自制外穿式渦流探頭

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(國(guó)核鋯業(yè)股份有限公司，寶雞 721013)

目前，公司對(duì)鋯管采用的渦流檢測(cè)方法為穿過(guò)式，不同規(guī)格的成品管材對(duì)應(yīng)不同規(guī)格的渦流探頭，而探頭的采購(gòu)周期為1～3個(gè)月，由于探頭的質(zhì)量不能保證，使得采購(gòu)周期更長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。因此，有必要開展渦流探頭的研制工作，制作高靈敏度、低噪聲、短盲區(qū)的渦流檢測(cè)探頭，以解決采購(gòu)周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

1 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)的原理是通過(guò)信號(hào)發(fā)生器(音頻振蕩器)給線圈施加交變電流，激勵(lì)線圈在附近空間感生出交變磁場(chǎng)，管材在交變的磁場(chǎng)中感生出渦電流。如果管材有缺陷，那么穿過(guò)缺陷處橫截面的磁通鏈數(shù)目發(fā)生改變，接收線圈的阻抗也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，由于拾取線圈是反向連接的兩個(gè)線圈，輸出阻抗軌跡依次是反向信號(hào)。在雙線圈中，每個(gè)檢測(cè)線圈既充當(dāng)激勵(lì)線圈，又充當(dāng)拾取線圈，受檢測(cè)管材一直處在兩個(gè)檢測(cè)線圈的動(dòng)態(tài)平衡交變磁場(chǎng)中，通過(guò)測(cè)試其阻抗的變化即可確定有無(wú)缺陷存在[1-3]。

2 試驗(yàn)過(guò)程

首先，通過(guò)理論計(jì)算出該管材所需的檢測(cè)頻率，并由檢測(cè)頻率與設(shè)備輸入阻抗估算出所需的電感，選用一定規(guī)格匝數(shù)和長(zhǎng)度的漆包線；然后，用相同的漆包線逐一密繞在不同骨架上，保存各個(gè)頻率參數(shù)的結(jié)果，從中選取效果較為理想的骨架尺寸；最后，在選取的骨架上用不同規(guī)格、不同匝數(shù)的漆包線逐一密繞在同一骨架上，并保存每一種頻率的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比結(jié)果后從中選取較為理想的探頭。

2.1 理論計(jì)算檢測(cè)頻率及所需電感

2.1.1 檢測(cè)對(duì)象

被檢測(cè)薄壁管材料為Zr-4，規(guī)格(外壁×壁厚)為φ9 mm×0.7 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電阻率為40 μΩ·cm。

2.1.2 檢測(cè)要求

信噪比要求達(dá)到12 dB以上，設(shè)備要求與探頭匹配，變頻器工作時(shí)噪聲低于滿屏的15%，尤其是在頻率大于300 kHz，檢測(cè)速度為12 m·min-1時(shí)由抖動(dòng)引起的信號(hào)低于25%。

2.1.3 檢測(cè)頻率估算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式f=3p/t2(p為電阻率；t為管壁厚),得出f=244.8 kHz。根據(jù)計(jì)算的工作頻率，盡可能制作以244 kHz為中心頻率的渦流探頭。

2.1.4 電感

渦流檢測(cè)儀要求輸入阻抗Z在180 Ω左右，由公式|Z|=|2πfL|可估算出電感L=117.5 μH。線徑為0.1 mm時(shí)不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)的電感如表1所示。

表1 線徑為0.1 mm時(shí)不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)的電感

如果選取線徑為0.1 mm，那么由表1估算出實(shí)際繞78匝時(shí)，電感為117 μH。

2.2 渦流探頭骨架尺寸對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)有規(guī)律地改變骨架尺寸，用相同電感的漆包線逐一繞在不同尺寸的骨架上，用不同檢測(cè)頻率測(cè)試同一通孔直徑為0.3 mm信號(hào)的幅值，對(duì)比結(jié)果后選取效果較好的骨架。

雙線圈槽寬呈梯度變化，其他骨架尺寸一定。同一線徑長(zhǎng)度的漆包線均勻密繞在不同槽寬時(shí)，在不同檢測(cè)頻率下的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

雙線圈兩槽間距呈梯度變化，線圈其他尺寸一定，兩個(gè)差動(dòng)線圈之間的距離對(duì)信號(hào)的影響結(jié)果如表3所示，表中“dB”值為波幅調(diào)制80%時(shí)的dB值。

只改變兩線圈之間的距離，其他條件不變，在不同檢測(cè)頻率下，測(cè)試通孔直徑為0.3 mm時(shí)，將信號(hào)幅值調(diào)至80%時(shí)對(duì)應(yīng)的dB值。

表2 雙線圈不同槽寬、不同頻率下的信號(hào)幅值 dB

表3 雙線圈不同間距時(shí)的信號(hào)幅值

dB

管材與線圈的間隙對(duì)缺陷信號(hào)的影響，即填充系數(shù)對(duì)通孔φ0.3 mm幅值的影響。在同一根φ0.1 mm漆包線的均勻密繞下，隨著骨架槽底外徑的增大，匝數(shù)與電感略有差異，其檢測(cè)靈敏度及相位在不同頻率下的結(jié)果如表4～6所示。表4中，骨架槽底直徑為11.0 mm，管子直徑為9 mm，填充系數(shù)為67%，匝數(shù)為80匝，線圈電感為123 μH，兩線圈電感差異為0 μH；表5中，骨架槽底直徑為12.0 mm，管子直徑為9 mm，填充系數(shù)為56%，匝數(shù)為73匝，線圈電感為120 μH，兩線圈電感差異為0 μH;表6中，骨架槽底直徑為13.1 mm，管子直徑為9 mm，填充系數(shù)為48%，匝數(shù)為70匝，線圈電感為111 μH，兩線圈電感差異為0 μH。

線徑為0.1 mm，線圈寬度為1.5 mm，線圈內(nèi)徑為10.8 mm，隨著線圈厚度的增加，同一個(gè)直徑為0.3 mm通孔的信號(hào)幅度變化曲線如圖1所示。

表4 不同頻率下的檢測(cè)靈敏度及相位(槽底直徑為11.0 mm)

表5 不同頻率下的檢測(cè)靈敏度及相位(槽底直徑為12.0 mm)

表6 不同頻率下的檢測(cè)靈敏度及相位(槽底直徑為13.1 mm)

圖1 不同線圈厚度時(shí)φ0.3 mm通孔信號(hào)幅值變化曲線

不同匝數(shù)，不同線徑在同一骨架尺寸下，用不同頻率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表7～9所示。表7為漆包線線徑為0.1 mm，匝數(shù)分別為40，60，80，100，150匝，將通孔φ0.3 mm測(cè)試信號(hào)幅值調(diào)至80%時(shí)所對(duì)應(yīng)的dB值；表8為漆包線線徑為0.2 mm，分別在40，50，60，70匝均勻密繞，通孔φ0.3 mm測(cè)試信號(hào)幅值調(diào)至80%時(shí)所對(duì)應(yīng)的dB值；表9為漆包線線徑0.3 mm，分別在20，30，40匝均勻密繞，通孔φ0.3 mm測(cè)試信號(hào)幅值調(diào)至80%時(shí)所對(duì)應(yīng)的dB值。

表7 不同匝數(shù)下對(duì)應(yīng)的dB值(線徑0.1 mm) dB

表8 不同匝數(shù)下對(duì)應(yīng)的dB值(線徑0.2 mm) dB

表9 不同匝數(shù)下對(duì)應(yīng)的dB值(線徑0.3 mm) dB

2.3 探頭制作過(guò)程

根據(jù)骨架尺寸、線徑、匝數(shù)以及鋯合金管材通孔φ0.3 mm信號(hào)幅值變化規(guī)律，選擇最優(yōu)骨架尺寸制作渦流探頭，φ9 mm管材骨架結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 φ9 mm管材骨架結(jié)構(gòu)示意

(1) 鋯合金管材對(duì)表面要求極高，不能有劃傷或劃痕，在室溫下隨季節(jié)變化骨架尺寸穩(wěn)定不變，有一定剛度，且易加工，價(jià)格便宜。因此，選用橡膠木或者PA66尼龍作為骨架材料。

(2) 按照?qǐng)D2所示尺寸在數(shù)控高精度車床上加工骨架，尺寸精度小于0.05 mm，粗糙度為3.2即可。

(3) 將骨架固定在繞線機(jī)上，均勻密繞一個(gè)拾取槽，取下骨架，掉方向繞另一拾取槽，取下繞好的骨架，將漆包線線頭焊接在接線柱上。

(4) 用電感測(cè)試儀測(cè)試兩線圈的電感，要求差異小于1 μH。

(5) 用膠水固定線圈，并測(cè)試電感的變化，直至差異小于1 μH，將骨架接線焊接高頻接頭，封裝渦流探頭。

(6) 經(jīng)測(cè)試結(jié)果分析，滿足公司檢測(cè)要求，該探頭可用于規(guī)格為φ9 mm×0.7 mm的鋯合金管材的渦流檢驗(yàn)。

3 實(shí)踐應(yīng)用

用自制的渦流探頭對(duì)同一批管材進(jìn)行檢測(cè)，與購(gòu)買的探頭檢測(cè)結(jié)果相一致(見圖3)。

前置電壓均為7 V，前置電壓放大倍數(shù)為30 dB;國(guó)產(chǎn)探頭后置放大倍數(shù)低頻50.5 dB,高頻54 dB，自制渦流探頭后置放大倍數(shù)低頻45 dB，高頻46.5 dB。

用自制外穿式渦流探頭和國(guó)產(chǎn)探頭分別對(duì)鋯合金管材進(jìn)行渦流檢測(cè)，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，自制渦流探頭能更好地顯現(xiàn)出滿屏幅值為15%的缺陷，而購(gòu)買探頭的電噪聲為15%左右，檢測(cè)波幅為20%左右的小缺陷的顯示不是很清晰。鋯合金管材不同缺陷的渦流檢測(cè)結(jié)果(自制探頭)和相應(yīng)水浸超聲檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖3 自制探頭與國(guó)產(chǎn)探頭對(duì)同一批管材檢測(cè)結(jié)果

圖4 鋯合金管材不同缺陷的渦流檢測(cè)結(jié)果(自制探頭)和相應(yīng)水浸超聲檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)分析探頭骨架尺寸、線徑、匝數(shù)及頻率對(duì)同一缺陷信號(hào)的變化規(guī)律，確定規(guī)格為φ9 mm×0.7 mm鋯合金管材所用探頭的骨架尺寸。

(2) 從探頭骨架尺寸方面考慮，隨著拾取線圈槽寬的增加，用同一幅度搖晃管材，抖動(dòng)信號(hào)也在增強(qiáng)，檢測(cè)頻帶范圍變窄；兩個(gè)拾取線圈跨距在1.5 mm，具有較高的靈敏度，差動(dòng)效果較好；填充系數(shù)減小導(dǎo)致頻帶范圍變窄，窄頻帶為較低的頻率范圍。

(3) 從線圈尺寸方面考慮，在滿足檢測(cè)靈敏度要求的前提下，拾取線圈的厚度增加時(shí)，φ0.3 mm通孔信號(hào)幅度先增高后降低；隨著線徑的增大，頻帶變窄，線徑為0.1 mm與線徑為0.2 mm的頻帶較寬；線徑為0.2 mm，匝數(shù)范圍為40～70匝時(shí)，以及線徑為0.1 mm，匝數(shù)范圍為70～100匝時(shí)，有用信號(hào)幅度較高。