基于電擾動(dòng)法的智能多功能阻抗平面顯示渦流檢測(cè)儀的研制

基于電擾動(dòng)法的智能多功能阻抗平面顯示渦流檢測(cè)儀的研制

1渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用通過焊接生產(chǎn)和工程應(yīng)用，必須解決許多焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)問題。特別是，表面粗糙度或有一定厚度的防腐層，超聲法難以進(jìn)行。電子法的精度不高，效率低。由于傳統(tǒng)傳感器提取效應(yīng)的影響，血流法不利于搜索缺陷。近幾年來,一些儀器生產(chǎn)廠,研發(fā)了相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備,如國(guó)外研制的便攜式專用焊縫質(zhì)量檢查儀(EddyCurrentProbesforInspectionofFerromagneticSteelWelds),從某種程度上解決了這一工程難題。焊縫的在線檢測(cè),一直是焊管行業(yè)的重要相關(guān)技術(shù)。根據(jù)國(guó)外的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),我國(guó)于20世紀(jì)90年代開發(fā)了焊管在線渦流探傷儀,該儀器一改常規(guī)的帶有磁飽和器的渦流檢測(cè)方式,而改由小填充系數(shù)的外穿過式探頭和平面組合式探頭(由差動(dòng)和絕對(duì)二組探頭組成)。為解決生產(chǎn)應(yīng)用上的高溫焊縫探傷問題,平面組合探頭采用了國(guó)外稱之為電流擾動(dòng)法原理的特種渦流傳感器(ElectricCurrentPerturbationMethod),這種傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是提離效應(yīng)小,可接成發(fā)射、接收(D-P)方式或絕對(duì)方式,用于阻抗平面顯示的渦流儀上,并且允許探頭運(yùn)動(dòng)方向與焊管焊縫裂紋方向同向而不漏檢,由于該探頭的這兩大特點(diǎn),近10年來,國(guó)內(nèi)焊管行業(yè),特別是生產(chǎn)大直縫管的廠家,很大一部分都采用了這一形式的渦流傳感器,且取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)使用效果。國(guó)外一些廠家,如日本和東南亞及澳洲等一些焊管廠,也采用了這一檢測(cè)模式。根據(jù)電擾動(dòng)法研發(fā)的特種探頭,如何改進(jìn)并運(yùn)用到在役焊縫的檢測(cè)上,是近年來無損檢測(cè)領(lǐng)域關(guān)注和研究的重點(diǎn)方向之一,特別是在役焊縫通常要求在工況條件較惡劣、表面狀態(tài)凹凸不平且大型儀器不易攜帶的情形下進(jìn)行檢測(cè)。因此,開發(fā)掌上型便攜式阻抗平面顯示渦流儀及適合工程應(yīng)用的微型傳感器便成了亟待解決的技術(shù)問題。為此,我國(guó)通過多年的努力,研發(fā)了EEC-3300掌上型智能多功能阻抗平面顯示渦流檢測(cè)儀及電擾動(dòng)磁敏探頭,該儀器不僅適用于在役焊縫的手動(dòng)探傷,而且具有裂紋快速測(cè)深及材料分選的功能,下面就有關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹。2電磁感應(yīng)作用渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無損檢測(cè)方法。當(dāng)導(dǎo)體接近通有交流電的線圈,由線圈建立起的交變磁場(chǎng)就會(huì)與導(dǎo)體發(fā)生電磁感應(yīng)作用,這時(shí),在導(dǎo)體中就有感應(yīng)電流存在,即產(chǎn)生渦流。由于導(dǎo)體自身各種因素(如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸和缺陷等)的變化,會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電流的變化,利用這種現(xiàn)象來確定導(dǎo)體材料性質(zhì)和狀態(tài)的方法即稱為渦流檢測(cè)。當(dāng)導(dǎo)體表面或近表面出現(xiàn)裂紋時(shí),將影響到渦流場(chǎng)的強(qiáng)度和分布,渦流的變化又引起了檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓和阻抗的變化,監(jiān)測(cè)這一變化,就可以間接地知道導(dǎo)體內(nèi)裂紋的存在及當(dāng)量。3傳感線圈與應(yīng)力線圈尺寸的關(guān)系作為渦流檢測(cè)法的一個(gè)特例,電流擾動(dòng)磁敏探頭也是一種能夠?qū)⒋艌?chǎng)及其變化的量轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)輸出的裝置,它包括激勵(lì)線圈和檢測(cè)單元(線圈或磁敏元件,本文以線圈為例)2個(gè)最基本的組成部分,二者是分立的,且正交取向。如圖1(a)所示,激勵(lì)線圈為1個(gè),平行于XY平面設(shè)置;感應(yīng)線圈為2個(gè),垂直于XY平面設(shè)置,即2個(gè)相互平行的感應(yīng)線圈的法線垂直于Z軸。當(dāng)激勵(lì)線圈與感應(yīng)線圈大小可比,則交變感應(yīng)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線相對(duì)于感應(yīng)線圈的方向是各不相同的,即感應(yīng)線圈內(nèi)有大量取向各異的磁力線穿過,這樣必然會(huì)嚴(yán)重地影響檢測(cè)由缺陷引起的電流微弱擾動(dòng)而導(dǎo)致的磁通變化。如果激勵(lì)線圈相對(duì)于感應(yīng)線圈的尺寸足夠大如圖1(b)所示。那么感應(yīng)電流相對(duì)于小尺寸的感應(yīng)線圈可近似視為沿單一方向直線流動(dòng),感應(yīng)線圈附近的磁力線方向亦近似趨于一致。感應(yīng)線圈取法線方向平行于電流流動(dòng)方向。無缺陷時(shí),穿過2個(gè)感應(yīng)線圈的磁通量為最少;當(dāng)因缺陷存在引起電流擾動(dòng)而導(dǎo)致磁通變化時(shí),即使是微弱的變化,感應(yīng)線圈也能很靈敏地發(fā)現(xiàn),且感應(yīng)線圈的這種取向?qū)μ犭x變化的敏感度也減至最小。利用磁敏元件作檢測(cè)單元,也可以達(dá)到不錯(cuò)的效果,但制作工藝上較缺乏靈活性。目前,市面上的半導(dǎo)體磁敏元件主要有霍爾效應(yīng)傳感器(Halleffectsensor)、半導(dǎo)體磁敏電阻器(Semiconductivemagnetoresistor)、磁敏二極管(Magneto-diode)、載流子疇磁強(qiáng)計(jì)(Carrierdomainmagnetometer)、Z元件以及其他各種半導(dǎo)體磁敏功能組合器件等。4儀器的硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)上述渦流檢測(cè)和電擾動(dòng)磁敏傳感器的原理,設(shè)計(jì)和開發(fā)了體積小、重量輕和專門適用于焊縫表面裂紋檢測(cè)的EEC-3300智能袖珍型渦流檢測(cè)儀。儀器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它主要由數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、波形發(fā)生及電流激勵(lì)模塊和電源電路等幾個(gè)部分組成。5表面裂紋的檢測(cè)首先在焊縫上制作標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷,見圖3(為了觀察方便,焊縫表面進(jìn)行了平滑處理),然后分別用常規(guī)和電擾動(dòng)磁敏探頭作實(shí)驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果通過RS232接口接至PC機(jī)打印輸出,如圖4～7所示。圖4(a)為常規(guī)絕對(duì)式渦流探頭對(duì)試塊標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的檢測(cè)波形,圖中往左的一條曲線D為探頭提離方向(如果裂紋是在焊縫粗糙表面上,則圖中曲線將是疊加后的波形,無法觀察)。圖4(b)為電擾動(dòng)磁敏傳感器在相同條件下測(cè)得的阻抗平面圖,從圖中可見,二種探頭對(duì)提離效應(yīng)的反應(yīng)是大不一樣的。前者探頭稍一晃動(dòng),信號(hào)就偏出屏幕外,后者即使提離到遠(yuǎn)處也只偏離一小點(diǎn)(見圖4(b)D曲線)。圖5是常規(guī)渦流探頭和電擾動(dòng)傳感器二種探頭在不改變儀器參數(shù)的條件下對(duì)某一核電工程焊縫粗糙表面檢測(cè)時(shí)的阻抗平面圖形。該二組圖形進(jìn)一步說明了二種傳感器對(duì)工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的差異。圖6是在人工表面裂紋試塊上墊上3mm有機(jī)板(模擬焊縫表面防腐層)采用常規(guī)渦流探頭與電擾動(dòng)磁敏傳感器分別測(cè)得的圖形。其中常規(guī)探頭的儀器增益提高10dB,電擾動(dòng)磁敏傳感器儀器保持原參數(shù)不變。圖7為歸一化后電擾動(dòng)磁敏探頭對(duì)3mm人工裂紋的儀器檢測(cè)界面圖(下面數(shù)字表示裂紋深度示值,單位mm)。本實(shí)驗(yàn)是以阻抗平面圖作為信號(hào)的顯示模式,也可取其中X軸或Y軸信號(hào)采用時(shí)基掃描曲線的顯示模式。6關(guān)于平產(chǎn)生的干擾信號(hào)焊縫表面粗糙度對(duì)渦流場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在提離效應(yīng)上。雖然,從理論上用多頻渦流法可以解決表面凹凸不平產(chǎn)生的干擾信