一种梯度螺旋涡流检测线圈及其检测方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种基于电涡流检测原理的梯度螺旋涡流检测线圈及其检测方法。

技术背景

无损检测是一种在不伤害被测对象使用机能的前提下，检测出被测物体的结构中有无缺陷或材料不均匀情况的检测技术。随着科技的发展，无损检测技术被广泛应用于产品的质量控制、装备的疲劳裂纹等在役检测和结构的完整性评估。其中，电涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测方法，具有快速性和低成本的优点，在设备关键部位微缺陷的检测上起着重要作用。

传统的涡流检测线圈是均匀绕制的，在试件中感应出均匀分布的涡流，检测时采用扫描方式。这种传统的涡流检测方法可以检测到缺陷的存在和具体位置，但是在一些对设备安全性能要求较高的工业生产、运输等领域，对涡流检测提出了进一步的要求，即对缺陷的形状、大小等参数进行准确的量化分析，从而避免安全事故的发生。

近年来，国内外对涡流传感器的改良展开了大量研究，旨在提高涡流检测方法的可靠性。目前大多数学者的研究重点主要在几种新型的涡流检测方法上，如脉冲涡流检测、远场涡流检测及电涡流阵列检测等。这些方法在涡流的渗透深度、检测范围和工作效率等方面做出了改进，但采用的检测线圈基本为传统的均匀线圈，运用阻抗分析法分析实验数据时提取的特征值有限，这也限制了涡流检测中缺陷参数量化评估方法的研究。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种低成本、检测效率高且具有方向性的涡流检测线圈及检测方法。

技术实现要素：
本发明所述的一种梯度螺旋涡流检测线圈，包括高磁导率屏蔽层和一个扇形线圈，所述扇形线圈由一根导线按扇形单元逐渐增大圆心角或逐渐减小圆心角螺旋绕制而成，每两个相邻的扇形单元的圆心角度差相等，为0-30°，整个扇形线圈呈梯度分布。

其中，每个扇形单元为单匝绕制，扇形线圈整体外轮廓呈圆形。

本发明所述的一种梯度螺旋涡流检测线圈的检测方法，包括以下步骤：

(1)根据被测试件参数和所测缺陷范围选择检测线圈激励频率f，要求满足条件：且f≥1khz；

其中，re和le分别为被测试件的等效电阻和电感，μ为被测试件的磁导率，σ为被测试件的电导率，dmax为所需区分的最大缺陷深度；

(2)通过旋转检测，将缺陷处测得电感值减去无缺陷处电感值l0，得到电感变化量

(3)提取电感变化量的平均值σ和标准差δ，将非线性回归方法应用于已测的缺陷样本，得到缺陷宽度的非线性回归方程

w＝α0+α1σ+α2σ²+α3σ³+α4δ+α5δ²+α6δ³和深度的非线性回归方程

d＝β0+β1σ+β2σ²+β3σ³+β4δ+β5δ²+β6δ³。

所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)将通有激励电流的涡流检测线圈置于被测试件无缺陷处，测得电感值l0，涡流检测线圈与试件表面之间的提离值l≤1mm；

(22)将通有激励电流的涡流检测线圈置于缺陷上方，检测线圈中心与缺陷中心对齐，检测线圈0°到360°旋转检测，每旋转10°读取lcr表测得的电感值

(23)将缺陷处测得电感值减去无缺陷处电感值l0，得到电感变化量

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、检测线圈整体呈梯度分布，通入激励电流后，在线圈平面各个方向上的磁场强度对应绕线密度不同而存在差异，可以在试件中感应出梯度分布的涡流，涡流检测线圈在检测时具有方向性；2、当采用旋转检测方法时，在缺陷处的涡流密度分布随着线圈与裂纹延伸方向夹角变化而变化，用lcr表测得旋转一周的电感值呈规律性变化，易于提取有效特征值实现对缺陷参数的量化评估。

附图说明

图1为本发明检测线圈的平面结构示意图；

图2为本发明检测线圈在具体实施中的检测方法示意图；

图3为涡流检测的原理示意图；

图4为涡流检测原理的等效电路图；

图5为本发明检测线圈及其检测方法应用于单个缺陷检测的电感变化；

图6为本发明检测线圈检测铝板上缺陷样本结果做非线性回归后的宽度拟合值、实际值；

图7为本发明检测线圈检测铝板上缺陷样本结果做非线性回归后的相对误差；

图8为本发明检测线圈检测铝板上缺陷样本结果做非线性回归后的深度拟合值、实际值；

图9为本发明检测线圈检测铝板上缺陷样本结果做非线性回归后的相对误差；

图例说明：1、涡流检测线圈；2、被测试件；3、被测试件上的裂纹；11、扇形线圈；12、高磁导率屏蔽层。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明检测线圈1的平面结构示意图，包括高磁导率屏蔽层12和一个扇形线圈11，所述扇形线圈11由一根导线按扇形单元逐渐增大圆心角或逐渐减小圆心角螺旋绕制而成，每两个相邻的扇形单元的圆心角度差为15°，整个扇形线圈呈梯度分布。

图2是线圈1的实用检测方法示意图，确定试件2的裂纹3具体位置后，将线圈1放置在试件2的裂纹3上方，在线圈1中通入激励电流，绕圆心旋转一周记录测得的电感值。

如图3所示，电涡流检测的工作原理是检测线圈1的磁场和感应涡流磁场之间的交互作用。当激励线圈1通入交变电流时，激励线圈1的周围就会产生交变磁场，此时位于激励线圈1下方的被测试件2的表面就会感应出电涡流，而此电涡流又会产生一个新的磁场，与原磁场在检测线圈1中叠加形成等效磁场。

图4中是上述电涡流检测原理的等效电路图，其中，u为激励电压；ro和lo分别为检测线圈本身的等效电阻和电感；re和le分别为被测试件的等效电阻和电感；io为检测线圈中的激励电流，ie为试件中的感应涡流；m为两个初级线圈和次级线圈之间的互感。初级线圈的复阻抗可表示为：

zo＝ro+jωlo(1)

同理，次级线圈的复阻抗可表示为：

ze＝re+jωle(2)

m与两个线圈的电感都有关系，表达式如下：

式中k为两个线圈间的耦合系数。

在进行阻抗分析时，考虑到两个线圈间的相互影响是由互感造成的，故而可以通过互感把次级线圈回路的阻抗折合到初级线圈回路，以反映出这种相互影响的关系。当次级线圈的阻抗值产生变化时，这种变化就可以通过折合阻抗体现出来，从而反映在整个电路的视在阻抗上。

由计算可得折合后线圈的等效电阻r和等效电感l的表达式：

当激励频率f足够大时，等效电感l就可以简化成下面的式子。可以看出，电感主要与初次级线圈间的互感有关，而互感受到试件中的缺陷影响。此时，就可以通过检测初级线圈回路的阻抗变化值来分析试件中的缺陷。

为满足上述的简化条件，要求ω²le²>>re²，取一个数量等级的差距，则激励频率f应满足下式：

考虑到激励频率f的增大会导致涡流的渗透深度δ衰减，不利于缺陷深度的区分识别。因此，激励频率不能过大，否则在检测超检测能力的缺陷时会造成特征值部分重叠，难以区分。在工程中以标准渗透深度的2.6倍作为检测范围，即检测能力。若所需区分的最大缺陷深度为dmax，则涡流渗透深度δ应满足2.6δ≥dmax，可以计算得到激励频率f应当满足下式：

本实施例中，以实际检测情况为例，具体步骤如下：

(1)设置要检测的铝板上最大缺陷深度为6mm，根据计算公式选用线圈激励频率为1khz；

(2)选择待检测的9组铝板上已知缺陷样本，宽度分别为0.5mm、1mm、2mm，深度分别为1mm、3mm、6mm；

(3)将通有激励电流的涡流检测线圈置于被测铝板上无缺陷处，测得电感值l0＝14.3mh，将通有激励电流的涡流检测线圈置于第一处缺陷样本上方，由0°到360°旋转，每旋转10°读取lcr表测得的电感值将缺陷处测得电感值减去无缺陷处电感值l0，得到第一组电感变化量对其他的缺陷样本重复上面的步骤，依次得到九组电感变化量δlj，j＝1,2,3,...,9，图5给出了检测宽度为2mm，深度为6mm的缺陷所得不同旋转角度下的电感变化量；

(4)提取每组电感变化量的平均值σj和标准差δj，对九组样本做非线性回归，求得缺陷宽度的非线性回归方程：

w＝0.95703-86.3695σ+91.1984σ²-25.8431σ³+327.0577δ-1272.6459δ²+1221.9112δ³和深度的非线性回归方程：

d＝-0.17426+62.866σ-67.8315σ²+17.1246σ³-213.9333δ+882.6603δ²-555.8119δ³，图6、图7给出了缺陷宽度的拟合值、实际值及误差，图8、图9给出了缺陷深度的拟合值、实际值及误差；

(5)用(4)中非线性回归得到的两个拟合方程，对检测到的未知尺寸缺陷做宽度和深度的预估。将宽度为2mm，深度为4mm的缺陷检测结果带入拟合方程，得到预估宽度为2.0221mm，预估深度为4.2472mm，预估的相对误差不超过7％。采用现有检测线圈对缺陷宽度和深度做回归估计得到的相对误差在20％左右，本发明线圈可以有效提高对缺陷参数的评估精度。