Page 61 - 无损检测2024年第五期
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肖逸儒, 等:
基于刀片式激励线圈旋转的脉冲涡流探头
于常规涡流检测发展起来的电磁无损检测技术, 在 冲涡流探头, 其结构简单、 体积小巧; 进一步地设计
检测裂纹缺陷方面已有相关研究与应用。与传统涡 了机械旋转刀片式探头, 通过激励端在内部转动激
流正弦波激励不同, 脉冲涡流以方波为激励源, 通过 励, 接收端在外部静止接收; 最后通过试验对不同方
方波的上升沿或下降沿激励, 激励线圈中的瞬时功 向的裂纹缺陷进行检测, 验证了该旋转探头的检测
率更高。 能力。
脉冲涡流检测一般通过信号处理与探头结构设
计两种策略来提升检测灵敏度。赵莹等 [ 6 ] 研究了激 1 刀片式激励线圈旋转脉冲涡流探头
励信号对裂纹检测的影响, 仿真结果显示50%的占 脉冲涡流检测以方波为激励源, 根据电磁感应
空比和更短的上升时间有利于裂纹缺陷检测灵敏度 原理, 交变电场会瞬间产生一个快速变化的脉冲磁
的提升。周德强等 [ 7 ] 通过提取脉冲涡流检测信号中 场, 即一次磁场, 进而感生出涡流, 由涡流产生的二
的峰值与峰值时间两个特征值, 应用了主成分分析 次磁场与一次磁场叠加在一起, 其中二次磁场能间
法将表面裂纹、 亚表面裂纹与腐蚀裂纹进行分类。 接反映试件的参数与特征, 其检测原理如图1所示。
然而传统线圈受自身结构所限, 对微裂纹检测灵敏
度较低, 此问题仅通过信号处理的方法难以解决。
在探头结构设计上, 一方面可提升单探头灵敏度; 另
一方面通过探头之间的差动联接来提升探头灵敏
度。矩形探头具有方向性, 其产生的感应涡流比圆
形探头的更加均匀 [ 8 ] , 张玉华等 [ 9 ] 基于近似均匀的
场分布对缺陷尺寸和形状变化敏感的特性, 研究脉
图1 脉冲涡流检测原理
冲涡流中三维磁场的缺陷特征, 进一步使用矩形脉
旋转探头的激励端由刀片式铁芯与线圈组成。
冲涡流传感器对缺陷进行评估。周德强等 [ 10 ] 通过
激励端的线圈相当于多匝矩形环流, 结合毕奥 - 萨伐
设计矩形差分探头, 提升对缺陷的检测能力。上述
尔定律和叠加原理, 可得到z 方向上的磁感应强度
研究主要针对裂纹缺陷的检测灵敏度进行提升, 而
的矢量和为
对于裂纹缺陷方向的判断, 在脉冲涡流检测中却少
( 1 )
B z = B 1z + B 2z + B 3z + B 4z
有研究与提及。
, , , 分别表示矩形线圈四条边
针对裂纹缺陷方向特征, 当前主要是基于涡流 式中: B 1z B 2z B 3z B 4z
对空间点产生的 z 方向上的磁感应强度, 其强度叠
的电磁场旋转和基于交流电磁场检测( ACFM ) 的电
加示意如图2所示 [ 16 ] 。
场旋转进行判断。陈涛等 [ 11 ] 设计了一种立方体式
的旋转涡流探头, 通过不同的激励信号相位, 能够在
0.3~1.2 mm 的提离内识别焊缝缺陷方向; 郭庆
等 [ 12 ] 基于 U 形 ACFM 探头的涡流效应, 设计了一
种星形磁芯的旋转探头, 并发现采样点处磁场信号
曲线长轴的倾斜角度与裂纹方向呈线性
的B y -B x
关系, 但是, ACFM 检测方法受探头结构尺寸的限
制, 测试时的灵活性也受到探针尺寸的限制 [ 13-14 ] 。
BARRARAT 等 [ 5 ] 设计了一种新的旋转均匀涡流 图2 矩形环流z 向磁感应强度叠加示意
( RUEC ) 探头, 该探头保证了旋转涡流的均匀性; 殷 当线圈长度一定时, 减小其宽度, B 1z B 2z B 3z ,
,
,
晓康等 [ 15 ] 设计了一种外穿式旋转电磁场涡流检测 B 4z 均增加。在保证线圈参数与激励参数一定的情
系统, 对金属管进行旋转覆盖检测。无论是裂纹缺 况下, 刀片式激励线圈具有的结构窄薄特点, 能够有
陷检测, 还是裂纹缺陷方向判断, 其缺陷尺寸多为毫 效聚集激励磁场, 感应涡流将汇聚在较小的范围内,
米级及以上, 对亚毫米级裂纹检测的研究较少。 同时刀片式铁芯能够增强线圈周围的磁场强度, 所
文章在脉冲涡流检测技术的基础上, 对检测多 以在保证探头检测能力不变的前提下, 可以减小线
向微裂纹进行研究。首先设计了一种刀片式旋转脉 圈的体积, 降低激励线圈所需的功率, 提高能量利用
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2024年 第46卷 第5期
无损检测
