陸滄博

(上海纖導精密機電設備有限公司, 上?！?00025)

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對稱平衡式渦流傳感器在管棒檢測中的應用

陸滄博

(上海纖導精密機電設備有限公司, 上海200025)

摘要：渦流探傷可以在不損傷金屬件的情況下檢測出有缺陷的產品并自動剔除,被廣泛應用在金屬加工行業(yè).就管棒材料探傷普遍使用的渦流傳感器存在靈敏度不高等缺陷,提出了一種新的方法和結構,從而更簡便、更有效地檢測出缺陷,并解決了工程中存在的常見問題.此方法使用的高頻反射式渦流傳感器采用對稱平衡式線圈,是穿過式線圈和探頭式線圈的結合體,用探頭式的內部結構(差動式)和穿過式的方位配置來制作,有效結合了兩個線圈的優(yōu)點.這種穿過式探頭,在制作時已經在實驗室將所有參數調整到位、并封裝,現場無需再根據環(huán)境變化做出調整.由此可見,簡潔方便是對稱平衡式線圈所具有的一大優(yōu)勢.

關鍵詞：渦流探傷; 對稱平衡式傳感器; 管棒檢測; 應用

渦流探傷是一種無損檢測方法,因而需要通過合適的傳感器來檢測被測材料的結構是否存在缺陷或變化.對金屬管棒材料檢測的傳感器是管棒材渦流探傷的關鍵之一,其性能的優(yōu)劣直接影響著檢測工作的成敗或效果[1].市面上的管棒材料渦流探傷中普遍使用的傳感器大多存在靈敏度不夠高的缺陷,影響了探傷精度.因此,尋找一種新的方法和傳感器結構來簡便、有效地檢測材料缺陷,成為當下行業(yè)內亟需解決的問題.

1原理

1.1常規(guī)裝置原理

渦流檢測是以電磁感應理論作為基礎[2].一個簡單的渦流檢測系統應包括一個高頻(也有用低頻的)交變電壓發(fā)生器、一個檢測線圈和一個指示器.交變電壓發(fā)生器(或稱為振蕩器)供給檢測線圈以激勵電流,從而在試件及其周圍形成一個激勵磁場.這個磁場在試件中感應出的旋渦狀電流便稱為渦流,試件中的渦流又產生自己的磁場,渦流磁場的作用是削弱和力圖抵消激勵磁場,削弱和抵消的程度視試件材質以及渦流流徑存在不存在缺陷等因素而定.試件中的渦流流動的方向也隨交變磁場的變化而變化,其變化的頻率與激勵電壓頻率相同[3].從上可知,在渦流磁場中就包含了時間長短的信息,而檢測線圈可用來檢測出試件中渦流磁場的變化,也就是檢測出試件質量好壞的信息,將這些信息經過處理,便可用指示器指示出來[4].

一般情形下,可采用兩種方法在導電試件中獲得渦流[5]:一是將通以交變電流的線圈放置于導電試件附近;另一種是將導電試件放入通有交變電流的線圈之內.傳統的管棒探傷大都使用穿過式渦流傳感器(也就是后一種:將導電試件放入通以交變電流的線圈之內),但經過多年的生產實踐,人們發(fā)現它存在如下缺點:(1) 對縱向傷靈敏度較低;(2) 材料在穿過傳感器時會因為通過率的關系產生偏心率,從而影響探傷的靈敏度;(3) 如果被測件是鐵磁性材料的話就需要用到磁飽和裝置來避除磁疇干擾,這就改變了材料本身的屬性,對后期加工產生影響.同時,需要增加退磁裝置而相應地增加了設備及維護的成本.

為了改善上述缺陷,提高檢測靈敏度,開發(fā)出了對稱平衡式渦流傳感器.

1.2對稱平衡式渦流傳感器原理

在渦流探傷中,是靠檢測線圈來建立交變磁場,從而把能量傳遞給被檢導體;同時,又通過渦流所建立的交變磁場來獲得被檢測導體中的質量信息.所以說,檢測線圈是一種換能器.

檢測線圈的形狀、尺寸和技術參數對于最終檢測數據的正確獲得是至關重要的.在渦流探傷中,往往是根據被檢測產品的形狀、尺寸、材質和質量要求(檢測標準)等來選定檢測線圈的種類.常用的檢測線圈有三大類,即:(1) 穿過式線圈;(2) 內插式線圈;(3) 探頭式線圈.

穿過式線圈是將被檢測試樣放在線圈內進行檢測的線圈,適用于管、棒、線材的探傷[6].由于線圈產生的磁場首先作用在試樣外壁,因此檢出外壁缺陷的效果較好,內壁缺陷的檢測是利用磁的滲透來進行的[7].一般來說,內壁缺陷檢測靈敏度比外壁低[8].因此,厚壁管材的缺陷是不能使用外穿式線圈來檢測的.內插式線圈是放在管子內部進行檢測的線圈,用來檢測厚壁或鉆孔內壁的缺陷,也用來檢測成套設備中管子的質量,如熱交換器管的在役檢驗.探頭式線圈是放置在試樣表面上進行檢測的線圈,它不僅適用于形狀簡單的板材、板坯、方坯、圓坯、棒材及大直徑管材的表面掃描探傷,也適用于形狀較復雜的機械零件的檢查.與穿過式線圈相比,探頭式線圈的體積小、場作用范圍小,所以適于檢出尺寸較小的表面缺陷[9].

根據使用對象和目的的不同,往往采用不同的檢測線圈.有采用單只線圈組成的絕對檢測方式,有采用兩只反相連接的線圈組成的差動檢測方法,還有為了達到某種無損檢測目的,檢測線圈還可以由多只線圈串聯、并聯或相關排列組成[10].這些線圈有時繞在一個骨架上,即自比較方式;有時則繞在兩個骨架上,其中一個線圈中放入樣品,另一個用來進行實際檢測,即他比較(或標準)方式.根據檢測線圈的電氣連接不同,檢測線圈使用一個繞組,既起激勵作用又起檢測作用,稱為自感方式;激勵繞組與檢測繞組分別繞制,稱為互感方式;有的線圈本身就是電路的一個組成部分,則稱為參數型線圈.

高頻反射式渦流傳感器采用對稱平衡式線圈,它是穿過式線圈和探頭式線圈的結合體,用探頭式的內部結構(差動式)和穿過式的方位配置來制作,有效地結合了兩個線圈的優(yōu)點.這種穿過式探頭在制作時已經在實驗室將所有參數調整到位、并封裝,所以在現場時無需再根據環(huán)境變化做出調整.由此可見,簡潔方便是對稱平衡式線圈所具有的一大優(yōu)勢.

高頻反射式渦流傳感器的基本原理如圖1所示.當通有高頻交變電流i1,(頻率為f)的電感線圈L靠近金屬導體時,在金屬導體周圍產生高頻交變磁場H1,同時在金屬導體內產生渦流i2;渦流i2也將產生交變磁場H2,而H2與原磁場H1方向相反,力圖削弱原磁場,從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因素發(fā)生變化.這些參數的變化與導體的幾何形狀、電導率、磁導率、線圈的幾何參數、電源的頻率和線圈到被測導體間的距離有關.如果控制上述參數,僅使一個參數改變,其余皆不變,就能構成測量該參數的傳感器.

圖1　對稱平衡式傳感器原理

2結構特點及理論計算

對于傳統的穿過式傳感器而言,由于機械結構的關系,在檢測時必須使被測件穿過傳感器的內部,從而達到使金屬被測件體內產生交變磁場來進行檢測.此電感線圈的磁場方向與金屬體內產生的磁場方向一致,因而就會受到鐵磁性材料內的磁疇干擾,所以就必須使用磁化裝置進行磁化以達到磁飽和來剔除干擾[11].同時,由于磁場方向一致,對于與磁場方向一致的縱向缺陷無法檢測,造成檢測上的缺失[12].

對稱平衡式傳感器通過改變傳感器的機械結構,使電感線圈的磁場方向與金屬內部產生的磁場方向成垂直狀態(tài),從而避免了鐵磁性材料的磁疇干擾,而且能檢測出與被測件磁場方向一致的縱向缺陷[13].

對稱平衡式傳感器的特點:由上述工作原理可看出,線圈與金屬導體之間存在磁性聯系.若把空心線圈L看做變壓器的一次線圈,金屬導體中渦流回路看做變壓器的二次線圈,M為期間的聯系,則渦流式傳感器的等效電路如圖2所示.

根據基爾霍夫定律列方程:

R1i1+jwL1i1-jwMi2=U1

(1)

-jwMi1+R2i2+jwL2i2=0

(2)

圖2　等效電路

式中:i1和i2為空心線圈和渦流回路的電流強度;R1、L1為空心線圈的等效電阻和電感;R2、L2為渦流回路的等效電阻和電感;M為線圈與金屬導體間的互感;ω為角速度.

求解式(1)和式(2)得:

(3)

(4)

由式(3)可以看出,線圈受到金屬導體影響后的等效阻抗為:

(5)

這樣,線圈的等效電阻和等效電感分別為:

(6)

(7)

傳統的穿過式探頭的磁場方向與感應磁場的方向是一致的,所以無法區(qū)分縱向缺陷;而對稱平衡式探頭的磁場方向與感應磁場的方向成垂直狀態(tài)的,所以可以同時檢測出縱向和橫向的缺陷.

3傳統傳感器和對稱平衡式傳感器的對比

傳統傳感器主要采用旋轉式探頭(簡單說是一個點式探頭組)和穿過式探頭為多[14].前者是一種通過在一個平面的圓周上分布多個點式探頭,然后通過機械方式使圓周上的探頭架進行旋轉,以覆蓋掃描軸向移動的管棒材表面來進行探傷的一種渦流探頭.由于是由多個點式探頭組成,所以在制作時對一組點式探頭本身的參數偏差要求很高,再加上探傷時必須旋轉探頭支架,對動平衡的要求也非常高.因此,其造價和維護成本相當高,其特點是較適合于高標準的長管棒材探傷.

與前者對比,對稱平衡式探頭雖也是一種以探頭組按周向分布形式配置的傳感器,但不需要通過機械運動來覆蓋掃描管棒材表面.設計中并沒有將所有參數鎖死,所以可以在探傷中保持電子參數的動態(tài)平衡,稱之為電子旋轉.而且本傳感器對材料的表面粗糙度和直線度以及運動軌跡的要求遠遠小于旋轉式,造價及維護成本低于旋轉式探頭,所以值得推廣.在實際使用中發(fā)現,如果探傷的標準缺陷深度在0.1 mm以上,則使用這種類型的傳感器檢測的效率和正確度是相當高的.如果標準定在0.1 mm以下,則選用點式探頭的效果更佳.

與后者對比,通過試驗得出兩種傳感器的性能對比匯總見表1.

表1　兩種傳感器性能對比

4實例

設被檢管棒彎曲度3‰.二壓輪(支承)開距為1 000 mm,相對于探頭而言,被檢管棒彎曲度即3‰.安放探頭的箱體寬度為400 mm,兩邊裝有保護探頭的導套.為保證被檢管棒能順利通過,導套的內徑一般比被檢管棒外徑大1.5 mm,此時相對于探頭而言被檢管棒彎曲度為1.5‰.

由于相對于探頭的等效彎曲度為1.5‰,最大偏心有1.5 mm,要保證探傷標準,周向靈敏度變化不大于3 dB,對設備要求很高.

現將探頭做成浮動的(浮動探頭結構見圖3(a)),其寬度(含浮動支承)為100 mm.探頭浮動支承最大為100 mm,所以相對于探頭的等效彎曲度為0.3‰,即最大偏心為0.3 mm,這樣保證探傷標準.周向靈敏度變化不大于3 dB就很容易了,使探傷的可靠性獲得了很大的提高.在該裝置中壓輪和導套起粗定位導向和保護探頭的作用[15].

普通探傷設備用于黑色金屬管棒探傷,需要磁化裝置,探傷完畢還需退磁.磁化裝置一般就裝在安放探頭的箱體內,退磁裝置安放在另一個箱體內.

鐵磁性材料,由于磁疇是亂序排列的,會對探傷造成很大的干擾(即噪聲),使信噪比嚴重下降,而無法對鐵磁性材料進行探傷.為了消除鐵磁性材料磁疇的探傷干擾,一般將鐵磁性材料磁化到飽和狀態(tài)(使磁疇成有序排列),由磁化裝置完成,而探傷完成后再進行退磁處理.加入磁化裝置與退磁裝置,既不方便,又浪費能源.如果將鐵磁性材料分割到足夠小,那么磁疇的影響也就可以忽略不計了.利用這個原理,將無數個小的探頭沿管棒的周向排列組合成一個大的(穿過式)探頭,見圖3(b).圖3(c)為每個探頭單元的連接圖,將每個探頭單元組成4個差分單元.然后將8個探頭單元沿徑向分布,組成一個大的(穿過式)探頭,見圖3(d).由于每個差分單元的線圈不在同一軸線上,所以可探縱向傷,結構上又是穿過式,也可探橫向傷.

圖3　對稱平衡式探頭示意圖

5結論

由上可見,對稱平衡式傳感器在實際使用時將兩種傳統的渦流傳感器的組成方式相結合,既保留了穿過式傳感器的使用方便和簡潔,又將旋轉式傳感器的靈敏度高及無需磁飽和裝置的特點應用于管棒探傷之上,達到近乎完美的合理組合.這種組合,不僅可以替代現有的傳統穿過式渦流傳感器,而且在探測縱向缺陷、靈敏度和對鐵磁性材料的檢測方面優(yōu)于傳統的穿過式渦流傳感器,是一種更先進、更可靠的技術.它的應用,不僅可以提高探傷的效率,而且可以節(jié)約成本.有理由相信它將是未來管棒材渦流檢測的重要方法.

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The Application of Balanced-opposed Eddy Current Sensor in the Detection of Tube & Rod

LU Cangbo

(Shanghai Xiandao Precision Electronic & Machinery Equipment Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

Abstract：Eddy current testing can detect and automatically eliminate defective products without damaging metal parts,which is widely used in metal processing industry.For the eddy current sensor commonly used in testing tube & rod materials is not highly sensitive,this paper put forward a new method and the structure of eddy current sensor so as to detect the defects more easily and effectively and solve the common problems existing in the project.The high frequency reflexible eddy current sensor used in the new method adopted balanced-opposed coils,which is the combination of feed-through coil and probe coil.The sensor possessed internal structure of probe coil(differential coil) and the position configuration of feed-through coil,combining the very best of the two kinds of coil above.All parameters of feed-through sensor had been adjusted in place in the laboratory during production and it was then packaged,so there was no need to make any adjustment according to environmental change.That is to say,being easy and simple is one of the advantages of balanced-opposed coil.

Keywords：eddy current testing; balanced-opposed eddy current sensor; detection of tube and rod; appilcation

中圖分類號：TG 115.28

文獻標志碼：A

作者簡介：陸滄博(1980―),男,工程師,主要從事渦流檢測方面的研究. E-mail: 65039728@qq.com

收稿日期：2015-06-15