涡流探头结构优化的实验研究

摘　要: 针对涡流检测中穿过式探头对某些缺陷不敏感、检测灵敏度较低等问题, 对探头线圈的结构进 行了设计, 沧州欧谱由于结构参数较多, 采用正交试验方法进行了规划。对重新设计的一组探头进行了试验对比, 从中 选出检测效果较好的探头结构方式。

关键词: 涡流检测; 正交试验; 探头结构 中图分类号: T G115. 28　

文献标识码: A 　文章编号: 167124423 (2004) 06228203 　　

涡流探伤有很多的优点, 如不需耦合剂、灵敏度 高、检测速度快和易于实现自动化等。但涡流检测也 存在一些显而易见的缺点, 其中之一是穿过式结构 探头对沿管材周向分布的损伤不敏感, 一般情况下 管材若有周向损伤则难以检出。解决该问题的途径 之一是对穿过式探头进行结构优化, 以最大限度地 增加探头对周向探伤的灵敏度。

1　实验方法 本试验以 1 根Á 25 mm、壁厚 2 mm 的铜管为 检验对象, 在管壁刻上符合标准的沿周向分布的损 伤, 检测频率选定为 4 kH z, 线圈结构选定为外壁穿 过式线圈, 线圈的运动方式, 根据具体工件要求, 选 定为线圈固定不动, 被检工件直线运动。激励电源采 用单一频率正弦波电源激励, 激励线组和测量绕组 磁通方式选定为轴向激励, 轴向测量。测量绕组的信 号的方式采用电差式, 探头的工作方式选定为自比 较式。 探头设计的目的是提高对铜管中的纵向损伤以 及孔伤的检测灵敏度。在线圈骨架具体结构已给定 情况下, 主要工作是确定激励线圈匝数、测量线圈匝 数、以及槽宽跨距, 激励线圈线径选定为 0. 29 mm , 测量线圈线径选定为 0. 05 mm。 线圈截面尺寸对检测灵敏度和分辨率是有很大 影响的, 通常, 线圈长度越大, 灵敏度越高, 但分辨率 下降, 在分辨率和信号幅度之间最好的折中是选择 线圈的长度和厚度等于缺陷的深度。由此再结合线 径大小, 可大约估算线圈匝数。然后经试验校正, 可 得到最优结果。

1. 1　线圈匝数的估算

1. 1. 1　检测线圈 在壁厚为 2 mm 的铜管中, 缺陷深度大约为 115 mm 左右, 最深不会超过 2 mm , 因而取测量线 圈厚度为 1. 5 mm , 槽宽设定为 1. 3 mm , 则线圈截 面积为 1. 95 mm 2 ; 线径为 0. 05 mm 的线匝截面积 为S 1 = 1 4 Pd 2 = 1. 96×10 - 3 mm 2。 取槽满率为 0. 7 [ 1 ] , 于是检测线圈可能的最大 值为: 匝数N = 1. 95 × 0. 7 S 1 = 696 (匝) 实际上, 线匝间有间隔, 线匝有漆包皮, 虽然线 截面积为圆形, 但实际上所占面积与边长值等于线 匝直径的正方形一样多。所以, 实际线匝截面积为 S 1 = 0. 05×0. 05= 0. 025 mm 2。 可取的匝数最大值约为 700 匝, 在实际人工绕 制过程中, 由于操作误差, 线圈匝数理想值与实际值 可能有很大差别, 因此, 可取三组数进行试验: N 1 = 400,N 2 = 500,N 3 = 600

1. 1. 2　激励线圈 取线圈长度为 38 mm , 厚度设为 2 mm , 则线圈 截面积为 76 mm 2。线径取为 0. 29 mm , 考虑漆表皮 及间隙, 单根线所占面积约为 S 2 = 0. 35×0. 35= 011225 mm 2。于是, 匝数N = 76 S 2 = 620 匝 考虑到人工绕制误差, 激励线圈匝数可取三个 数值进行试验, 分别为N 1 = 400,N 2 = 500,N 3 = 600。

1. 1. 3　槽宽跨度的确定 据研究结果, 差动探头两线圈之间的跨度应该 近似等于缺陷的深度或者壁厚。若跨度减小, 外壁缺 陷灵敏度提高, 内壁缺陷灵敏度减小; 若跨度增大, 内壁灵敏度提高, 外壁灵敏度减小。　　　　 　　因为已知铜管壁厚为 2 mm , 所以槽宽跨度取 为 1 mm , 2 mm、3 mm 作为对比试验。沧州欧谱本实验所用 探头结构如图 1 所示。 图 1　线圈骨架图

1. 2　利用正交试验法确定实验方案 为减少试验次数, 按正交试验原理安排实验。

1. 2. 1　确定试验因素及水平 试验因素及水平[ 4 ]如表 1 所示。

1. 2. 2　正交表的选用 由于本次试验是 3 因素, 3 水平试验, 因而可选 用正交表L 9 (3 4 ) , 如表 2 所示。 表 1　试验因素及水平 因素水平 A 测量线圈 B 激励线圈 C 槽宽跨距 1 400 匝 400 匝 1 mm 2 500 匝 500 匝 2 mm 3 600 匝 600 匝 3 mm 表 2　正交表L 9 (3 4 ) 试验号 列 号 1 2 3 4 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1

1. 2. 3　试验方案的确定 本次实验的大指标是灵敏度, 但又可细分为孔 伤、槽伤测量时的相位及衰减, 实际上是多指标试 验。因而应按多指标试验方法处理试验结果, 采用综 合评分法进行分析, 具体试验方案及结果见表 3。 表 3　实验方案及结果 水 平 因素 A 测量线圈 匝　　

数 B 激励线圈 匝　　数 C 槽宽跨距 试　　验　　指　　标 孔　　伤 槽　　伤 相位 衰减 示值幅度 相位 衰减 示值幅度 综合评分 1 400 400 1 0° 57 dB 5 m v 0° 57 dB 1 m v 6 2 400 500 2 0° 57 dB 5 m v 0° 57 dB 1 m v 6 3 400 600 3 0° 57 dB 5 m v 0° 57 dB 0. 8 m v 5. 5 4 500 400 2 0° 57 dB 7 m v 0° 57 dB 1. 5 m v 8 5 500 500 3 0° 57 dB 6 m v 0° 57 dB 1. 5 m v 7 6 500 600 1 0° 57 dB 3. 5 m v 0° 57 dB 0. 7 m v 4 7 600 400 3 0° 57 dB 8 m v 0° 57 dB 2. 2 m v 10 8 600 500 1 0° 57 dB 4 m v 0° 57 dB 1. 2 m v 5 9 600 600 2 0° 57 dB 4. 7 m v 0° 57 dB 1. 4 m v 6. 5 总分 58 2　

实验过程及结果分析 实验中需设定检验频率, 检验频率与缺陷检出 灵敏度有很大关系。在本实验中, 检验频率调定为 4kH z。仪器灵敏度的选择一般是以规定的人工缺陷 在记录仪上指示高度作为依据的, 它应为记录仪满 刻度的 50%～ 60%。在本次试验中灵敏度调定为 57 dB。相位选择要考虑: (1)信噪比最大, (2)能区别缺 陷的种类和位置。相位的选择也应该满足信噪比最 大的原则。在本次试验中, 根据具体情况, 相位角调 定为 0°。 从表 3 中可以发现, 测量线圈匝数有三种选择, 400 匝、500 匝和 600 匝, 分别设定为条件A 1、A 2 和 A 3。在A 1 条件下, 试验得分之和为 6 + 6 + 5. 5 = 其平均分K 1 为5. 83分; A 2 条件下的平均得 分 K 2 为 6. 43 分; A 3 条件下的平均得分 K 3 为 7. 16 分; R 为各分数值中相差最大的两值之差。同样激励 线圈匝数和槽宽跨距也有三种组合, 其具体得分见 表 4。 表 4　试验结果评分 得 分 实验条件 A 测量线圈匝数 B 激励线圈匝数 C 槽宽跨距 K 1 5. 83 8 5 K 2 6. 43 6 6. 67 K 3 7. 16 5. 33 7. 5 R 1. 33 2. 67 2. 5

2. 1　用正交试验法进行分析 从实验结果数据可以看出, 在本试验中, 第 7 号 试验灵敏度最高。它的试验条件是A 3B1C3, 即测量 线圈 600 匝, 激励线圈 400 匝, 槽宽跨距 3 mm。但 A 3B1C3 是否就是所有可能组合(共有 27 种组合) 中 的最优的试验方案, 还要经过分析计算。 先给各组试验结果进行综合评分。各组试验时 的相位和衰减都设置成 0°, 衰减 57 dB, 是为了保证 最高信噪比, 也是使各组试验条件一致, 以便比较结 果优劣。 比较各组试验结果, 由于第 7 号试验中, 孔伤及 槽伤的示值幅度皆为最高, 可以评定 10 分; 4 号次 之, 可评定为 8 分; 5 号评定为 7 分。

1～ 9 号试验的 综合评定结果见表 3。从表 3 可以看到: 测量线圈为 600 匝时, 灵敏度最高; 激励线圈在 400 匝时, 灵敏 度最高; 而槽宽跨距为 3 mm 时, 灵敏度最高。把这 三个因素的最好水平组合起来, 就得到一个好的检 测条件A 3B1C3, 也就是第 7 号方案。所以在本试验 中, 9 个试验方案中已包含了(在可能的 27 种组合 中)最佳的试验组合方案。 通过表 4 中的极差分析( R 值结果) , 可确定三 个影响因素的主次, 即激励线圈匝数对灵敏度的影 响最大, 是主要因素, 槽宽跨距次之, 测量线圈匝数 排在最后。

2. 2　实验结果分析 试件表面状态的变化, 将引起试件中涡流的幅 度、相位等参数的变化,数字超声波探伤仪http://www.shuzichaoshengbotanshangyi.com而涡流的变化又引起检测线 圈中感应电压的变化。检测线圈的阻抗等于检测线 圈上的电压与电流的比值, 因而试件中参数的变化 相当于引起了检测线圈阻抗的变化。 在实验过程中, 要从检测线圈输出信号中取出 涡流磁场的变化, 通常的方法是(1)提取信号幅度的 变化量; (2)提取信号相位的变化量; (3)同时提取信 号幅值和相位的变化量; (4)提取频率的变化。而上 述提及的信号、幅值、相位、频率, 都与检测线圈阻抗 有着极为密切的关系。

由涡流传感器设计的基本理论可知, 测量线圈 匝数越多, 即N 2 越大灵敏度越高, 这和上述实验结 果吻合; 而激励线圈匝数的影响则稍为复杂, 一方 面, 匝数减少则阻抗减少, 激励能量增加, 有利于提 高灵敏度, 另一方面, 匝数减少使激励线圈和试件之 间的耦合程度降低则不利于提高灵敏度; 一般来说, 在设计涡流探头时, 要通过实验来确定较为合理的 参数范围。 在设定实验参数过程中, 只是根据以往经验, 设 定跨距值与铜管壁厚相近, 且在理论研究中发现, 在 槽宽跨距增大过程中, 灵敏度是先增大后减小的, 要 找出最佳的槽宽跨距, 需进行大量的试验才能确定。 在本次设计中, 由于客观条件限制, 没有对槽宽跨距 进行深入的研究。

3　结论 通过试验结果的分析, 可以得出如下结论: ( 1) 三个因素的主次顺序是: B→C→A (激励线 圈→槽宽跨距→测量线圈)。 (2) 各因素变化时, 指标的变化规律是: 测量线 圈从 400 匝升到 600 匝时, 灵敏度逐渐提高, 激励线 圈从 400 匝升到 600 匝时, 灵敏度逐渐降低, 三种槽 宽跨距以 3 mm 为最好。

(3) 9 个试验中最好的情况是A 3B1C3。根据涡流 探头结构设计的基本理论, 该实验结果应该是比较 合理的。 参考文献: [1 ] 中国机械工程学会无损检测分会编. 涡流检测 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 1986 [ 2 ] 王厚枢编. 传感器原理[M ]. 北京: 航空工业出 版社, 1993 [3 ] 任吉林, 林俊明, 高春法编. 电磁检测[M ]. 北 京: 机械工业出版社, 2000 [ 4 ] 正交试验设计法[M ]. 上海市科学技术交流站 编, 1975