自制外穿式涡流探头

，， , ，于军

(国核锆业股份有限公司，宝鸡 721013)

目前，公司对锆管采用的涡流检测方法为穿过式，不同规格的成品管材对应不同规格的涡流探头，而探头的采购周期为1～3个月，由于探头的质量不能保证，使得采购周期更长，严重影响生产进度。因此，有必要开展涡流探头的研制工作，制作高灵敏度、低噪声、短盲区的涡流检测探头，以解决采购周期长的问题。

1 涡流检测原理

涡流检测的原理是通过信号发生器(音频振荡器)给线圈施加交变电流，激励线圈在附近空间感生出交变磁场，管材在交变的磁场中感生出涡电流。如果管材有缺陷，那么穿过缺陷处横截面的磁通链数目发生改变，接收线圈的阻抗也会相应发生变化，由于拾取线圈是反向连接的两个线圈，输出阻抗轨迹依次是反向信号。在双线圈中，每个检测线圈既充当激励线圈，又充当拾取线圈，受检测管材一直处在两个检测线圈的动态平衡交变磁场中，通过测试其阻抗的变化即可确定有无缺陷存在[1-3]。

2 试验过程

首先，通过理论计算出该管材所需的检测频率，并由检测频率与设备输入阻抗估算出所需的电感，选用一定规格匝数和长度的漆包线；然后，用相同的漆包线逐一密绕在不同骨架上，保存各个频率参数的结果，从中选取效果较为理想的骨架尺寸；最后，在选取的骨架上用不同规格、不同匝数的漆包线逐一密绕在同一骨架上，并保存每一种频率的检测结果，对比结果后从中选取较为理想的探头。

2.1 理论计算检测频率及所需电感

2.1.1 检测对象

被检测薄壁管材料为Zr-4，规格(外壁×壁厚)为φ9 mm×0.7 mm，相对磁导率为1，电阻率为40 μΩ·cm。

2.1.2 检测要求

信噪比要求达到12 dB以上，设备要求与探头匹配，变频器工作时噪声低于满屏的15%，尤其是在频率大于300 kHz，检测速度为12 m·min-1时由抖动引起的信号低于25%。

2.1.3 检测频率估算

根据经验公式f=3p/t2(p为电阻率；t为管壁厚),得出f=244.8 kHz。根据计算的工作频率，尽可能制作以244 kHz为中心频率的涡流探头。

2.1.4 电感

涡流检测仪要求输入阻抗Z在180 Ω左右，由公式|Z|=|2πfL|可估算出电感L=117.5 μH。线径为0.1 mm时不同匝数对应的电感如表1所示。

表1 线径为0.1 mm时不同匝数对应的电感

如果选取线径为0.1 mm，那么由表1估算出实际绕78匝时，电感为117 μH。

2.2 涡流探头骨架尺寸对比试验

通过有规律地改变骨架尺寸，用相同电感的漆包线逐一绕在不同尺寸的骨架上，用不同检测频率测试同一通孔直径为0.3 mm信号的幅值，对比结果后选取效果较好的骨架。

双线圈槽宽呈梯度变化，其他骨架尺寸一定。同一线径长度的漆包线均匀密绕在不同槽宽时，在不同检测频率下的测试结果如表2所示。

双线圈两槽间距呈梯度变化，线圈其他尺寸一定，两个差动线圈之间的距离对信号的影响结果如表3所示，表中“dB”值为波幅调制80%时的dB值。

只改变两线圈之间的距离，其他条件不变，在不同检测频率下，测试通孔直径为0.3 mm时，将信号幅值调至80%时对应的dB值。

表2 双线圈不同槽宽、不同频率下的信号幅值 dB

表3 双线圈不同间距时的信号幅值

dB

管材与线圈的间隙对缺陷信号的影响，即填充系数对通孔φ0.3 mm幅值的影响。在同一根φ0.1 mm漆包线的均匀密绕下，随着骨架槽底外径的增大，匝数与电感略有差异，其检测灵敏度及相位在不同频率下的结果如表4～6所示。表4中，骨架槽底直径为11.0 mm，管子直径为9 mm，填充系数为67%，匝数为80匝，线圈电感为123 μH，两线圈电感差异为0 μH；表5中，骨架槽底直径为12.0 mm，管子直径为9 mm，填充系数为56%，匝数为73匝，线圈电感为120 μH，两线圈电感差异为0 μH;表6中，骨架槽底直径为13.1 mm，管子直径为9 mm，填充系数为48%，匝数为70匝，线圈电感为111 μH，两线圈电感差异为0 μH。

线径为0.1 mm，线圈宽度为1.5 mm，线圈内径为10.8 mm，随着线圈厚度的增加，同一个直径为0.3 mm通孔的信号幅度变化曲线如图1所示。

表4 不同频率下的检测灵敏度及相位(槽底直径为11.0 mm)

表5 不同频率下的检测灵敏度及相位(槽底直径为12.0 mm)

表6 不同频率下的检测灵敏度及相位(槽底直径为13.1 mm)

图1 不同线圈厚度时φ0.3 mm通孔信号幅值变化曲线

不同匝数，不同线径在同一骨架尺寸下，用不同频率进行测试，结果如表7～9所示。表7为漆包线线径为0.1 mm，匝数分别为40，60，80，100，150匝，将通孔φ0.3 mm测试信号幅值调至80%时所对应的dB值；表8为漆包线线径为0.2 mm，分别在40，50，60，70匝均匀密绕，通孔φ0.3 mm测试信号幅值调至80%时所对应的dB值；表9为漆包线线径0.3 mm，分别在20，30，40匝均匀密绕，通孔φ0.3 mm测试信号幅值调至80%时所对应的dB值。

表7 不同匝数下对应的dB值(线径0.1 mm) dB

表8 不同匝数下对应的dB值(线径0.2 mm) dB

表9 不同匝数下对应的dB值(线径0.3 mm) dB

2.3 探头制作过程

根据骨架尺寸、线径、匝数以及锆合金管材通孔φ0.3 mm信号幅值变化规律，选择最优骨架尺寸制作涡流探头，φ9 mm管材骨架结构示意如图2所示。

图2 φ9 mm管材骨架结构示意

(1) 锆合金管材对表面要求极高，不能有划伤或划痕，在室温下随季节变化骨架尺寸稳定不变，有一定刚度，且易加工，价格便宜。因此，选用橡胶木或者PA66尼龙作为骨架材料。

(2) 按照图2所示尺寸在数控高精度车床上加工骨架，尺寸精度小于0.05 mm，粗糙度为3.2即可。

(3) 将骨架固定在绕线机上，均匀密绕一个拾取槽，取下骨架，掉方向绕另一拾取槽，取下绕好的骨架，将漆包线线头焊接在接线柱上。

(4) 用电感测试仪测试两线圈的电感，要求差异小于1 μH。

(5) 用胶水固定线圈，并测试电感的变化，直至差异小于1 μH，将骨架接线焊接高频接头，封装涡流探头。

(6) 经测试结果分析，满足公司检测要求，该探头可用于规格为φ9 mm×0.7 mm的锆合金管材的涡流检验。

3 实践应用

用自制的涡流探头对同一批管材进行检测，与购买的探头检测结果相一致(见图3)。

前置电压均为7 V，前置电压放大倍数为30 dB;国产探头后置放大倍数低频50.5 dB,高频54 dB，自制涡流探头后置放大倍数低频45 dB，高频46.5 dB。

用自制外穿式涡流探头和国产探头分别对锆合金管材进行涡流检测，并对产品结果进行对比，自制涡流探头能更好地显现出满屏幅值为15%的缺陷，而购买探头的电噪声为15%左右，检测波幅为20%左右的小缺陷的显示不是很清晰。锆合金管材不同缺陷的涡流检测结果(自制探头)和相应水浸超声检测结果如图4所示。

图3 自制探头与国产探头对同一批管材检测结果

图4 锆合金管材不同缺陷的涡流检测结果(自制探头)和相应水浸超声检测结果

4 结论

(1) 通过分析探头骨架尺寸、线径、匝数及频率对同一缺陷信号的变化规律，确定规格为φ9 mm×0.7 mm锆合金管材所用探头的骨架尺寸。

(2) 从探头骨架尺寸方面考虑，随着拾取线圈槽宽的增加，用同一幅度摇晃管材，抖动信号也在增强，检测频带范围变窄；两个拾取线圈跨距在1.5 mm，具有较高的灵敏度，差动效果较好；填充系数减小导致频带范围变窄，窄频带为较低的频率范围。

(3) 从线圈尺寸方面考虑，在满足检测灵敏度要求的前提下，拾取线圈的厚度增加时，φ0.3 mm通孔信号幅度先增高后降低；随着线径的增大，频带变窄，线径为0.1 mm与线径为0.2 mm的频带较宽；线径为0.2 mm，匝数范围为40～70匝时，以及线径为0.1 mm，匝数范围为70～100匝时，有用信号幅度较高。