CN220894211U - 基于“八”字形激励的涡流探头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于“八”字形激励的涡流探头，包括探头壳体和设置在壳体中两个激励线圈和接收线圈；两个激励线圈呈“八”字形分布，接收线圈位于励磁线下方。本实用新型通过设计“八”字形激励的涡流探头结构。首先，通过理论分析发现，由于激励线圈产生一次磁场的方向并非接收线圈磁场敏感方向，因此该结构可减小直接耦合作用的影响；同时，试件中的涡流场区域主要位于“八”字形激励线圈两个脚的下方位置，而此区域与接收线圈距离较近，因此可保证探头检测能力。该探头能够在10mm提离下对裂纹缺陷进行检测，对裂纹缺陷有很好的检测性能。解决了现有技术中当提离比较大时，其检测能力较差的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于电磁无损检测装置领域，具体涉及一种基于“八”字形激励的涡流探头。
背景技术
涡流检测是以电磁感应原理为基础的检测技术，其对表面和近表面的裂纹、夹杂物或腐蚀缺陷敏感，且具有通用性强、检测高效、不需要耦合剂等优点，有很好的应用前景。
涡流检测技术在金属材料检测中已经有了大量的研究及一定的应用。尤其近年来，随着探头制作工艺的不断发展，柔性平面涡流探头逐渐成为涡流检测技术的研究重点。基于柔性基底设计的涡流探头可检测具有复杂表面的结构，适应性强，同时可减小提离对信号的影响，因此获得了越来越多的关注。
然而，虽然柔性线圈能够提高探头对缺陷的检测能力，但由于柔性线圈的能量较弱，当提离比较大时，其检测能力普遍较差。如何提高柔性探头在较大提离下的检测能力是需要切实解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于“八”字形激励的涡流探头，其为了解决现有技术中由于柔性线圈的能量较弱，当提离比较大时，其检测能力较差的技术问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案实现：
基于“八”字形激励的涡流探头，包括探头壳体和设置在壳体中两个激励线圈和接收线圈；
两个激励线圈呈“八”字形分布，接收线圈位于励磁线下方。
通过设计“八”字形激励的涡流探头结构。首先，通过理论分析发现，由于激励线圈产生一次磁场的方向并非接收线圈磁场敏感方向，因此该结构可减小直接耦合作用的影响；同时，试件中的涡流场区域主要位于“八”字形激励线圈两个脚的下方位置，而此区域与接收线圈距离较近，因此可保证探头检测能力。
进一步优化，两个激励线圈结构相同，且关于二者之间的竖直面对称设置。
进一步优化，两个激励线圈的上端紧靠在一起，二者之间的夹角为15°~90°。
进一步优化，两个激励线圈之间的夹角为60°。
进一步优化，所述接收线圈与试件上表面平行设置，沿平行激励线圈所在平面的方向观察，两个激励线圈和接收线圈的侧边构成等腰三角形。
一种基于“八”字形激励的涡流探头的无损检测方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建检测平台：检测平台包括信号发生器、功率放大器、数据采集机卡、信号调理电路、直流电源、扫查架、涡流探头和计算机；将探头固定在支架上，将支架与安装在扫查架上；直流电源为各部分电路进行集中供电；
步骤2：扫查架带动支架和涡流探头整体沿待检测工件表面移动，进行缺陷检测，涡流探头提离为0-10mm；信号发生器产生两路正弦信号，一路经功率放大器后输送至探头中的激励线圈，另一路送至调理电路中的移相器转为正交的两路参考信号；接收线圈产生的感应电压信号经调理电路处理后输出包含特征量信息的两路直流信号；采集卡对数据同步采集并通过计算机中的上位机 DAQExpress 软件进行读取和存储；
步骤3：根据涡流探头检测信号分析工件的确认。
进一步优化，所述涡流探头的接收线圈和激励线圈的对应参数相同，分别为：长30mm，宽20 mm，线径 0.08 mm，线间距0.18 mm，层数为两层，总匝数41匝；激励电流频率为100kHz
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
1）、本实用新型通过设计“八”字形激励的涡流探头结构。首先，通过理论分析发现，由于激励线圈产生一次磁场的方向并非接收线圈磁场敏感方向，因此该结构可减小直接耦合作用的影响；同时，试件中的涡流场区域主要位于“八”字形激励线圈两个脚的下方位置，而此区域与接收线圈距离较近，因此可保证探头检测能力。
2）、该探头能够在10mm提离下对裂纹缺陷进行检测，对裂纹缺陷有很好的检测性能。解决了现有技术中当提离比较大时，其检测能力较差的问题。
附图说明
图1为柔性涡流探头检测原理示意图；
图2为本实用新型所述Comsol数值仿真模型示意图；
图3为模拟仿真时探头的检测信号图；
图4为支架结构示意图；
图5为针对“八”字形激励线圈不同夹角时的变化时的检测信号对比图；
图6为激励线圈不同夹角时信号峰峰值图；
图7 为探头检测不同深度裂纹时的检测信号图；
图8 为探头在不同提离下的检测信号图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
柔性涡流探头的检测原理与常规涡流检测相同，如图1所示，在激励线圈中通入频率为f的正弦交变电流后，会在空间中生成相同频率的一次磁场，该磁场在试件表面感生出涡流；试件表面涡流的变化会产生与一次磁场方向相反的磁场，被称为二次磁场；一次磁场和二次磁场均在感应线圈两端产生感应电动势，即检测信号。显然，一次磁场直接耦合到接收线圈产生的信号U 0与试件无关，而二次磁场耦合到接收线圈中产生的信号△U包含构件缺陷信息，是检测所需的信号。对于柔性涡流探头，当激励与接收线圈的结构采用上下层平行设计时(接收线圈如图1中红线虚线所示)，直接耦合信号U 0对检测信号的干扰较大；而当激励与接收线圈的结构采用左右设计时(接收线圈如图1中蓝线虚线所示)，虽然直接耦合产生的干扰较小，但由于接收线圈与试件中涡流场区域的距离较远，导致△U也较小，从而降低线圈的检测能力。因此，对于柔性线圈，需要在减小直接耦合信号的同时保证线圈的检测能力。
对此，本申请设计了如图2所示的基于“八”字形激励的柔性涡流探头。包括探头壳体和设置在壳体中两个激励线圈21和接收线圈22；两个激励线圈21结构相同，且关于二者之间的竖直面对称设置，整体呈“八”字形分布；接收线圈22平行于试件1表面设置，且位于激励线圈下方，即位于激励线圈在试件表面的投影区域。沿平行激励线圈所在平面的方向观察，两个激励线圈和接收线圈的侧边构成等腰三角形。
在本本实施例中，所述接收线圈22的数量为1个，构成绝对式线圈。在其他实施例中，接收线圈的数量可以为2个，则构成差分线圈。
在本实施例中，两个激励线圈之间的夹角为60°。在其他实施例中，两个激励线圈二者之间的夹角可以为15°~90°范围内的任意角度。
由于激励线圈产生一次磁场的方向并非接收线圈磁场敏感方向，因此本申请的探头结构可减小直接耦合作用的影响；同时，根据磁场分布规律，试件中的涡流场区域主要位于“八”字形激励线圈两个脚的下方位置，即激励线圈在试件的投影区域，而此区域与接收线圈距离较近，因此可保证探头检测能力。
为了验证“八”字形激励的柔性涡流探头的性能，分别进行了模拟仿真和试验。
为进一步验证上述对检测原理的分析，利用有限元仿真软件COMSOLMultiPhysical中的AC/DC模块，对所设计的探头进行电磁场频域分析，所建立几何模型，如图2所示。其中，待测试件的材质为碳钢，厚度为4mm；试件中的裂纹4长度为15mm，深度为2mm，宽度为0.35mm；单个激励线圈和接收线圈的尺寸相同，其内边长宽分别为2mm和1 mm，外边长宽分别为为6mm和5mm(为减小计算量，仿真使用的线圈尺寸较小)；两个激励线圈之间的夹角为80度。
试件中的涡流场主要集中在“八”字形的激励线圈在试件表面投影区域，这和上述理论分析结论一致。此外，由于试件表面涡流场的分布特点，当探头靠近和远离裂纹时，其检测信号更强；而当探头处于缺陷正上方时，其检测信号为0V。如图3为该探头的检测信号，其中波峰和波谷对应的横坐标分别表示探头靠近和远离缺陷位置的竖直，其中0坐标表示探头位于缺陷正上方。
1）搭建实验平台：
为验证探头性能，搭建了实验台。实验平台主要包括信号发生器、功率放大器、数据采集机卡、信号调理电路、直流电源、扫查架、涡流探头、碳钢试件和计算机等。信号发生器产生两路正弦信号，一路经功率放大器后输送至探头中的激励线圈，一路送至调理电路中的移相器转为正交的两路参考信号；接收线圈产生的感应电压信号经调理电路处理后输出包含特征量信息的两路直流信号；采集卡对数据同步采集并通过计算机中的上位机DAQExpress 软件进行读取和存储；直流电源为各部分电路进行集中供电。此外，为方便实验，设计探头支架，探头2固定在支架3上。如图4所示，支架3通过夹持组件31安装在扫查架上，并在其夹持下对试件进行扫查。实验中所用探头激励和接收线圈相同，其参数为：长30mm，宽20 mm，线径 0.08 mm，线间距0.18 mm，层数两层，总匝数41匝；激励电流频率为100kHz；试件为碳钢平板试件，其上有宽0.5mm、深度5mm、4mm和3mm的贯穿型裂纹缺陷。
2）、 探头角度优化：
考虑到改变“八”字形激励线圈的角度会影响一次磁场与接收线圈的耦合以及试件感应的涡流场产生的二次磁场与接收线圈的耦合，进而影响检测信号，因此，首先通过实验对八”字形激励线圈的夹角进行优化。图5为“八”字形激励线圈的夹角从15度到90度变化时，探头扫描过宽0.5mm、深度5mm裂纹缺陷的检测信号。由图可知，基于“八”字形激励的涡流探头检测信号呈正弦曲线形状分布，且当探头位于完好区域时，其信号幅值几乎为0V，这和仿真结果一致。此外，从图中可看出，信号的形态和信噪比随线圈夹角的变化而变化。当“八”字形激励线圈的夹角为60度时，信号信噪比最好。此外，图6为信号的峰峰值随激励线圈角度的变化情况。由图可知，当“八”字形激励线圈的夹角为60度时，信号的峰峰值最大。因此认为“八”字形激励线圈的夹角为60度时，其性能最好。在后续的实验中，均选用夹角为60的激励线圈。
3）、探头性能分析：
图7为使用优化后的探头依次扫描过深5mm、4mm和3mm裂纹缺陷时的检测信号。由图可知，探头对所有缺陷均可检出，且信号信噪比较高。同时，信号峰值及峰峰值随缺陷深度变化明显，因此可用作特征量定量裂纹缺陷尺寸。
此外，图8为探头提离从0-10mm变化时，对宽0.5mm、深5mm裂纹的检测信号。由图可知，虽然信号的峰值及峰峰值随着提离的增加而减小，但当提离为10mm时，探头依然可检出宽0.5mm、深5mm的裂纹缺陷，且信号的信噪比较高。由此可证明，该探头在较大的提离下依然有很好的检测性能。
综上验证，本申请所述基于“八”字形激励的涡流探头，由于激励线圈产生一次磁场的方向并非接收线圈磁场敏感方向，因此该结构可减小直接耦合作用的影响；同时，试件中的涡流场区域主要位于“八”字形激励线圈两个脚的下方位置，而此区域与接收线圈距离较近，因此可保证探头检测能力。其次，通过实验对探头进行优化设计和性能分析。实验结果表明：当两个激励线圈的夹角为60度时，其对本文所用碳钢试件的检测能力最强；同时，所设计探头能够区分不同深度的裂纹缺陷，且能够在10mm提离下对宽0.5mm，深5mm的裂纹缺陷进行检测。由此可证明，该探头对裂纹缺陷有很好的检测性能。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.基于“八”字形激励的涡流探头，其特征在于，包括探头壳体和设置在壳体中的接收线圈和两个激励线圈；
两个激励线圈呈“八”字形分布，接收线圈位于励磁线下方；两个激励线圈结构相同，且关于二者之间的竖直面对称设置。
2.根据权利要求1所述的基于“八”字形激励的涡流探头，其特征在于，两个激励线圈的上端紧靠在一起，二者之间的夹角为15°~90°。
3.根据权利要求2所述的基于“八”字形激励的涡流探头，其特征在于，两个激励线圈之间的夹角为60°。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于“八”字形激励的涡流探头，其特征在于，所述接收线圈与试件上表面平行设置，且位于激励线圈在试件表面的投影区域；沿平行激励线圈所在平面的方向观察，两个激励线圈和接收线圈的侧边构成等腰三角形。
5.根据权利要求4所述的基于“八”字形激励的涡流探头，其特征在于，所述接收线圈的数量为1个或2个。
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