一种基于低频激励的复合式涡流检测探头及检测方法

1.本发明涉及一种基于低频激励的复合式涡流检测探头及检测方法，属于无损检测技术领域。


背景技术：

2.我国钢铁板材的生产量与消费量均为世界前列，钢板广泛应用于国民经济的各个领域中。在使用过程中，钢板会出现各种类型的缺陷，带有缺陷的钢板在承受载荷或压力时，就有概率在缺陷处发生变形或者断裂，轻则影响生产效率，重则酿成安全事故，造成重大损失。因此需要对钢板进行缺陷检测。现有的钢板缺陷检测通常采用涡流检测技术，涡流检测技术分为常规涡流检测和远场涡流检测。
3.常规涡流检测即利用较高的激励频率(通常在1khz-1mhz之间)，而被测钢板在交变磁场影响下产生涡流，当涡流检测传感器经过缺陷附近，因缺陷而变化的涡流场会改变附近的磁场，这个磁场的变化会影响检测线圈的阻抗、感应电流的大小等检测信号，通过分析这些信号的变化实现对被测钢板缺陷的检测；但由于使用较高的激励频率，因此常规涡流检测存在趋肤效应，也即涡流集中于被测钢板表面，虽然对被测钢板上表面的小尺寸缺陷也具有很高的检测灵敏度，但难以对被测钢板深处或下表面位置(后续将钢板深处或下表面的缺陷统称为深层缺陷)的缺陷进行检测。
4.远场涡流检测最初被运用于管道缺陷检测中，其通常使用的是1khz以下的激励频率，由于其可以检测管壁所有深度处的缺陷，近年来不断有学者通过不同角度研究如何将其应用在平板检测中，比如对于钢板的缺陷检测中，现有的一种检测方式是通过设置一层磁屏蔽使检测线圈接收到两次穿过钢板的磁场来实现缺陷的检测，由于磁场完全穿过被测钢板，因此不论表面缺陷与深层缺陷都可以被检测出，但也是因为磁场会完全穿过被测钢板，所以其信号微弱，对于小尺寸缺陷检测中灵敏度不佳；而且也是由于磁场会穿过被测钢板，因此无论是上表面的缺陷还是深层缺陷都会引起涡流场的变化，进而改变磁场，所以远场涡流检测无法对缺陷位于上表面还是深层进行区分。
5.基于上述常规涡流检测和远场涡流检测各自的不足，浙江大学陈佩华结合了高频常规涡流与低频远场涡流提出了一种混频激励的复合式涡流检测技术(参见：陈佩华.平板导体缺陷复合式涡流检测技术研究.diss.浙江大学.)，可以对表面与深层缺陷进行区分，其中的高频常规涡流检测激励采用10khz或5khz，因此可以对铝板上表面3*0.1*0.1(长宽深)和铁板上表面3*0.1*0.05(长宽深)的细小裂纹进行检测，也即对表面缺陷的检测精度较高；其中的低频远场涡流采用1khz，可对厚铝板或者铁板背面直径10mm，深度1mm的平底孔缺陷进行有效探伤。由上可知，现有的复合式涡流检测虽然融合了常规涡流与远场涡流，但其本质上还是采用不同的激励频率进行分别激励，而且远场涡流还是存在信号微弱导致其对深层缺陷只能检出10mm直径的平底孔缺陷，对于更小尺寸的深层缺陷无法检出。


技术实现要素：

6.为了实现对于表面缺陷与深层缺陷的同时检测且更进一步提高深层缺陷的检测精度，本发明提供了一种基于低频激励的复合式涡流检测探头，所述复合式涡流检测探头包括：第一线圈绕制骨架，常规涡流检测线圈、激励线圈；第二线圈绕制骨架，远场涡流检测线圈；磁芯，内层屏蔽罩和外层屏蔽罩；
7.其中，常规涡流检测线圈和激励线圈均绕制于第一线圈绕制骨架上，所述第一线圈绕制骨架的常规绕制线圈处一端开设有凹槽，用以绕制常规涡流检测线圈，激励线圈绕制于所述第一线圈绕制骨架的常规绕制线圈处；绕制好的第一线圈绕制骨架位于磁芯内部，内层屏蔽罩设置在磁芯外部，外层屏蔽罩设置在内层屏蔽罩外部；设置完成后将其封装为一个整体，称为常规检测探头；将所述第一线圈绕制骨架开设有凹槽的一端称为检测端；
8.远场涡流检测线圈绕制于第二线圈绕制骨架上；绕制完成后封装为一个整体，称为远场检测探头；
9.检测时，常规检测探头和远场检测探头置于待检测件的不同位置处，且常规检测探头的检测端贴于待检测件表面。
10.可选的，所述第一线圈绕制骨架的常规绕制线圈处一端开设的凹槽深度为2mm。
11.可选的，所述常规涡流检测线圈的绕制内径为24mm，激励线圈的绕制内径为26mm；远场涡流检测线圈的绕制内径为8mm；
12.常规涡流检测线圈的绕制高度为2mm，激励线圈的绕制高度为10mm；远场涡流检测线圈的绕制高度为10mm。
13.可选的，所述常规涡流检测线圈的线径为0.1mm，所述远场涡流检测线圈和激励线圈的线径为0.3mm。
14.可选的，所述常规涡流检测线圈绕制的匝数为400匝，所述远场涡流检测线圈和激励线圈绕制的匝数为100匝。
15.可选的，所述磁芯的材料为高导型mn-zn铁氧体，内层屏蔽罩材料为铜，外层屏蔽罩材料为硅钢。
16.本技术还提供一种基于复合式涡流检测的钢板缺陷分类方法，所述方法基于上述复合式涡流检测探头实现，对于钢板任意处的缺陷，若常规检测探头和远场检测探头均检测出，则判断为钢板上表面缺陷；
17.若远场检测探头检测出而常规检测探头没有检测出，则判断为钢板深层缺陷。
18.可选的，使用上述复合式涡流检测探头对钢板进行缺陷检测时，激励线圈中导入交变电流，由于内层屏蔽罩和外层屏蔽罩的存在，使得常规涡流检测线圈只接收到包含钢板表面缺陷信息的直接耦合通道能量，而远场涡流检测线圈接收到的能量中包含钢板深层缺陷信息的间接耦合通道能量的比重增加，从而实现了包含钢板表面缺陷信息和包含钢板深层缺陷信息的能量的分离。
19.可选的，所述检测方法采用的激励频率范围为10hz～50hz。
20.本发明有益效果是：
21.通过在远场涡流检测的基础上，向屏蔽结构内增加一个常规涡流检测线圈，与远场涡流共用同一个激励线圈，这样既不影响远场涡流的对深层缺陷的检测，也可利用常规涡流检测提升上表面缺陷的检测精度，通过内层为铜、外层为硅钢的双层屏蔽罩设计，利用
高电导率的铜受到激励线圈磁场的影响，会在材料内部产生感生涡流，感生涡流的磁场会阻碍直接耦合通道磁场的传播，而硅钢的磁导率远远高于空气与钢铁，因此大部分磁场能量会在硅钢内部传导，而非在屏蔽罩外的空气中传播，实现了包含钢板表面缺陷信息和包含钢板深层缺陷信息的能量的分离，对于远场涡流存在的信号微弱导致其检测精度不高的问题，由于磁屏蔽结构屏蔽了大部分的直接耦合通道能量，使得远场涡流接收线圈接收到的间接耦合通道能量的比重增加，从而即便信号微弱也能够将深层缺陷信息的信号特征显露出来，提高了远场涡流的检测精度，相对于现有复合涡流检测只能检出10mm直径的平底孔缺陷，本技术方法可检测出的小尺寸为1
×
2mm(宽
×
高)的深层缺陷。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明一个实施例提供的基于低频激励的复合式涡流检测探头的结构示意图；
24.图2是本发明一个实施例提供的基于复合式涡流检测的钢板缺陷分类方法流程图。
25.图3为本发明一个实施例中提供的复合涡流检测实验平台示意图。
26.图4为本发明一个实施例中提供的复合涡流检测实验检测钢板实物图。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
28.实施例一：
29.本实施例提供一种基于低频激励的复合式涡流检测探头，参见图1，所述复合式涡流检测探头包括：第一线圈绕制骨架，常规涡流检测线圈、激励线圈；第二线圈绕制骨架，远场涡流检测线圈；磁芯，内层屏蔽罩和外层屏蔽罩；
30.其中，常规涡流检测线圈和激励线圈均绕制于第一线圈绕制骨架上，所述第一线圈绕制骨架的常规绕制线圈处一端开设有凹槽，用以绕制常规涡流检测线圈，激励线圈绕制于所述第一线圈绕制骨架的常规绕制线圈处；绕制好的第一线圈绕制骨架位于磁芯内部，内层屏蔽罩设置在磁芯外部，外层屏蔽罩设置在内层屏蔽罩外部；设置完成后将其封装为一个整体，称为常规检测探头；将所述第一线圈绕制骨架开设有凹槽的一端称为检测端；
31.远场涡流检测线圈绕制于第二线圈绕制骨架上；绕制完成后封装为一个整体，称为远场检测探头；
32.检测时，常规检测探头和远场检测探头置于待检测件的不同位置处，且常规检测探头的检测端贴于待检测件表面。
33.需要进行说明的是，本实施例中的第二线圈绕制骨架可以为常规的圆形绕线骨架、工字型绕线骨架或者其他常规骨架，第一线圈绕制骨架为在上述常规绕线骨架的基础
上在其绕线处一端开设一个凹槽后得到，后续检测时，将该开设凹槽的一端靠近检测件。
34.磁芯材料可采用高导型mn-zn铁氧体。双层屏蔽罩内侧为铜、外侧为硅钢，因为高电导率的铜受到激励线圈磁场的影响，会在材料内部产生感生涡流，感生涡流的磁场会阻碍直接耦合通道磁场的传播，而硅钢的磁导率远远高于空气与钢铁，因此大部分磁场能量会在硅钢内部传导，而非在屏蔽罩外的空气中传播。每层屏蔽罩上表面与侧面均为5mm厚。
35.激励线圈连接外部电源，常规涡流检测线圈和远场涡流检测线圈分别输出常规涡流输出信号、远场涡流输出信号。
36.如图1所示，第一线圈绕制骨架的常规绕制线圈处一端开设的凹槽深度为2mm，凹槽宽度为2mm；第二线圈绕制骨架即为普通线圈骨架。
37.激励线圈的设计参数会直接影响到钢板内部的感生涡流强度，最终表现为检测灵敏度的差异。激励线圈的设计参数主要包括线圈骨架的尺寸参数、导线线径及线圈匝数等。采用涂有绝缘漆的铜导线绕制激励线圈与检测线圈，线径越粗，线圈的电阻就会越小，通电过程中线圈产生的热量就越少，但是如果线径过粗，那么相同体积下匝数就会减少，使得激励磁场不够强力。因此本技术中激励线圈、常规涡流检测线圈和远场涡流检测线圈的相关参数如下表1所示：
38.表1线圈各项参数表
[0039][0040]
理论上，当向激励线圈中导入交变电流时，产生的直接耦合通道能量被磁屏蔽结构阻挡，被屏蔽罩内侧的常规涡流检测线圈接收，而经过磁芯收束引导的另一部分能量，则会向下穿过被测平板，并在远场区再一次穿过平板，被远场涡流检测线圈接收。
[0041]
图1中常规检测探头和远场检测探头之间的虚线表示二者的提离高度一致。
[0042]
实施例二：
[0043]
本实施例提供一种基于复合式涡流检测的钢板缺陷分类方法，如图2所示，所述方法基于实施例一所提供的基于低频激励的复合式涡流检测探头实现；
[0044]
实际测量中，由于趋肤效应，电磁能量会集中在被测平板表面产生涡流，因此常规涡流接收线圈接收到的是不含深层缺陷信息的直接耦合通道能量(直接耦合通道能量指平板导体之上的磁场能量)。与此同时，由于磁屏蔽结构屏蔽了大部分的直接耦合通道能量，使得远场涡流接收线圈接收到的间接耦合通道能量(间接耦合通道能量指穿过被测钢板的磁场能量)的比重增加，将深层缺陷信息的信号特征显露出来。通过收集两个检测线圈中检测信号对不同缺陷的响应，总结其对应关系，就能够实现常规涡流与远场涡流的复合式检测。
[0045]
对于总结两个检测线圈中检测信号的对应关系，可通过在移动常规检测探头和远场检测探头时记录其位置坐标，根据位置关系进行对应；比如，针对同一位置处，根据常规检测探头和远场检测探头的检测结果的对比情况确定此处缺陷信息。
[0046]
若常规检测探头和远场检测探头均检测出，则判断为钢板上表面缺陷；
[0047]
若远场检测探头检测出而常规检测探头没有检测出，则判断为钢板深层缺陷；深
层缺陷包括钢板深处或下表面的缺陷。
[0048]
若某位置处，远场检测探头与常规检测探头都没检出缺陷，则判断为无缺陷，或缺陷尺寸过小，超出了该检测探头的检出能力。
[0049]
该复合式涡流检测方法中，常规涡流对上表面小尺寸缺陷的检测能力强于远场涡流，但对于深层缺陷的检测能力弱于远场涡流，因此常规涡流能检出的深层缺陷远场涡流也一定能够检出，所以基本不会有常规涡流检出深层缺陷存在但远场涡流无法检出的情况。
[0050]
该分类方法中唯一的误判情况是过深的深层缺陷，也即缺陷的底面十分靠近上表面时，远场涡流与常规涡流都能够检出它，因此会认为其为表面缺陷，但常规涡流检出该类缺陷时，检测信号幅值会明显大于大部分上表面缺陷的检测信号幅值，根据实验可确定该阈值约为0.0726v，可以依据这一点来纠正误判。
[0051]
针对不同材料与厚度的检测对象，技术人员可根据需要制作标准缺陷试件进行检测来获得对应的阈值。
[0052]
相对于现有复合涡流检测技术中，常规涡流通常使用1khz-1mhz之间的激励频率、远场涡流通常使用1khz以下的激励频率，本技术中常规涡流和远场涡流采用同一激励频率，范围为10hz～50hz。
[0053]
为验证本技术方法的有效性，搭建如图3所示的实验平台，其中的复合式涡流检测传感器即为实施例一所述的复合式涡流检测探头，功率放大模块采用常规的功率放大器实现，与信号发生器相连，用于放大信号发生器产生的激励信号，放大后的激励信号通过激励线圈发出。激励线圈外接电源，根据激励信号产生的磁通道能量一部分到达被检测钢板表面反射后被常规涡流检测线圈接收，另一部分则穿过被检测钢板，在远场区再一次穿过平板，被远场涡流检测线圈接收；由于内层屏蔽罩和外层屏蔽罩的存在，远场涡流检测线圈接收到的能量大部分均为二次穿透钢板的能量，也即相对于一般的远场涡流检测，本技术中的远场涡流检测线圈去除了干扰能量(也即钢板导体之上的磁场能量)，从而突出了包含有钢板深层缺陷信息的信号，克服了常规远场检测信号弱无法检测出的缺陷。
[0054]
常规涡流检测线圈和远场涡流检测线圈分别与放大滤波模块相连，放大滤波模块将二者接收到的信号进行放大滤波后传给数据采集卡，数据采集卡与计算机相连，由计算机实现对于信号的检测结果分析。
[0055]
由于放大滤波模块和功率放大模块中包含多个器件，所需电压不同，因此图3所示的实验平台设置了5v电源和直流电源，由技术人员根据器件电学特征选择不同电源进行供电。另外，为了保证激励线圈的安全性，实验中在功率放大模块与信号发生器之间接入了保护电阻。
[0056]
实验所用的带有缺陷的钢板如图4所示，实验证明，本技术可根据常规涡流检测线圈和远场涡流检测线圈的检测结果判断出钢板缺陷是位于上表面还是深层。同时，本技术方法可以对最小尺寸为2
×
1mm与1
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2mm(宽
×
高)的表面与深层缺陷进行检出与分类。
[0057]
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
[0058]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。