CN101706474A

CN101706474A - 基于acfm的正交双u型智能可视化检测阵列探头

Info

Publication number: CN101706474A
Application number: CN200910229900A
Authority: CN
Inventors: 陈国明; 李伟; 王泽新; 李文艳
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2010-05-12

Abstract

本发明公开一种基于交流电磁场缺陷检测的正交双U型智能可视化检测阵列探头。探头激励部分由正交双U型磁芯做为框架，缠绕两组载流线圈组成激励阵列，为缺陷智能可视化检测提供必要的旋转匀强感应磁场，消除缺陷方向对检测灵敏度的影响；每组检测线圈以正交形式在同一个工字型磁芯骨架上缠绕而成，分别检测水平方向和垂直方向的磁通密度分量，多组检测线圈组以阵列形式排布形成检测阵列。该阵列探头在工件表面匀速运动时，在待测工件表面产生均匀旋转的类匀强场，使得探头对任意方向缺陷均具有较高的检测灵敏度，检测阵列提取用于缺陷识别和可视化的磁场扰动信息，并以电压形式标识数值，从而达到对缺陷的方位、尺寸以及形状检测的目的。

Description

基于ACFM的正交双U型智能可视化检测阵列探头

技术领域

本发明涉及一种以交流电磁场检测技术为基础的金属表面缺陷智能可视化检测装置，更具体地说，本发明涉及一种应用于交流电磁场检测技术的正交双U型智能可视化检测探头。

背景技术

交流电磁场检测(ACFM)是一种新兴的无损检测手段，在石油化工、航空航天等各种场合构件的表面裂纹检测，尤其适于海上平台和水下结构等构件。其原理为：由探头激励部分在待测工件表面感应出均匀交变电流，当工件中无缺陷或者远离缺陷时，工件表面感应磁场均匀；若有缺陷存在，由于空气和工件电阻率的差异，感应电流在缺陷的两边和底部绕过，引起表面电磁场扰动，检测探头采集缺陷上方电磁场畸变信息并分析处理，可获得描述缺陷状态的磁场信号。目前ACFM的检测探头，都是以单一矩形线圈激励，工件中感应电流方向由于激励线圈方向的确定而固定，只有矩形线圈法线方向和缺陷平行时，即感应电流流向与缺陷走向相互垂直时，检测的灵敏度最高，而对其它方向的缺陷检测灵敏度较低，当电流流向与缺陷走向相互平行时，检测灵敏度最低。因此单一方向载流线圈只能在工件表面产生单一方向的电磁场，检测单一方向的缺陷信息，而无法描述缺陷的三维形状或者检测其它方向的缺陷。而如何设计探头结构以提供充足的缺陷信息是解决以上缺陷智能可视化检测问题的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于ACFM的缺陷智能可视化检测阵列探头，能够检测工件表面任意方向的裂纹，并提供缺陷的尺寸、方位以及形状信息。探头的双U型正交激励阵列能够在待测工件表面感应出匀速旋转的均强感应交流电磁场，使得探头对任意方向缺陷均具有较高的检测灵敏度。探头的检测线圈呈阵列排列，每组线圈包含一对正交的磁场水平和垂直分量的检测线圈。探头在工件表面扫描，获取缺陷引起的三维磁场畸变信息。

本发明包括激励阵列和检测阵列两部分。

激励阵列部分结构如图1所示，由载流线圈和磁芯骨架两部分组成，能够在待测工件表面感应出大小恒定、方向随时间匀速旋转的感应交流电磁场。磁芯骨架为2个U型锰锌铁氧体磁芯正交固定而成，2组载流线圈分别缠绕于U型磁芯的水平部分，也形成正交关系，工作时以U型磁芯的腿部接触待测工件，两组正交载流线圈中分别通以大小、频率相同，相位相差90°的正弦交流电信号，工件表面位于2个U型磁芯腿部所包围的正方形区域中产生匀速旋转的均强感应电磁场。

检测阵列部分结构如图2所示，多组检测线圈组以阵列方式排列，根据电磁感应原理，采集磁场信号，以电压形式标识数值。

检测线圈是在一定形状的骨架上绕以特定匝数的漆包线而构成的，每组检测线圈包含磁通密度水平分量B_X检测线圈和垂直分量B_Z检测线圈，为了保证检测到的B_Z和B_X是同一点的磁通密度值，将两个线圈设计成正交的形式，缠绕在同一个工字型骨架上，如图3所示，骨架中间柱状部分为MnZn铁氧体磁芯，截面形状为正方形，内层线圈为探测B_Z的线圈，外层线圈为探测BX的线圈。

附图说明：

图1是探头双U型正交激励阵列结构图；

图2是探头检测阵列结构图；

图3是检测线圈组结构图；

具体实施方式：

下面通过附图和数学分析对本发明作进一步的描述。

(1)如图1所示，在双U型正交激励阵列部分的载流线圈中分别通以大小、频率相同，相位相差90°的正弦激励信号，由电磁感应定律可知，两组线圈在工件中产生的感应电流也应该是大小相同，频率与激励频率相同，相位差90°的正弦信号，则设两组激励线圈产生的感应电流如下所示：

式中，ω＝2πf，f为线圈激励电流频率，

表示初始相位，I₀为幅值。

工件中的感应电磁场可以看作两组正交激励线圈产生的感应电磁场的叠加，因此，工件表面的感应电流幅值和相位为：

| I | = \sqrt{{I_{X}}^{2} + {I_{Y}}^{2}} = I_{0}

由上式可知，双U型结构正交激励探头在工件中产生的感应电流大小保持不变，方向随时间发生周期性匀速旋转。由麦克斯韦方程易知，工件中的感应磁场也是大小基本恒定，方向随时间近似均匀旋转的类匀强场。

(2)激励部分在工件表面产生匀强感应电磁场，若有工件表面有缺陷存在时，由于空气和工件电阻率的差异，感应电流在缺陷的两边和底部绕过，引起表面电磁场扰动，检测线圈根据电磁感应原理设计，检测探头采集缺陷上方电磁场信号，以电压形式标识数值。二维检测阵列结构如图2所示，以相同的尺寸做12组探测线圈，按3×4的二维阵列形式整齐的排列在激励线圈的下方，构成一个完整的阵列探头，l_X、l_y尺寸决定探头提放一次的检测面积，尺寸越大则检测速度越快，d_X、d_y决定最小可检测缺陷尺寸，尺寸越小则检测精度越高。二维检测阵列以面检测代替点检测或线检测，不仅能够提高检测速度，而且由于检测线圈组之间的位置固定，缺陷定位和尺寸测量更加准确。

每个线圈组的结构如图3所示，一对B_Z和B_X检测线圈以正交缠绕在同一个工字型骨架上，保证了检测到的B_Z和B_X是同一点的磁通密度值，同时综合考虑空间点磁场的测量和保证检测灵敏度的要求，所设计的B_X和B_Z探测线圈尺寸应满足如下公式：

\frac{L_{2}}{D_{0 x}} = \frac{L_{2}}{\sqrt{{a_{2}}^{2} + b^{2}}} > 0.866

\frac{L_{1}}{D_{0 z}} = \frac{L_{1}}{2 \sqrt{a_{1}}} > 0.866

本发明提出的基于ACFM的缺陷智能可视化检测阵列探头，双U型正交激励阵列设计能够有效地减弱了缺陷方向对检测灵敏度的影响，达到对任意方向缺陷都具有较高检测灵敏度的目的，使缺陷形状和方位的检测成为可能，由于U型磁芯本身结构方面的特点，能够很好地将载流线圈产生的磁通引入工件表面，减少了磁通的损耗，得到的感应磁场更强，有效地提高了检测灵敏度。而且由于检测线圈组以正交形式缠绕，在保证B_X检测线圈和垂直分量B_Z检测线圈共点检测的同时，有效地减小了线圈组所需空间，提高了探头的空间分辨率和检测精度。

Claims

1.交流电磁场智能可视化检测探头，其特征是，探头激励部分采用双U型正交结构阵列设计，在待测工件表面感应出大小基本恒定，方向随时间做均匀旋转的类匀强场，使得探头对任意方向缺陷均具有较高的检测灵敏度，可以提供缺陷的尺寸、方位以及形状信息；检测部分采用二维阵列结构，该阵列探头在工件表面扫描，提取工件表面的磁通密度值。

2.权利要求1中所述的探头激励阵列是由磁芯骨架和交流电载流线圈组成，骨架采用2个U型正交结构的锰锌铁氧体磁芯构成，2组载流线圈以正交方式排列缠绕于骨架上。

3.权利要求1中所述的探头检测阵列是由多组检测线圈构成二维阵列结构，每组检测线圈包括1对正交的B_X检测线圈和B_Z检测线圈，分别用于提取磁通密度的水平分量和垂直分量。

4.权利要求1中所述的激励阵列的2个U型磁芯结构尺寸相同，2组交流电载流线圈匝数相同，使用相同直径的漆包线缠绕而成，缠绕半径也相同。

5.权利要求1中所述的检测阵列中每组检测线圈的B_X检测线圈和B_Z检测线圈正交缠绕于同一个长方形骨架上，以保证每组线圈测量的B_X和B_Z值为相同点上的值。