CN1924568A - 一种表面裂纹的谐振涡流检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种表面裂纹的谐振涡流检测方法，属于铁磁性材料的无损电磁检测领域。本发明利用谐振电路产生脉冲谐振信号，激励传感器线圈，通过检测线圈获得涡流场来判断裂纹缺陷的存在。该方法的优点在于大大提高了检测时的提离高度，并且克服了粗糙表面对于检测的影响，能够实现现场实时在线检测，完成了传统涡流检测所不能够完成的粗糙表面裂纹检测，且信号判据丰富，处理方法简单，仪器的信噪比高。本发明所述方法和装置，拓展了传统涡流检测，脉冲涡流检测的概念和运用，扩大了使用广泛性，特别在激励方式上一种新型的手段，赋予了涡流检测更广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面裂纹的无损检测方法，属于铁磁性材料的无损电磁检测技术领域。
背景技术
表面裂纹给现代工业带来了巨大的经济损失，准确的实现在线检测成为持续的工业要求。现有的表面裂纹检测技术主要有超声，磁粉，渗透和电磁等方法；对于表面裂纹的检测，超声检测对象范围广，各种新材料如复合材料、陶瓷材料等，缺陷定位比较准确，但对被测材料表面状况有较高要求，同时与被测对象之间需要耦合剂，而且耦合的状态会很大的影响超声检测的结果；超声束的覆盖范围比漏磁与涡流探头都小，要完成同样面积扫查需要更多的探头或更长的扫查时间，需要处理的数据量也非常大。磁粉检测灵敏度高，可以直观的显示出缺陷的形状、位置与大小，并能大致确定缺陷的性质，工艺简单，检测速度快，费用低廉；但仅局限于检测铁磁材料的表面与近表面缺陷；试件表面不得有油脂或者其他能粘附磁粉的物质，而且油漆或者镀铬层厚度不应大于0.08mm；同时，需要磁化电源和设备，而且检测之后需要退磁及清洗。漏磁检测易于实现自动化，较高的检测可靠性，可以实现缺陷的初步量化；但只适用于铁磁材料，检测灵敏度低，要对工件饱和磁化，由于工件表面和形状的原因，使得工件表面的磁化场不均匀，容易产生误检和漏检，对工件表面状况要求比较高。提离对漏磁检测的信号影响也非常大，使得在检测过程中，对检测人员和检测装置的要求较高。渗透检测速度快，不受被检试件几何形状、尺寸大小、化学成分和内部组织结构的限制，也不受缺陷方位的限制。但对工件表面状况要求较高，检测前后都需要清洗等工作，而且表面粗糙对检测效果影响较大，会使试件表面的本底颜色或荧光底色增大，以致掩盖了细小的、分散的缺陷。
相比较而言，电磁方法可以实现非接触检测，不需要耦合剂，检测灵敏度高。在电磁涡流检测方法中，也以发展了常规涡流方法，脉冲涡流方法，近场涡流，远场涡流，多频涡流等方法，目前，使用一般电磁涡流方法难以实现其表面裂纹的检测，已有的其他方式需要将工件拆卸下来，进行全面清洗，然后进行检测。
发明内容
本发明的目的是提出一种表面裂纹的谐振涡流检测方法，即利用脉冲信号激励检测线圈，通过电容谐振，在线圈中产生数倍于激励信号的谐振高电压，实现能量聚焦功能，从而实现高提离值下的检测效果，并且通过检测线圈来感知脉冲谐振涡流场的变化，快速可靠地检测出粗糙表面裂纹存在与否。
本发明的技术方案如下：
1.一种表面裂纹的检测方法，其特征在于该检测方法包括以下步骤：
1)采用模拟电路产生脉冲方波信号，方波占空比为0.01％-99.99％可调，脉冲频率设置为0.01～100kHz，电压在0.01～2000V；
2)将脉冲方波信号输入激励线圈，配合并联谐振电容进行振荡，使其产生一种幅度值大于激励信号幅度值的衰减振荡信号；
3)在工件表面移动线圈传感器，保持提离值在10倍于线圈传感器直径范围内，扫查速度在10m/s以内进行检测；
4)通过检测线圈获得检测电压，并通过示波器或采集卡获得检测线圈信号的波形；
5)对所得波形采用如下方法进行分析判断：
a.对示波器所得波形从幅度角度进行判断，即当检测信号超过标准试样阀值时，认为其有裂纹缺陷；
b.对示波器所得波形通过相位的反转来判断，检测信号出现相位反转则认定为有裂纹缺陷；
c.对示波器所得波形通过幅频来判断，在有裂纹出现的情况下，其低频成分会增多，形成的频谱包络线将会变化，即可认定有裂纹缺陷；
d.对示波器所得波形通过斜率来判断，当有裂纹存在的时刻，检测信号的过零点，该点前后点斜率会出现由正到负的变化，即可认定有裂纹缺陷；
e.对采集卡所得波形通过包络线来进行判断，在有裂纹出现的情况下，检测信号的包络线会出现明显的局部塌陷效果，从而可以判断存在裂纹缺陷。
本发明的特征还在于：所述的线圈传感器磁心采用E型结构，E型磁心两侧缠绕激励线圈，中间缠绕检测线圈；或者两侧缠绕检测线圈，中间缠绕激励线圈。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明的谐振涡流检测方法，不但能够实现传统单频涡流，脉冲涡流等多种电磁检测方法所能够实现的裂纹检测效果，同时针对复杂工件表面，诸如工件表面有铸造面，凹凸不平，附着有油污，腻子，防锈漆，腐蚀层和其他污染物等，都能够实现非接触式、高提离值下的粗糙表面裂纹的检测。不需要对零件进行清洗，磁化和退磁等繁琐的工序，有利于针对不同工况制作裂纹检测仪。利用本方法检测裂纹对被检测零件无破坏性，同时检测信号不需经过复杂的算法处理，即可辨识裂纹缺陷，处理简单，方便快捷，易于便携式检测仪器设计。
附图说明
图1为脉冲谐振信号产生电路原理图。
图2为幅度值大于激励信号幅度值的衰减振荡波形图。
图3为工件表面有无裂纹时，幅度变化效果图：a为无缺陷时刻波形，b为有缺陷时刻波形。
图4为工件表面有无裂纹时，相位变化效果图：a为无缺陷时刻波形，b为有缺陷时刻波形。
图5为工件表面有无裂纹时，斜率变化效果图：a为无缺陷时刻波形，b为有缺陷时刻波形。
具体实施方式
下面结合附图对本分提供的检测方法的具体实现和操作过程做出详细说明。
图1为脉冲谐振信号产生电路原理图。本发明的基本原理是利用脉冲信号激励检测线圈，通过电容谐振，在线圈中产生数倍于激励信号的谐振高电压，实现能量聚焦功能，从而实现高提离值下的检测效果，并且通过检测线圈来感知脉冲谐振涡流场的变化，从而判断裂纹存在与否。
电路部分：
采用9V碱性(NEDA 1604A)电池供电；MAX639作为电源管理芯片用以产生+5V芯片供电电压；采用ICL7660芯片对5v电压做处理产生-5v电压，提供数据处理放大功能所需；脉冲发生电路主要由NE555芯片、电位器、开关二极管和电容组成1)采用模拟电路产生脉冲方波信号，方波占空比为0.01％-99.99％可调，脉冲频率设置为0.01～100kHz，电压在0.01～2000V。功率放大部分，脉冲发生以后，其自身功率不够，不足以触发线圈传感器的谐振，不能够长时间直接给线圈传感器提供能量，所以需要脉冲驱动电路来完成能量供给，主要由PNP型的9012和NPN型的9013三极管、开关二极管和大容量的电解电容组成，其中三极管的开关状态由脉冲发生电路控制。当控制脉冲为高电平时，9013导通，同时，9012也导通，通过开关二极管向激励线圈注入电流；当控制脉冲为低电平时，9013关断，进而9012也关断，同时由于开关二极管的存在，使得激励线圈中的能量与外界隔绝，产生自激振荡。峰值采样，检测信号中的部分峰值点是检测灵敏点，设计电路的过程是把这些点作为模拟信号采集，系统采用LS123芯片产生对应相位的矩形窗口，可以对信号起到关断的作用，当检测点来临时，通过窗口打开电路；当检测点经过后，再关断电路。通过示波器或者采集卡，完整的采集相关检测信号。
线圈传感器部分：
线圈传感器材料为EE19A锰锌功率铁氧体；线圈传感器磁心采用E型结构，E型磁心两侧缠绕激励线圈，中间缠绕检测线圈；或者两侧缠绕检测线圈，中间缠绕激励线圈；铜线采用线径为0.057的漆包线；线圈传感器封装外套采用尼龙，内部用Q/320481KD-001-2001单包装室温固化硅橡胶固化，在常温下即可。
测试方法：
1)采用模拟电路产生脉冲方波信号，方波占空比为0.01％-99.99％可调，脉冲频率设置为0.01～100kHz，电压在0.01～2000V；
2)将脉冲方波信号输入激励线圈，配合并联谐振电容进行振荡，使其产生一种幅度值大于激励信号幅度值的衰减振荡信号；
3)在工件表面移动线圈传感器，保持提离值在10倍于线圈传感器直径范围内，扫查速度在10m/s以内进行检测；
4)通过检测线圈获得检测电压，并通过示波器或采集卡获得检测线圈信号的波形；
5)对所得波形采用如下方法进行分析判断：
a.对示波器所得波形从幅度角度进行判断，即当检测信号超过标准试样阀值时，认为其有裂纹缺陷，如图3所示；
b.对示波器所得波形通过相位的反转来判断，检测信号出现相位反转则认定为有裂纹缺陷，如图4所示；
c.对示波器所得波形通过幅频来判断，在有裂纹出现的情况下，其低频成分会增多，形成的频谱包络线将会变化，即可认定有裂纹缺陷；
d.对示波器所得波形通过斜率来判断，当有裂纹存在的时刻，检测信号的过零点，该点前后点斜率会出现由正到负的变化，即可认定有裂纹缺陷，如图5所示；
e.对采集卡所得波形通过包络线来进行判断，在有裂纹出现的情况下，检测信号的包络线会出现明显的局部塌陷效果，从而可以判断存在裂纹缺陷。
以下实施例均采用幅度值作为判据。
实施例1
(1)检测裂纹宽度为0.3mm，深度为2mm，1mm，0.5mm标准涡流检测裂纹试样
(2)传感器探头以0.5m/s速度扫过裂纹，提离高度为2.5mm
(3)获得检测数据如表所示：
| 裂纹大小 | 无缺陷处最大值(V) | 缺陷处最大值(V) | 检测差值最大值(V) | |
| 宽度(mm) | 深度(mm) | |||
| 0.30.30.3 | 2.01.00.5 | 2.362.362.36 | 3.563.242.72 | 1.200.900.26 |
实施例2
(1)检测裂纹宽度为0.9mm-1.5mm连续变化，长度为150mm车轮轮毂切块凹槽处裂纹，轮毂凹槽表面附着有2-3mm腻子和防锈漆，表面粗糙
(2)传感器探头以2.5m/s速度扫过裂纹，提离高度为4.5mm
(3)获得检测数据如表所示：
| 无缺陷处最大值(V) | 缺陷处最大值(V) | 检测差值最大值(V) |
| 2.52 | 3.92 | 1.40 |
实施例3
(1)检测裂纹宽度为0.9mm-1.5mm连续变化，长度为150mm车轮轮毂切块凹槽处裂纹，轮毂凹槽表面附着有2-3mm腻子和防锈漆，表面粗糙
(2)传感器探头以1.5m/s速度扫过裂纹，提离高度为6.5mm
(3)获得检测数据如表所示：
| 无缺陷处最大值(V) | 缺陷处最大值(V) | 检测差值最大值(V) |
| 2.36 | 3.60 | 1.24 |
实施例4
(1)检测裂纹宽度为0.5mm-1.0mm连续变化，长度为250mm完整车轮轮毂凹槽处裂纹，轮毂凹槽表面附着有2.5mm腻子和防锈漆，表面粗糙
(2)传感器探头以1.5m/s速度扫过裂纹，提离高度为6.5mm
(3)获得检测数据如表所示：
| 无缺陷处最大值(V) | 缺陷处最大值(V) | 检测差值最大值(V) |
| 2.08 | 2.96 | 0.88 |
实施例5
(1)检测内燃机阀口出现的均为极其细小的微细裂纹，分布在阀口的边缘，裂纹宽度为0.05mm-0.1mm连续变化，长度为8mm，表面粗糙有防锈漆
(2)传感器探头以0.3m/s速度扫过裂纹，提离高度为1.0mm
(3)获得检测数据如表所示：
| 无缺陷处最大值(V) | 缺陷处最大值(V) | 检测差值最大值(V) |
| 2.36 | 3.56 | 1.20 |
上述方式只是本发明的一些具体实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开了使用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是说明，而并不具有限制性的意义。
Claims (2)
1.一种表面裂纹的检测方法，其特征在于该检测方法包括以下步骤：
1)采用模拟电路产生脉冲方波信号，方波占空比为0.01％-99.99％可调，脉冲频率设置为0.01～100kHz，电压在0.01～2000V；
2)将脉冲方波信号输入激励线圈，配合并联谐振电容进行振荡，使其产生一种幅度值大于激励信号幅度值的衰减振荡信号；
3)在工件表面移动线圈传感器，保持提离值在10倍于线圈传感器直径范围内，扫查速度在10m/s以内进行检测；
4)通过检测线圈获得检测电压，并通过示波器或采集卡获得检测线圈信号的波形；
5)对所得波形采用如下方法进行分析判断：
a.对示波器所得波形从幅度角度进行判断，即当检测信号超过标准试样阀值时，认为其有裂纹缺陷；
b.对示波器所得波形通过相位的反转来判断，检测信号出现相位反转则认定为有裂纹缺陷；
c.对示波器所得波形通过幅频来判断，在有裂纹出现的情况下，其低频成分会增多，形成的频谱包络线将会变化，即可认定有裂纹缺陷；
d.对示波器所得波形通过斜率来判断，当有裂纹存在的时刻，检测信号的过零点，该点前后点斜率会出现由正到负的变化，即可认定有裂纹缺陷；
e.对采集卡所得波形通过包络线来进行判断，在有裂纹出现的情况下，检测信号的包络线会出现明显的局部塌陷效果，从而可以判断存在裂纹缺陷。
2.按照权利要求1所述的表面裂纹的检测方法，其特征在于：所述的线圈传感器磁心采用E型结构，E型磁心两侧缠绕激励线圈，中间缠绕检测线圈；或者两侧缠绕检测线圈，中间缠绕激励线圈。
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