JP2005106602A

JP2005106602A - 磁気探傷用センサ

Info

Publication number: JP2005106602A
Application number: JP2003339881A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Matsufuji; 泰大松藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】本発明は、センサヘッドの微小振動で生じるノイズの影響を従来より格段に低減可能な磁気探傷用センサを提供することを目的としている。
【解決手段】被検査材の走行ラインに沿って配設した磁石の磁極間に配置され、磁化された該被検査材に存在する欠陥から漏洩する磁束の検出に用いられる強磁性体コアとそれに巻回したサーチコイルとで形成された磁気探傷用センサを改良した。そのセンサは、前記強磁性体コアを、棒状で、前記被検査材の走行方向に一定間隔で互いに離隔して複数個備えるようにし、且つ該棒状の強磁性体コアの隣り合うもの同士に、前記サーチコイルを差動接続で巻回させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気探傷用センサに係わり、詳しくは、強磁性を有する被検査材（例えば、各種鋼帯，鋼管，条鋼等）に存在する疵等の欠陥を、該欠陥が発する漏洩磁束の捕捉で感度良く、且つ迅速に検出する計測技術に関する。

鋼帯等の欠陥を、該鋼帯と非接触で、迅速に検出する所謂「漏洩磁束探傷用センサ」（以下、磁気探傷用センサという）として、古くからサーチコイルを利用したものがある。一例として、比較的新しい技術であるＥ型の強磁性体コアにサーチコイルを巻回したものを、図６に示す（特許文献１及び２参照）。

その磁気探傷用センサ１０は、強磁性体のＥ型コア１１と、該Ｅ型コア１１の中央脚部１１ｂに巻回されたサーチコイル１２とで構成されている。この中央脚部１１ｂに外部磁界が作用すると、磁束変化ｄΦ／ｄｔ（Φ：磁束、ｔ：時間）に応じた電圧（記号：Ｖ）がサーチコイル１２の出力端Ａ，Ｂに発生する。

この従来のセンサは、図７（ａ）に示すように、Ｘ方向に移動する鋼帯等の被検査材１（以下、被検材と略す）を磁気飽和するために配設された磁石２（例えば、電磁石あるいは永久磁石）の磁極間に、該被検材１に沿い、前記Ｅ型コアの各脚部１１ａ，１１ｂ，１１ｃを被検材１面に向け配置して使用され、被検材１に疵等の欠陥３があると、該欠陥３から発生する漏洩磁束４とＥ型コア１１の各脚との時系列的な交差を利用して、欠陥３を検出するものである。

まず、磁石２で被検材１が磁化されると、欠陥３は他の健全部分と対比して磁気抵抗が大きいため、被検材１外部の大気中に磁束４を漏洩するが、この欠陥３が、Ｅ型コア１１の左側脚部１１ａと中央脚部１１ｂとの間の中央位置に達する（図７（ｂ）参照）と、欠陥３から漏洩した磁束４は，左側脚部１１ａに交差した後、中央脚部１１ｂに流れて磁気回路を構成する。このとき、サーチコイル１２には、漏洩磁束４の強度に応じた誘起電圧が生じ、出力端に電圧Ｖを発生する。次に、被検材１が移動して欠陥３がＥ型コア１１の中央脚部１１ｂの真下に至る（図７（ｃ）参照）と、欠陥３からの漏洩磁束４は、中央脚部１２ｂとは交差せずに、左側脚部１１ａと右側脚部１１ｃとにのみ交差するので、この状態ではサーチコイル１２に電圧は誘起されない。さらに、被検材１が移動して欠陥３が中央脚部１１ｂと右側脚部１１ｃとの間の中央位置に達する（図７（ｄ）参照）と、欠陥部からの漏洩磁束４は、中央脚部１１ｂに交差した後、右側脚部１１ｃに流れて、磁気回路を構成する。その際、サーチコイル１２には、前記と同様に漏洩磁束４の強度に応じた誘起電圧が発生し、コイル１２の出力端に電圧Ｖが現れる。

従って、上記一連の動作により、サーチコイル１２では、サインカーブ特性を有する欠陥からの漏洩磁束４が交差すると共に、交差する欠陥からの漏洩磁束４の変化に比例して、該サインカーブを１次微分した波形の欠陥信号が得られる。また、上記欠陥信号は、欠陥からの漏洩磁束４の強度のみならず、被検材１の移動速度に比例した出力となるので、サーチコイル１２の出力を増幅する増幅器として積分型増幅器を使用すれば、被検材１の移動速度に依存しない一定出力の信号が得られる。

以上詳述したように、Ｅ型強磁性体コア１１の中央脚部１１ｂにサーチコイル１２を巻回した磁気探傷用センサ１０を利用すると、従来の棒状強磁性体コアにサーチコイルを巻回した磁気探傷用センサ（図示せず）を用いた場合に比べて、鋼帯中の欠陥漏洩磁束を前記中央脚部のサーチコイルへ効率良く集束でき、感度の高い探傷が可能となる。
特開平８−１９３９８０号公報特開平９−１２７２１７号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２記載の磁気探傷用センサを試作して、鋼帯に存在する極めて微小な疵を検出しようとしたところ、以下の問題が生じた。

まず、板厚０．１５５ｍｍの試料鋼帯に０．０５ｍｍφ及び０．１ｍｍφの孔をドリルで加工して人工欠陥を形成し、オフラインで上記従来の磁気探傷用センサのセンサヘッド底と試料鋼帯面との距離（つまり、リフトオフ）を０．５ｍｍにした状態にて、０．１ｍｍφ欠陥からの出力が３Ｖになるように該磁気探傷用センサの感度調整を実施した。その際の出力波形は図４に示す通りである。

次に、実際にオンラインで１００ｍ／ｍｉｎの速度で走行している鋼帯の探傷を行った。その際、上記と同様に感度調整がなされ、板幅方向に３ｍｍピッチで配置した４３０ＣＨ（チャンネル）の従来センサを用いたが、その出力例を図５（ａ）及び（ｂ）に示す。これらの例は、代表チャンネル３６５，３６６の鋼帯の健全部に対応する波形である。図５（ａ）及び（ｂ）より、欠陥と判定する閾値を、例えば１Ｖ（０．０５ｍｍφの欠陥に相当）に設定すると、センサヘッドの振動に起因したノイズを欠陥として誤検出してしまうことが明らかである。つまり、前記した従来のサーチコイル式磁気探傷用センサを、実質的に欠陥検出感度が低くなる鋼帯移動速度の比較的小さい領域（通常、２００ｍ／ｍｉｎ程度以下）で用いると、センサヘッドの微小な振動に起因したノイズの影響を受け易くなるという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑み、センサヘッドの微小振動で生じるノイズの影響を従来より格段に低減可能な磁気探傷用センサを提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため、棒状の強磁性体コアを利用して、サーチコイルの出力に対するノイズの影響を除去することに鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、被検査材の走行ラインに沿って配設した磁石の磁極間に配置され、磁化された該被検査材に存在する欠陥から漏洩する磁束の検出に用いられる強磁性体コアとそれに巻回したサーチコイルとで形成された磁気探傷用センサであって、前記強磁性体コアは、棒状で、前記被検査材の走行方向に一定間隔で互いに離隔して複数個備えると共に、該棒状の強磁性体コアの隣り合うもの同士には、前記サーチコイルを差動接続で巻回してなることを特徴とする磁気探傷用センサである。

この場合、前記棒状の強磁性体コアの間隔Ｗ（ｍｍ）が下記（１）式を満足しているのが好ましい。

Ｗ＝Ｌ＋１.０ …（１）
ここで、Ｗ：棒状の強磁性体コア間の間隔（ｍｍ）、
Ｌ：センサヘッドの底面と被検査材の表面間の距離（ｍｍ）
また、前記複数本配置した棒状の強磁性体コア同士を、磁気的に連結させ、一体化したり、あるいは前記被検査材は、鋼帯、鋼管又は条鋼であるのが好ましい。

本発明では、被検材を走行させながら磁化し、磁化した被検材の欠陥から漏洩する磁束を検出する磁気探傷用センサにおいて、前記強磁性体コアを、棒状として、前記被検材の走行方向に一定間隔で互いに離隔して複数個備えると共に、該棒状の強磁性体コアの隣り合うもの同士には、前記サーチコイルを差動接続で巻回するように改造したので、被検材の移動に伴い生じるセンサヘッドの振動に起因したノイズを低減させることが可能となる。

また、前記棒状の強磁性体コアの間隔Ｗ（ｍｍ）を下記（１）式を満足するようにしたので、
Ｗ＝Ｌ＋１.０ …（１）
ここで、Ｗ：棒状の強磁性体コア間の間隔（ｍｍ）、
Ｌ：センサヘッドの底面と被検査材の表面間の距離（ｍｍ）
欠陥信号とノイズの出力比（Ｓ／Ｎ）をできるだけ大きい値に調整できるようになる。

さらに、棒状の強磁性体コア同士を磁気的に連結させるようにしたので、欠陥からの漏洩磁束をサーチコイル部へ有効に集束できるようになり、従来より格段に感度（Ｓ／Ｎ）の高い探傷が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の最良の実施形態を説明する。

前記課題を解決するための手段における作用を、図１を用いて詳細に説明する。

強磁性体である被検材（例えば、鋼帯）１を、図１（ａ）の矢印の方向へ移動させながら、移動方向に沿って配設した電磁石２により直流磁化した際、該被検材１中に欠陥３が存在すると、図１（ａ）に示すように、該欠陥３から生じた磁束が被検材外部の大気中に漏洩する。本発明は、その漏洩磁束４を検出する磁気探傷用センサの改良を図ったもので、該磁気探傷用センサは、被検材１の上方の一定位置に固定、配置して利用される。なお、図１（ａ）は、強磁性体コアは２個、つまり１組をペアで配列した例である。

まず、本発明に係る磁気探傷用センサのセンサヘッド５は、棒状の強磁性体コア６を、前記被検材１の走行方向に一定間隔で互いに離隔して複数個配列すると共に、該棒状の強磁性体コア６には、それぞれサーチコイルＡ，Ｂが巻回してある。これにより、各強磁性体コア６ヘ差交する垂直方向の磁界成分は、下側の向きを負、上側の向きを正とすると、図１（ｂ）及び（ｃ）に破線で示すように、サインカーブ状に変化する。また、サーチコイルＡ及びＢには、それぞれ実線にて図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、前記差交する磁束変化（サインカーブ）を微分した、タイミングの異なる出力電圧が発生する。

一方、強磁性体コア６及びサーチコイル１２を収容したセンサヘッド５は、被検材１の移動に伴って振動を受け、振動ノイズを出力として発するが、この場合も、各々のサーチコイルＡ及びＢには、図１（ｂ）及び（ｃ）に示したように、同じタイミングでほぼ同じレベルの出力電圧を生じる。

そこで、発明者は、隣り合う強磁性体コアに巻回するサーチコイルを差動接続すれば、上記サーチコイルＡの出力及びサーチコイルＢの出力に出現している各振動ノイズ成分（Ｎ）は互いに打ち消し合い、欠陥からの出力成分（Ｓ）が増大して、感度を表す指標である所謂「Ｓ／Ｎ」を高めると考えた。そして、実際にそのように接続したところ、図１（ｄ）のように、振動ノイズ出力のピーク（図１（ｂ）及び（ｃ））が消失することが確認できたので、これを要件に本発明を完成させたのである。

なお、本発明に係る磁気探傷用センサの被検材としては、鋼帯、鋼管、条鋼等の金属材料に限らず、強磁性材料であれば如何なる種類（例えば、フェライト系セラミック）のものであっても良い。それらの材料も欠陥から漏洩磁束を発するからである。

次に、発明者は、上記本発明に係る磁気探傷用センサにおいて、欠陥信号及び振動ノイズの出力比（Ｓ／Ｎ）をさらに高めることの可能性について検討した。そして、サーチコイルＡの正側ピーク信号タイミングとサーチコイルＢの負側ピーク信号タイミングとを一致させれば、上記出力比は高くなると考えた。具体的には、棒状の強磁性体コアの間隔Ｗを最適に調整することである。

そこで、前記間隔Ｗの最適値を求めるため、図２（ａ）に示すように、１個の棒状の強磁性体コア６にサーチコイル１２を巻回したセンサを用いて、図２（ｂ）で示す該棒状コア６のサーチコイル出力における欠陥信号の正側信号ピークと負側信号ピークとの間隔Ｗｓ（ｍｍ）と、被検材１―棒状コア６間の距離（すなわち、リフトオフＬ（ｍｍ））との関係を調査した。その結果を図２（ｃ）に示す。なお、この場合、被検材１の試料としては、板厚０．１５５ｍｍの鋼帯に、０．２ｍｍφの孔を人工欠陥としてドリルで加工したものを用いた。

図２（ｃ）より、欠陥信号の正側信号ピークと負側信号ピークとの間隔、すなわち欠陥からの漏洩磁界分布の広がりＷｓは、リフトオフＬの増大につれて大きくなり、両者の関係は、Ｗｓ（ｍｍ）＝Ｌ（ｍｍ）＋１．０で近似されることが明らかになった。そこで、前記２つの棒状強磁性体コアの間隔Ｗを、前記欠陥漏洩磁界分布Ｗｓ＝Ｌ＋１．０とすれば、２つのサーチコイルを差動接続した欠陥信号の出力を大きくできると考え、このことを要件にした本発明も提案する。

なお、棒状の強磁性体コアを３個以上配置する場合には、隣り合う棒状の強磁性体コア間でそれぞれのサーチコイルを差動接続し、各コア間の間隔ＷをＷｓ＝Ｌ＋１．０の関係とすれば、前記同様の効果を得ることが可能である。

また、本発明では、隣り合う棒状の強磁性体コアを互いに磁気的に連結させ、磁気回路を形成でするようにしても良い。それにより、欠陥からの漏洩磁束をサーチコイルへ有効に集束できるようになり、検出感度のさらに高い探傷が可能となるからである。この場合、各棒状の強磁性体コアは、それぞれの上端同士を、該コアと同質の強磁性体で連結するのが好ましいが、必ずしもそれに限らず、異質の強磁性体を用いたり、連結位置を種々変更しても良い。

一例として、図３に示したように棒状の強磁性体コア６の上端を連結し、「コ」の字形にした強磁性体コアを採用した本発明に係る磁気探傷用センサで、オンラインで実際に鋼帯の検査を行い、得られた出力の波形例を図５（ｃ）に示した。図５（ｃ）より、振動ノイズの出力が従来より格段に小さくなっていることが明らかである。このようにして、本発明によれば、従来における振動ノイズを１／３程度にまで低減させることが可能である。

本発明に係る磁気探傷用センサを示す図であり、（ａ）はその構成を、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）で動作原理を説明している。棒状コアのリフトオフＬと被検材欠陥からの漏洩磁束分布の広がりＷｓとの関係を求めた試験を説明する図であり，（ａ）は、試験の方法を、（ｂ）は欠陥出力におけるＷｓの定義を、（ｃ）は試験結果を示している。上端同士を強磁性体で連結した強磁性体コアを示す図である。磁気探傷用センサの感度調整時に得られた出力波形例を示す図である。被検材を実際に低速走行した際における磁気探傷用センサの出力波形を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は、従来のＥ型コアを備えたセンサを、（ｃ）は、本発明に係る「コ」の字形のコアを備えたセンサによる経時変化である。従来のＥ型コアを備えた磁気探傷用センサの構成を示す模式図である。従来のＥ型コアを備えた磁気探傷用センサの動作原理を説明する図であり、（ａ）は、欠陥が存在する被検材を電磁石の下方で走行させ、該電磁石の磁極間に上記センサを配置した図であり、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ欠陥がＥ型コアの各脚部間で異なる位置にある場合を示している。

符号の説明

１被検査材（被検材）
２磁石（電磁石、永久磁石等）
３欠陥
４漏洩磁束
５センサヘッド
６強磁性体コア
１０磁気探傷用センサ
１１Ｅ型コア
１１ａ、１１ｂ，１１ｃは、それぞれＥ型コアの左側脚部、中央脚部、右側脚部
１２サーチコイル

Claims

被検査材の走行ラインに沿って配設した磁石の磁極間に配置され、磁化された該被検査材に存在する欠陥から漏洩する磁束の検出に用いられる強磁性体コアとそれに巻回したサーチコイルとで形成された磁気探傷用センサであって、
前記強磁性体コアは、棒状で、前記被検査材の走行方向に一定間隔で互いに離隔して複数個備えると共に、該棒状の強磁性体コアの隣り合うもの同士には、前記サーチコイルを差動接続で巻回してなることを特徴とする磁気探傷用センサ。
前記棒状の強磁性体コアの間隔Ｗ（ｍｍ）が下記（１）式を満足してなることを特徴とする請求項１記載の磁気探傷用センサ。
Ｗ＝Ｌ＋１.０ …（１）
ここで、Ｗ：棒状の強磁性体コア間の間隔（ｍｍ）、
Ｌ：センサヘッドの底面と被検査材の表面間の距離（ｍｍ）
前記複数個配置した棒状の強磁性体コア同士を、磁気的に連結させ、一体化したことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気探傷用センサ。
前記被検査材が、鋼帯、鋼管又は条鋼であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気探傷用センサ。