铜杆线涡流无损探头校准系统的设计

谢卫民/江西铜业股份有限公司

0 引言

涡流探伤是铜杆线在线生产过程中进行质量监控的主要手段[1，2]，探伤系统检测准确程度对生产铜杆线的质量有直接影响。涡流无损探伤系统一般由涡流探伤仪、涡流无损探头、记录装置、传动装置及磁饱和装置等组成，其中涡流无损探头作为系统的核心检测器件，必须有一套测试系统对其进行定期校准，方能保证涡流探伤系统的正常使用。

1 涡流探伤原理

1.1 涡流探伤

涡流的产生源于一种叫做电磁感应的现象( 图1)。当将交流电施加到铜导线上时，磁场将在导体内和环绕导体的空间内产生磁场。涡流就是感应产生的电流，它在一个环路中流动。如果将一个铜杆放入该变化的磁场中，涡流将在铜杆中产生，而涡流也会产生自己的磁场，该磁场随着交流电流上升而扩张，随着交流电流减小而消隐。因此当铜杆表面或近表面出现缺陷或测量金属材料的一些性质发生变化时，将影响到涡流的强度和分布。可以通过检测涡流的变化情况，间接地知道铜杆内部缺陷的存在及金属性能是否发生了变化。

图1 涡流产生示意图

1.2 铜杆线涡流探伤[3，4]

铜杆线在线涡流探伤采用穿过式测试探头，它通过探头测得的信号变化，经信号处理系统，获得铜杆线中瑕疵的信息。铜杆线涡流探伤原理如图2所示。

图2 铜杆线涡流探伤原理

涡流探伤的核心器件是涡流无损探头。当穿过的铜杆存在孔、裂缝等缺陷时，在激励信号(Excitation coil)作用下，接收线圈(Receiver coil)的信号就会发生畸变。通过分析信号畸变的幅值和相位，就能得到缺陷的大小和类型。涡流探头包含了激励线圈和接收线圈。激励线圈用于产生一定频率的正弦激励信号，接收线圈用于接收铜杆感应产生的电信号。

接收线圈的电信号通过配套涡流探伤仪进行幅值和相位分析，进行显示或输出。

2 在线式铜杆线涡流测试系统

由涡流传感器探头（以下简称探头）、屏蔽连接线、EZ2.828型探测仪、配套计算机和打印机组成（图 3）。

图3 在线式铜杆线涡流检测系统组成

在线式铜杆线涡流检测系统的探头（图4）具有较广速度范围检测分析数据能力。在涡流检测中,检测速度与探伤信号有直接关系。在检测速度首先确定的情况下, 检测准确度主要取决于涡流探伤仪滤波器的频率、试件的几何尺寸、检测线圈及缺陷的状况等。

3 校准系统设计思路[5，6]

根据铜杆线生产和质量的要求，模拟生产现场在线无损探伤仪的运行状态设计涡流无损探头校准测试装置，其结构为直线运行式。根据实际铜杆线伤类型制作人工标准样杆，作为检测的参照标准件。人工标准样杆和探头在驱动装置作用下以固定运动速度做相对直线运动，采集探测信号，分析信号结果与人工标准样杆比对，得到涡流探伤探头一致性和灵敏度。系统简图如图5所示。

1）驱动部分

驱动部分实现人工标准样杆以固定速度做直线运动，采用凸轮旋转带动摆杆动作，使得推轮推动样杆动作，样杆按惯性在直线导轨上滑动。电机采用变频电机，变频范围20～200 Hz，功率为32 kW。

2）离合部分

由于加速部分需要在电机带动惯性盘运行到设定速度时高速切换到摆杆位置，需要通过离合部分实现，借用汽车离合器机构，加上离合驱动气缸和控制阀实现。

3）直线滑动部分

直线滑动部分为完成导轨安放和直线运动提供支撑。采用滑动系数极小的进口直线导轨，固定人工标准样杆的导座与直线导轨间在直线滑动期间速度下降幅度小于2%。

4）缓冲机构部分

该部分实现滑座和人工标准样杆部分直线运动的停止。采用两级缓冲机构，第一级为缓冲橡胶实现高速到低速缓冲，第二级配合液压缓冲器，实现样杆完全停止。

4 结语

校准测试系统经多次试验证明具有较高的可靠性。系统工作时，通过人工标准样杆模拟在线实时生产状态，可确定铜杆线大伤、中伤、小伤。其表面伤检出率为：大伤平均检出率≥95%、中伤平均检出率≥90%、小伤平均检出率≥80%。系统稳定速度的自由匀速滑行执行机构能够很好地满足涡流无损探头动态校准要求，具有一定的推广价值。

图5 校准系统结构图

[1]任吉林, 林俊明.电磁无损检测[M].北京：科学出版社, 2008.

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