰值逐渐增大，但整体检测电压峰值与裂纹缺陷相比略有减小。该检测探头能够对方孔缺陷进行识别。

实施例3：

以下列举探头01对大圆孔缺陷区域检测的具体实施案例：

(1)如图8所示的304L不锈钢板平板检测试件5，厚度为10mm，在该试件上制作了圆孔缺陷。相邻缺陷间距为80mm，具体缺陷尺寸为：标号51的圆孔缺陷直径为20mm，深度为6mm，标号52的圆孔缺陷直径为20mm，深度为4mm，标号53的圆孔缺陷直径为20mm，深度为2mm，标号54的圆孔缺陷直径为20mm，深度为1mm。

(2)探头01对平板检测试件5(大圆孔缺陷试件)进行检测，探头01使用方法与上述实施例一致。

图12为探头01检测平板检测试件5大圆孔缺陷区域的电压衰减曲线。标号91的曲线为无缺陷时的电压曲线，无缺陷时以差分方式连接的检测线圈输出电压接近0V，且电压较稳定。标号92～95的曲线依次是圆孔缺陷深度为1mm、2mm、4mm、6mm的电压曲线，可见随着深度的增加，检测信号电压峰值逐渐增大。该检测探头能够对圆孔缺陷进行识别。

实施例4：

以下列举探头01对小圆孔缺陷区域检测的具体实施案例：

(1)如图9所示的304L不锈钢板平板检测试件6，厚度为10mm，在该试件上制作了圆孔缺陷。相邻缺陷间距为80mm，具体缺陷尺寸为：标号61的圆孔缺陷直径为4mm，深度为6mm，标号62的圆孔缺陷直径为4mm，深度为4mm，标号63的圆孔缺陷直径为4mm，深度为2mm，标号64的圆孔缺陷直径为4mm，深度为1mm。

(2)探头01对平板检测试件6(小圆孔缺陷试件)进行检测，探头使用方法与上述实施例一致。

图13为探头01检测平板检测试件6小圆孔缺陷区域的电压衰减曲线。标号101的曲线为无缺陷时的电压曲线，无缺陷时以差分方式连接的检测线圈输出电压接近0V，且电压较稳定。标号102～105的曲线依次是圆孔缺陷深度为1mm、2mm、4mm、6mm的电压曲线，可见随着深度的增加，检测信号电压峰值逐渐增大。与实施例3的检测结果相比，直径较小的圆孔缺陷检测电压峰值大大降低。该检测探头能够对圆孔缺陷进行识别。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种平面柔性差分脉冲涡流探头，包括激励线圈(11)和检测线圈，其特征在于：所述检测线圈包括检测线圈A和检测线圈B，所述检测线圈A包括以差分方式连接的线圈Ⅰ(12)和线圈Ⅱ(14)，所述检测线圈B包括以差分方式连接的线圈Ⅲ(13)和线圈Ⅳ(15)，所述检测线圈A和检测线圈B正交放置并位于所述激励线圈(11)的下方，所述检测线圈A、检测线圈B和激励线圈(11)的中心点重合，所述激励线圈(11)、检测线圈A和检测线圈B分别加工在三个柔性电路板上。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：所述激励线圈(11)包括线圈Ⅴ(111)和线圈Ⅵ(112)，所述线圈Ⅴ(111)和线圈Ⅵ(112)分别对应设置在相应的柔性电路板的上下两个表面，所述线圈Ⅴ(111)和线圈Ⅵ(112)在圆心处穿过相应的柔性电路板上的通孔连接。

3.根据权利要求2所述的探头，其特征在于：所述线圈Ⅰ(12)、线圈Ⅱ(14)、线圈Ⅲ(13)、线圈Ⅳ(15)、线圈Ⅴ(111)和线圈Ⅵ(112)均为平面的螺旋结构，且旋向相同。

4.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：所述检测线圈A的中心点为线圈Ⅰ(12)和线圈Ⅱ(14)的圆心连线的中点，所述检测线圈B的中心点为线圈Ⅲ(13)和线圈Ⅳ(15)的圆心连线的中点。

5.根据权利要求2所述的探头，其特征在于：所述激励线圈(11)的中心点为线圈Ⅴ(111)和线圈Ⅵ(112)相重合的圆心点。

6.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：所述激励线圈(11)的内径为0.01～0.2mm，外径为1～8mm，线径为0.1～0.6mm。

7.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：所述线圈Ⅰ(12)、线圈Ⅱ(14)、线圈Ⅲ(13)和线圈Ⅳ(15)的参数均为：内径为0.01～0.2mm，外径为1～8mm，线径为0.01～0.3mm。

8.一种权利要求1-7中任一权利要求所述的探头的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述探头(01)中的激励线圈(11)与脉冲信号源(21)连接，检测线圈A和检测线圈B均与检测信号接收电路中的数据采集卡(22)连接；脉冲信号源(21)将双极性方波信号发射到激励线圈(11)；

步骤二、将探头(01)沿着长轴方向移动对被测工件(24)进行测试，其中长轴方向为检测线圈A中线圈Ⅰ(12)和线圈Ⅱ(14)的两圆心连线的方向或检测线圈B中线圈Ⅲ(13)和线圈Ⅳ(15)的两圆心连线的方向，数据采集卡(22)接收检测线圈的电压信号并进行电压数据采集；

步骤三、将采集到的电压数据，以时间为横坐标，电压值为纵坐标，绘制成电压衰减曲线；

步骤四、通过分析电压衰减曲线中电压峰值时间及峰值大小，获知检测线圈附近的缺陷信息，以此判断缺陷的存在情况。

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