JPS6021445A - 渦電流検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は鋼材中の欠陥を検査するための渦電流検査装置
に関する。

〔発明の背景〕

従来の渦流探傷装置の例として、特開昭５５−１７０９
６９　ｒ渦流探傷装置」を説明する。第１図は従来装置
のブロック図である。発振器工からＡＣ電圧（周波数ｆ
ｘ　）が検出コイル２（第２図の如く、ブリッジ回路を
構成している）に印加される。電磁誘導作用によシ、検
出コイル２は被検体３０表面に渦電流を発生させる。当
該被検体３０表面に疵があると、渦電流が変化し、検出
コイル２のインピーダンスが変化して、インピーダンス
ブリッジ回路のバランスがくずれる。このアンバランス
信号を増幅器４によシ、電圧レベルを０．５〜ＩＶ程度
まで増幅する。

他の発振器６は、発振器ｌの周波数に対し、周波数差Δ
ｆを有する交流信号（周波数ｆｚ＝ｆ１−Δｆ）を掛算
器５に送る。当該掛算器５は、この信号と増幅器４で増
幅した検出信号とを掛合わせる。掛算器５の出力をロー
パスフィルタ７を通し、低周波信号（周波数Δｆ）分の
みを次段の位相検波回路８，９に出力する。この信号を
位相検波回路８および９によシ実数成分、および虚数成
分に分離する。表示装置１０では、Ｘ−Ｙスコープ等に
よシリサージュ波形を描く。疵の検出信号は、検出コイ
ルの走査によって急峻に変化するが、他のノイズ成分（
被検体と検出コイル間のギャップ変化、被検体の材質変
化、透磁率変化など）は比較的ゆつくシ変化する。疵の
検出信号の検出感度を高めるために、バランス回路１１
によってノイズ成分による信号は、検出コイル２の出力
にしないように調整している。

この調整動作について、第２図を用いて説明する、検出
コイル２はブリッジに構成される。発振器１によシ、一
対のブリッジ用プローブコイル２００．２０１が励磁さ
れ、被検体表面に渦電流を発生させる。疵がない場合、
プローブコイル２００．２０１の渦電流によるインピー
ダンス変化は同程度であるため、ブリッジのバランスは
保たれ、増幅器４の出力は零になる。被検体表面に疵が
あると、インピーダンスが変化する。検出コイル２を走
査すれば、プローブコイル２００゜２０１のインピーダ
ンスは時間的に急峻に変化する。これに対し、ノイズ成
分は比較的ゆるやかに変化するため、位相検波器８，９
の出力によってブリッジ回路２のバランス用抵抗２０２
を変更することによシ、ブリッジ２の出力を零にするこ
とができ、疵検用の感度を高める。

以上のごとき従来装置においソ、疵の深さを測定するに
は、疵の検出信号の位相が疵り深さに影響されるという
公知例にしたがって検出信号の位相と疵の深さの関係を
予め実験的にめた較正曲線を用い、被検体における疵の
検出信号の位相から疵の深さを判定していた。しかし、
疵の形状が異なると渦電流の分布が変わるので、疵の検
出信号の位相と疵の深さの関係が大きく変わる。従って
、通常は疵の形状が不明であるために、疵の深さあるい
は大きさを正確に検知することができない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、金属材料における疵の位置と大きさを
非接触で精密に測定できる渦電流検査装置を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本発明は、被検体中に発生させる渦電流の浸透深さを、
励磁周波数または直流磁界強度によって可変にし、深さ
方向の位置決めを行ない、また、プローブの走査によシ
走査方向の位置決めをして、被検体内の検査領域を細分
化することによって疵の正確な位置、大きさを検出する
ようにしたものである。

ここで本発明の詳細な説明する。渦電流の金属材料への
浸透深さδ（渦電流密度が被検体表面の３６、８　％に
なるまでの深さ）は（１）式で表わされる。

δ＝（μ　１）−１／２　・・・・・・・・・（１）こ
こで、μ、は被検体の比透磁率、ｆは励磁周波数である
。従って、渦電流の浸透深さδを変えるには被検体の比
透磁率μ、または励磁周波数ｆを変えればよい。被検体
が強磁性体の場合、比透磁率μｍが約１０２〜１０４と
非常に大きいため、渦電流は被検体の表面しか流れない
。渦電流を深層部まで浸透させるために、被検体に直流
磁界を加える。直流磁界強度Ｈａを強くすることによっ
て、被検体の深層部も比透磁率μ、を小さくすることが
できる。従って、直流磁界強度Ｈａを変えることによっ
て、渦電流の浸透深さδを変化させることができる。被
検体が常磁性体の場合、直流磁界を被検体に加えても効
果がないので、励磁周波数ｆを変えて、渦電流の浸透深
さδを変える。

第３図によシ本発明の検出方法を説明する。検出コイル
２はブリッジ回路を構成し、ブリッジは被検体３の既知
の正常部に対して平衡させておく。

検出コイル２に加える励磁電流の周波数を変えて、渦電
流の浸透深さを変える。浸透深さがδｌ、δ２の場合の
検出信号の差を取ることによシ、領域Ｓからの検出信号
が得られ、疵２１の存在がわかる。

前記、検出信号の差を取る場合、（２）式で示される渦
電流密度の大きさを考慮して、信号強度を補正する。

Ｊ−Ｊｏ−ｅＸｐ（−ＶＴＴＴ−ＶＴ−２）・・・（２
）ここで、Ｊ：励磁周波数ｆ１深さ２における渦電流密
度 Ｊｏ：被検体表面の渦電流密度 μ：被検体の透磁率 σ：被検体の導電率 である。

第４図によシ、疵の位置、大きさの測定法について説明
するつ検出プローブ２をＸ方向に走査して、第３図と同
じ方法で領域８ｒ　、８２の検出信号を取シ出し、領域
Ｓ＋　、８２に共通な領域Ｓ３にそれぞれの検出信号の
和を対応させる。

以下、検出コイルの走査方向ｘ１および深さ方向２を連
続的に変えることによシ、信号強度の強い疵の部分が検
出できる。

疵の位置、大きさは、渦電流の浸透深さδ、および検出
プローブの走査位置Ｘから、検査領域を明確に細分化す
ることによって、精密な測定ができる。精密測定のため
の具体的なアルゴリズムは、以下のようである。

被検体表面からの深さ２で得られる検出信号には（３）
式のようになる。

Ｋ（７，μ、　ｚ）＝ｋＪ”　ｅｘｐ　（−ｍ　・ｚ）
　−（３）ここで、ｆ＋　μ、σは（２）式と同じ変数
、ｋは検出コイルと被検体との磁気的な結合係数である
。

検出コイルで検出する信号■は（４）式のように、信号
Ｋを積分したものである。

Ｖ（ｆ、ｔｔ）＝ｆ’ｏＫ（ｆ、ｔｉ、ｚ）ｄｚ　・・
−・・・・（４）ここで、δ＝（πσμｆ）−１／２は
渦電流の浸透深さである。

従って、浸透深さを直流磁界強度あるいは励磁周波数で
変えた場合、（５）式あるいは（６）式によシ、検出信
号Ｖから、深さδの信号分Ｅを分離できる。

ここで、μくμ’　、ｆ＜ｆ’であシ、δ′、δ”はそ
れぞれ、透磁率がμ′の場合、および励磁周波数がｆ′
の場合の浸透深さである。

（５）式、あるいは（６）式によりめた信号Ｅから、（
７）式を用いて規格化された検出信号εをめる。

予め、実験によシ、疵の検出信号レベルε、を設定して
おき、ξとＣ，を比較して、深さδの位置における疵を
測定する。

第５図は、励磁周波数ｆを変えて測定する場合のフロー
チャートであり、以下に順を追って説明する。変数１１
及びｊは励磁周波数ｆの数、及び走査位置の数をカウン
トする。第ｊ番目の検出コイルの走査位置Ｘ」の信号を
取シ込む。第ｉ番目の励磁周波数ｆ、による検出信号Ｖ
Ｉを取シ込む。

（６）式により、深さδ１＝（πσμｆ　Ｉ　）−”／
２からの検出信号Ｅをめる。

ここで、σ、およびμはそれぞれ被検体の導電率、およ
び透磁率である。（力式によシ、検出信号Ｅを規格化し
た信号εをめる。規格化した検出信号εと疵の検出信号
レベルε、とを比較する。

ε〉ε、であれば、座標（ｘｌ、δＩ）に疵が存在する
と判断し、さくε、であれば、疵が存在しないと判断す
る。変数ｉを＋１して、励磁周波数ｆの数ｎを越えるま
で（ｉｋｎ＋ｘ）、同じ走査位置で、励磁周波数ｆを変
えて測定する、すべての励磁周波数ｆで測定したら、変
数ｊを＋１して、走査位置の数ｍを越えるまで（ｊ　’
；ａｍ＋　ｔ−）　、走査位置ＸＪを変えて測定する。

こうして、走査位置Ｘ、深さδの各座標における疵の存
在を見つけ、存在する座標から、疵の位置、大きさを決
定する。

次に第６図、第７図によシ、直流磁界強度Ｈｄを変えて
測定する場合について説明する。強磁性体に磁界Ｈをか
けると透磁率μは第６図に示すように変化する。この性
質を利用して、例えば、磁界強度ＨをＨｌからＨ２まで
変えれば（Ｈｌ　＜Ｈ２）。

透磁率μはμｌからμ２　（８重〉μ２　）へと変化す
る。

渦電流の浸透深さδは、δ＝５（πσμｆ）−１／２な
る関係にあるので、磁界強度Ｈを強くすることによシ、
浸透深さδを大きくすることができる。

ここで、σは被検体の導電率、ｆは励磁周波数である。

Ｈ＜Ｈｌの領域では、磁化が不十分なために被検体の磁
気ノイズ（透磁率のバラツキなど）を十分に低減できな
いので、Ｈ＞ＨＩの領域音用いるべきである。

第７図は直流磁界強度Ｈａを変えて測定する場合の７０
−チャートである。アルゴリズムは第５図とほとんど同
じであシ、励磁周波数ｆが直流磁界強度Ｈａに変わって
いるだけである。図中■１、及びδ、はそれぞれ直流磁
界強度がＨ＋の場合の検出信号、及び渦電流の浸透深さ
である。疵の位置、大きさの決定は第５図と同様にして
行なうつ〔発明の実施例〕 第８図に本発明の実施例を示す。発振器１からＡＣ！圧
を検出コイル２に印加する。検出コイル２は被検体３内
に渦電流を発生させる。検出コイル２はブリッジ回路を
構成し、被検体３の正常部に対してブリッジは平衡させ
ておくっ被検体３内に疵が存在すると、渦電流が変、化
し、これが検出コイル２のインビーグンス変化となり、
前記ブリッジ回路のバランスがくずれる。このアンバラ
ンス信号は信号処理装置３４へ取シ込まれて疵の判定に
使われる。発振器１の励磁周波数ｆは周波数制御装置３
０によシ、逐次、変化させる。被検体３が強磁性体の場
合、ＤＣ電源３１で発生したＤＣ電圧が磁化コイル３２
に印加され、被検体３には直流磁界が加わる。直流電源
３１の出力電流は磁化電流制御装置３３によシ、逐次、
変化させる。信号処理装置３４は、検出コイル２からの
走査位置信号と検出信号、発振器ゝ１からの励磁周波数
信号、およびＤＣ電源３１からの磁ｊヒ電流信号を取り
込み、各励磁周波数、磁化電流に対応した被検体３内の
渦電流の浸透深さδによシ深さ位置２を、また、走査位
置信号により走査位＠Ｘを決め、各位置での検出信号を
得て、信号レベルが設定した疵信号検出レベルより太き
ければ疵が存在すると判定する。疵が存在すると判定さ
れる領域が連続すれば、それは一つあるいは一連の疵と
して考え、連続した領域により、疵の大きさや、形を知
ることができる。

第９図は、第８図の信号処理装置３４の詳細構成を示す
。検出コイル２の検出信号は整流器３４０で整流され、
増幅器４で信号強度の補正をしてから、判定回路３４４
に送られる。増幅器４のゲインは、発振器１からの励磁
周波数信号と、ＤＣ電源３１からの直流磁化電流信号を
取シ込み、これに対応した渦電流の浸透深さ信号を発生
する、信号強度補正回路３４２によって制御される。一
方、この浸透深さ信号は深さ位置信号発生装置３４３に
よって深さ位置信号に変えられて、判定回路３４４に送
られる。検出コイルの変位信号は、走査位置信号発生装
置３４１によって走査位置信号に変えられて、判定回路
３４４に送られる。

判定回路３４４は、走査位置信号発生装置３４１から走
査位置信号を、深さ位置信号発生装置３４３から深さ位
置信号を、増幅器４から検出信号をそれぞれ別々に取シ
込んで、各位置の疵の存在を判定する。

第１０図は、第８図の検出コイル２をプレイ状に並べて
走査する実施例を示す。検出コイル２は被検体３に対し
て平行に、各々、独立させて並べる。磁化コイル３２は
検出コイル２０列が被検体３に対して影響を及ぼす領域
を十分に磁化できるように、分割あるーは一体型の十分
に大きなものにする。このよりなアレイ状の検出コイル
２を用いれば、被検体３上の走査回数を大巾に減少でき
る。回路的には、隣シ合った検出コイル間の誘導を補正
する回路が必要となるため、複雑になる。

第１１図は本発明を電熱管などを内側から検査する場合
に適用した例である。

プローブ６０は検出コイル２と、検出コイル２よ磁化じ
る磁力線が被検体３を透過する部分に対して直流磁界を
与える磁化コイル３２、この磁化コイルを巻く鉄芯≦０
、およびこれらを収容するケーシング５１から構成され
る。検出コイル２に加える信号の励磁周波数ｆを変える
ことによシ、被検体３内部の渦電流の浸透深さδが変化
する。

一方、磁化コイル３２に流すＤＣ電流を変化させること
によって、被検体３の内部の磁束密度を変えることがで
き、これによシ、被検体３内の透磁率μを変え、渦電流
の浸透深さδを可変にできる。

このように渦電流の浸透深さδを変えることによって、
見かけ上は深さ方向に走査したことと同じことになる。

また、プローブ６０を被検体３の軸方向に走査すること
によって、軸方向の疵の位置を把握できる。更に、円筒
座標系を考えて円周方向の疵の位置を知ろうとすれば、
検出コイル２を軸からずらして配置し、プローブ全体を
円周方向に回転させて、その位置信号を検出すればよい
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被検体が常磁性体でも強磁性体でも、
検出領域を細分化することができるので、これまで評価
が不十分であった疵の位置、大きさの精密測定が可能に
なる。これによって、各種構造物の強度計価が精密にで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の渦流探傷装置のブロック図、第２図は第
１図のブリッジ回路部の回路図、第３図乃至第７図は本
発明の原理図、第８図は本発明の実施例を示すブロック
図、第９図は第８図の信号処理装置の詳細構成図、第１
０図は検出コイルをアレイ状に並べた実施例、第１１図
は管を内面から検査する実施例を示す図である。 ｌ・・・発振器、２・・・検出コイル、３・・・被検体
、４・・・増幅器、５・・・掛算器、６・・・発振器、
７・・・ローパスフィルタ、８，９・・・位相検波回路
、１０・・・表示装置、１１・・・バランス回路、２１
・・・疵、３０・・・周波数制御装置、３１・・・ＤＣ
電源、３２・・・磁化コイル、３３・・・磁化電流制御
装置、３４・・・信号処理装置、５０・・・鉄芯、５１
・・・ケーシング　６０・・・プローブ、２００．２０
１・・・ブリッジ用プローブコイル、２０２・・・バラ
ンス用抵抗、３４０・・・整流器、３４１・・・走査位
置信号発生装置、３４２・・・信号強度補正回路、３４
３・・・深さ位置信号発生回路、３４４・・・判定回路
、Ｓ、　Ｓｌ、８２　、Ｓｓ・・・信号検出領域、第１
　図 第３　図 第４−　図 茅５　口 茅　乙　目 ＨノＨ２ ＠界潰度Ｈ 茎７　図 第　８　図 Ｊ　、４４ 第　ｑ　目 茅　ｔｏ　ロ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、励磁用発振器の出力を検出コイルに加え、被検体に
   渦電流を発生させ、この検出コイルのインピーダンス変
   化によシ前記被検体の疵を検出する渦電流検査装置にお
   いて、前記励磁用発振器の励磁周波数を変えるか、ある
   いは当該被検体を磁化する直流磁界の強さを変えること
   によって被検体中の渦電流の浸透深さを可変にして深さ
   方向の位置を決め、一方、検出コイルを走査して走査方
   向の位置を決めて被検体内の検査領域を細分化すること
   により、前記被検体内の疵の位置、大きさを精密に測定
   することを特徴とする渦電流検査装置。