基于涡流检测方法的焊缝疲劳监测系统的设计研究

2021-04-03朱胜君丁小九李国忠许晓红周月林

中国设备工程 2021年20期

关键词：涡流磁场线圈

朱胜君，丁小九，李国忠，许晓红，周月林

（中信泰富特钢集团股份有限公司兴澄特钢，江苏江阴 214400）

工业管道主要是通过焊接方式所进行连接的，其长期处在外部环境中容易出现裂缝的问题，焊缝断裂情况的出现影响装置停车，且造成企业的经济损失，严重情况下会危害到人们的生命安全，为此应当对工业管理出现的焊缝进行疲劳监测，能有效减少事故的发生。

1 涡流检测基本理论

1.1 涡流检测的原理

涡流测试是一系列电磁检测。这是一种基于电磁感应现象的非破坏性测试方法。它仅适用于电磁感应线圈上方的导电材料和金属导体，并且它们彼此接触。当线圈通过时，AC I1将在线圈周围产生交流磁场。由于存在交替磁场，它将在金属导体表面上产生电流I2，称为涡电流。有许多相关因素：交流电I1的强度，电磁频率，电导率，磁通量，距线圈到金属表面的距离，电磁线圈的质量等。

1.2 阻抗平面分析法

在检测涡流过程中的检测信号主要是来自线圈的阻抗变化或次级线圈的感应电压变化，而会影响阻抗和电压变化的因素很多，如导电性、磁导率和电压变化导体材料等，且每个因素的影响程度不尽相同，为可以从这些因素中提取有价值的检测信息，涡流检测设备必须具有传感信号和消除干扰阻抗平面分析的手段和方法，它使涡流检测的精度大幅提高，该项技术发展迅猛。在涡流测试中，测试线圈和物体之间的电感耦合关系可以被视为它们之间的结合关系。由线圈检测的对象被视为主要对象线圈。输入和分析了初级电流测试终级线圈与测试线圈的电磁参数关系。阻抗线圈分析是必要的。理想线圈的阻抗应该是电感，而线圈的电阻应该是电阻，但实际上，线圈由线组成，因此电线的电阻范围非常宽，并且在不同的线圈之间存在分布式电容。因此，实际上，线圈的阻抗应由电感，电容和串联电阻组成，在两个线圈彼此耦合时，当初级线圈与AC电流I1和电压U连接时，次级线圈根据电磁感应原理产生感应电流，并且感应电流依次影响终级线圈。是的，初级侧和电压线圈电感之间的电流反映了二级线圈电路的阻抗和初级线圈在线圈电路上的效果。当初级线圈连接到初级线圈时，终级线圈与终级线圈连接，并且于终级线圈产生感应电流。使用信号时，感应电流将影响二级线圈。阻抗的变化可以通过分析由互激引起的阻抗的变化，初级线圈由电路中的电压、电流和阻抗的变化来获得。正弦曲线的位置与初级线圈本身的阻抗有关。初级线圈的每个阻抗值是不同的，或者耦合系数不具有相同的两个线圈。即使激发频率是不同的，也有一个具有不同波峰和点位置的交变曲线。在阻抗后，它返回在第一变换后，主要曲线是线圈阻抗和线圈激发频率对阻抗位置的影响的振动曲线，这大大促进了各种情况下阻抗波动曲线的分析。

2 影响涡流检测的因素

在实际的涡流检测过程中，其关键问题主要是对检测线圈的阻抗进行分析，对检测线圈的关键是对检测线圈磁场变化的分析，而磁场的变化会对检测线圈进行现场影响以及各种干扰，如导电性、磁导率、测试材料的阻抗等。比如，设备稳定性和各种噪声信号，更有效，更可靠，电导率变化对阻抗的影响主要是由于有效透射率的影响。阻抗值的位置仅位于曲线上。因此，当其他检测条件不变时，材料电导率的变化将影响测量阻抗值。线圈沿阻尼曲线变化，获得不同的信号。当前导电性的增加，线圈的阻抗值根据该特性沿阻抗曲线向上移动，涡流检测速率测量和金属材料分类可用于测量材料的导电性。涡流检测是基于电磁感应原理的一种测试方法，因此测试信号将受到磁导率的影响，涡流测试主要集中于金属材料，金属材料一般分为铁磁材料和非铁磁材料。铁磁材料的实际值主要取决于外磁场的大小。在测试高磁导率材料时，磁场变化小产生的噪声大，因此，需要大量的低噪声磁饱和器件实现恒定磁，降低测试结果的噪声透射率。对于未使用的测试部件，有不同的检测方案，通常使用放置在测试板上的探针零件。测试圆柱形材料时，线圈阻抗的变化主要取决于试件的直径或电阻试件二次直径的变化不仅影响有效载荷的变化磁导率的大小，还会影响填充系数，从而偏移阻抗曲线，综合的结果就是线圈阻抗曲线会在系统中发生变化，这使得阻抗的磁导率很难通过半径或线圈的变化来区分圆柱形试件的变化。在检测涡流过程中的电磁感应线圈工作频率的选择有着十分重要的意义。电磁频率对试验结果的影响主要表现在两个方面，主要影响涡流传感器的灵敏度和材料的类型。因此，有必要选择电磁频率，电磁频率应根据不同的试验要求确定。

3 涡流探头设计

在设计涡流传感器时，通常是根据具体的测量结果设计一个特定的传感器对象。根据涡流检测原理，涡流传感器通过检测反映感应磁场的变化信号，灵敏度在传感器的设计中，线性范围在涡流监测系统的设计中，最重要的是检测劳累了，所以传感器的灵敏度成为涡流检测的重要因素，设计中为可以提高涡流传感器的灵敏度，有必要测量磁场变化的敏感分量。为可以提高涡流传感器的灵敏度，需要一个敏感元件来测量磁场的变化基于字段对不同的物理效应，有多种磁场检测方法元素。当前涡流检测中最常用的磁场测量元件是传感器线圈类型和霍尔元件类型根据霍尔效应原理，设计了基于霍尔元件的磁场传感元件。霍尔元件型霍尔效应是指当电流通过导体并垂直于外加磁场时，会产生垂直于磁场端部的电位差表面之间当前端的其他两个端面。

3.1 探头的设计方法

以检测的物理条件为例，根据技术要求和检测环境（具体形状和尺寸）确定检测线圈和电磁线圈的应用线圈。线圈形状、尺寸（轴向高度、内径、外径）、截面参数等。涡流探头的设计方法主要包括实验设计法、数值设计法与解析设计法。在涡流探头的早期设计中，由于计算机软件的开发限制和涡流理论的缺陷，实验经验也是在摸索中，这通常以这种形式使用。这种方法需要很多研究。实验后，数据大，重复校正，涡度可靠。

3.2 涡流检测探头结构形式

在涡流检测系统的设计中，有必要明确其工作原理结构。这个选择主要取决于测试对象和环境。在为可以适应各种形状和尺寸的试验要求、材料的要求，必须正确选择探头结构。各种各样的涡流探头线圈也可称为涡流线圈，主要用于检测杆件表面、靠近杆件表面或内表面以及管道的缺陷。该线圈可以设计得非常小。通过在线圈中间添加磁芯，可以有效地克服由小线圈直径引起的磁场强度的影响，并且还可以发挥聚焦磁场的目的。因此，它具有高的检测灵敏度。内通过线圈主要用于检测管道的内部缺陷，或检测深孔，厚壁和小直径测量管的表面质量。因为内通过线圈插入管孔中，所以线圈尺寸参数通常根据物体孔径的尺寸确定。在涡流检测中，需要在试件上产生交变磁场，这就要求对试件采用激励线圈。因此可以检测磁场中涡流的变化，线圈必须的励磁线圈和测量线圈可以是两个或一个，即励磁线圈和试验线圈。如果线圈功能没有区别，测量线圈和励磁线可以从所有线圈中分离出来作为检测基于线圈在不同的电气连接方式或绕组方式下，检测线圈有两种：绝对式和差动式第二种不同的连接方式决定了不同的检测性能，两个检测线圈相反在一起，并且差动线圈也可以分为根据两个检测线圈的放电装置的标准比较式和自比较式。标准比较式是两个，根据放电装置，两个检测线圈，标准比较型是两种，并且存在反向检测差动线圈的两个检测线圈，或者可以分为自比较式，并且是根据两个检测线圈/U003E设计的比较标准两个放电装置。设计参数全部以反向连接的形式连接，两个检测轴一般不重叠，主要是检测到的物体的表面形状，然后将两个检测线圈连接到检测工件，标准测试部件，如果没有信号输出，标准测试差部和工件表面。