金属无损探伤论文

金属无损探伤论文（共3篇）

金属无损探伤论文 篇1

无损检测是一种对被检对象的技术状态展开检测以及判定的综合技术手段, 其基本原理为:在对被检对象的使用性能不造成影响以及损害的基础上, 通过电、光、声等介质的特点, 以物理化学方法为手段, 利用一定的设备及技术, 来展开对被检对象的检测, 能够对其可能存在的不均匀性以及缺陷等情况做出基本的判定、检查以及测试, 并且给出相关的属性信息。无损检测在工业发展中发挥了巨大的推进作用, 在一定意义上甚至能够反映一个国家的工业发展水平, 其重要性不容忽视。

1 无损检测的特点

1.1 全面性。

由于无损检测具有非破坏性特征, 所以检测规模不受零件数量的影响, 可以采用抽样检验也可以进行普检, 而其他检测手段很难做到这一点。

1.2 非破坏性。

在获得检测结果的同时, 除了对不合格产品进行剔除, 对零件的使用性能不造成影响, 所以其也具有非破坏性检测的别称。

1.3 可靠性。

现阶段, 我国无损检测方法的适用范围还不够广阔, 缺乏较强的针对性, 其检测的可靠度以及准确率还需要进行进一步的检验。

1.4 适用性。

破坏性检测一般很难开展全面检测, 检测手段通常是抽样检测, 检测范围相对狭窄, 不具备全面性, 所以检测结论只具有参考意义。而无损检测应用范围较广, 涉及领域众多, 在防治农业病虫害、预防自然灾害、勘探资源、开发新工艺以及研究新材料等方面发挥重要的作用。

1.5 全程性。

破坏性检测通常情况下只针对于原材料, 很少对处于使用期间的在用品以及产品进行检测。而由于具备非破坏性特征, 无损检测一方面能够全程检测原材料到产成品的各个流程, 另一方面还能检测正在投入使用的设备。

1.6 节约生产成本。

无损检测能够在产品的设计以及制造过程中及时的剔除不合格产品, 提高加工环节的有效性以及高效性, 有效地规避质量存在问题的产品的流出, 除此以外, 还能有效地节约能源资源, 提高人员工作效率, 减少生产成本的浪费情况。

2 无损检测应用于电力金属设备的意义

2.1 生产工艺改进。无损检测能够实现从原材料到产成品整个生产流程的全面检测, 能够切实改善生产工艺。

2.2 进行全程控制。

在生产过程中, 利用无损检测能够对生产环节进行全面的控制, 及时的发现工艺环节存在的漏洞, 给工艺的改进给予有效的指导。

2.3 提高产品质量。在对产品进行全面的检测的过程中, 可以准确的剔除质量上存在缺陷的不合格产品, 保障了产品的质量。

3 在电力系统中无损检测的应用方式

3.1 渗透检测。

作为无损检测的方法之一, 渗透检测具有无损检测的基本特点, 是通过渗透剂对零部件进行检测的方法, 能够对被检对象是否存在缺陷进行判定。它对零部件表面的要求非常苛刻, 要求其保持基本的清洁, 不存在涂刷油漆、产生油脂以及铁锈的情况。在零部件表面喷涂具有强渗透性的带荧光以及带色渗透剂, 使渗透剂从表面进去根部。洗去渗透剂后, 接下来在零部件表面涂上显像剂形成一层显像膜, 以吸出渗透剂, 使裂纹显露出来, 从而检测出缺陷的分布状态以及形貌。这种检测方法程序相对复杂, 而且具有较低的灵敏度和较高的检验费用, 检测结果相对直观, 操作较为方便, 检测线使用过后还要处理废液, 废液的排放要求高, 花费的费用较多。由于这种检测方法只能对备件对象的表面开口的缺陷进行检测, 而对于一些表面粗糙以及制成材料为疏松且具有多孔性的工件而言, 就不那么适用, 同时, 它只能对缺陷表面分布进行检验, 检验深度不够, 所以在定量评价存在很大的难度, 检测结果受人为因素的干扰较大。该方法在大多数情况下发挥了一定的辅助作用。

3.2 超声检测。

这种检测方法是利用频段对零部件内外可能存在缺陷的状态进行检测, 其充分的作用的声波震动原理。超声波具有较高的频率, 传播过程中具有较强的直线性, 在固体这种介质中传播具有较快的速度, 除此以外, 极易在界面中发生反射更好地进行缺陷的探测。超声波探头接触到探测对象时, 可以实现超声波的发射和接收, 并通过转换形成电信号进行合理的处理。经过对超声波在不同介质中传播时间以及速度的分析, 可以对缺陷的位置等情况进行有效的判断。缺陷越严重则反射面以及相应的能量更大, 因此可以从反射能量来判定缺陷的基本情况。超声检测相对于其他的无损检测方法来说具有较高的灵敏度, 可以对尺寸较小的缺陷进行精细化的检测, 使用的设备也并不复杂, 检测成本不高, 检测速度快, 同时对人体以及环境不会造成伤害, 使用的限制条件较少, 所以其近年来得到了广泛的应用。然而这种方法也不是十全十美, 也有一些明显的缺点, 例如:对缺陷的判定并不直观形象, 很难进行定量定性的检测, 同时记录以及评价欠缺一定的客观性, 所以在电力系统中应用时受到了很大的制约。

3.3 射线检测。

射线检测是根据电磁波的特性检测金属零部件、检查其内部缺陷的一种方法, 主要包含了中子射线、X射线等。一般而言, 这种检测方法缺乏对裂纹等面积型缺陷的感知, 然而在检测体积型缺陷时却有较高的敏感度。目前射线检测的检测成本较高, 所以一般只是应用于抽样检查以及工艺调整。一旦射线缺乏严格的控制就会给人的生命安全造成严重的威胁, 因此, 在进行射线检测时, 要严格控制其计量范围, 通过有效的屏蔽措施隔绝对人体的伤害, 同时, 也要尽量的减少照射时间, 避免过于靠近射线源, 做好全面的防护措施。射线检测在电力系统中一般只是应用于生产以及维护设备的过程, 其检测对象通常为焊接件以及铸件, 能够实现对被检对象的内部质量的检测。

4 结论

总而言之, 随着科学技术日新月异的发展, 无损检测技术在电力金属设备的检测方面将发挥更大的作用, 通过自身检测监督职能的有效发挥全面的保障产品质量, 节约能源资源, 促进生产效率以及劳动生产率的提高, 实现生产成本的降低, 更好的服务于电力系统。除了应用于电力系统, 无损检测技术在食品加工行业、铁道系统、航空系统等领域也有了更加广泛的应用, 同时取得了令世人瞩目的成就。

参考文献

[1]王磊.无损检测技术在电力系统中的应用探析[J].黑龙江科技信息, 2010 (33) :87.

[2]徐鑫.微波无损检测在金属表面缺陷检测中的应用分析[J].商情, 2012 (44) :293.

[3]栾波.有色金属压力容器的无损检测技术研究[J].科协论坛 (下半月) , 2013 (12) :87-88.

金属无损探伤论文 篇2

无损检测技术作为当前贵重金属检测的重要技术之一, 能够对贵重金属的物理和化学特性进行判断。但当前无损检测技术类型较多, 且不同技术应用下具有不同的优缺点, 若在实际检测中未做好这些缺点的控制, 极易影响最终检测结果。所以做好无损检测技术方法的对比分析工作, 保证无损检测技术的优势得到发挥, 具有十分重要的意义。本文针对无损检测技术在新型贵重金属中的应用进行了研究。

1 新型贵重金属的相关介绍

贵金属本身就具有产量稀少、价格昂贵的特点。从贵金属的元素构成看, 集中表现在金、铂、铱、锇、银、钯、铑以及钌等方面。若从化学元素周期看, 这些元素原子序数分别为76-79、44-47, 界定在第六、第五周期中, 其化学和物理性质上都较为相同。

由于贵金属中较多元素具有相同的外电子层结构, 如金、银与铂等, 物化性质相近, 在热电性、抗腐蚀性等方面具有优势;同时元素催化性能、高温抗氧性、感光性也是这些元素具备的主要特征。从这些贵金属优势特征看, 其对于较多行业领域都比较适用, 如电子工业、石油精炼、化工以及国防等各行业都可将贵金属作为原材料。铂元素中的络合物, 能够起到一定的抗癌作用, 医药领域也在开发研究。除此之外, 首饰制造业中贵金属市场巨大, 如铂、金、银等产品检测市场需求旺盛。需注意的是贵重金属在投入使用前, 应做好质量检测工作, 而实际检测中可应用的技术以无损检测技术为主[1]。

2 贵重金属检测中常见的无损检测技术分析

当前市场中流通贵金属饰品、纪念币、装饰物等具有多样性特征, 人们对这些贵金属物品所用材料判断时, 需引入相应的检测方法。以往检测中采用的方式多以有损检测为主, 其易导致贵金属制成品检测中受到损害。因此, 可考虑将无损检测技术引入其中, 具体有化学方法、电子探针分析法、X射线荧光光谱、密度法等, 不同贵金属适用于不同的方法。

2.1 密度法

密度法又可称为水吊法、静水称重法, 在黄金检测中极为常见。从密度法实现的原理看, 主要以阿基米德定律的为主, 可直接在浸液、空气中放置贵金属, 在此基础上就结合其重量大小, 完成金属密度计算工作, 一般金属成色会随密度增大而愈发明显, 这样便可完成金银成色的判定过程。其中的阿基米德定律, 涉及的参数集中表现在浸液密度、浸液中金属重量、空气中金属重量, 分别对三个参数利用p、M 1与M进行表示, 并利用D表示密度, 则有D=M×p/ (M-M 1) 。假若需对黄金含量进行计算, 可直接将其他参数如杂质含量、金含量以及质量等引入, 便能达到黄金含量计算的目的[2]。

这种测试方法应用中, 操作极为简便, 且无需引入精密仪器设备, 无论在检测原材料或成品方面, 都能满足无损检测要求, 通过实践研究发现, 一般无损检测中, 仅需控制0.3%的测试差, 便可达到测试目标。然而需注意密度法应用中, 也有一定弊端存在, 以首饰的无损检测为例, 若款式以空心形态为主, 此时利用密度法将首饰置于浸液中, 很容易导致就浸液气泡留存在首饰中, 同时难以具体计算杂质含量以及成分配方等。因此, 实际应用中应结合贵金属实际检测要求, 判断密度法是否适用[3]。

2.2 X射线荧光光谱法

对于贵金属无损检测, 现行国内外较为推崇的方法集中表现在X射线荧光光谱法方面。其在应用过程中, 会在样品选定的基础上, 将X射线引入其中, 此时在X射线作用下, 样品内元素将会有次级特征X射线产生, 对于该类型射线可被叫做X射线荧光。事实上, 贵重金属中本身包含不同元素, 这些元素所展现的X射线特征也存在明显差异, 仅需对不同元素X射线特征包括强度、波长等进行分析, 便可完成元素含量的推算过程。从该种方式的优势看, 表现为:①11-92号元素都可被检测, 且贵金属含量测试范围也较大;②测试中无需考虑样品形态问题;③测试效率较高, 过程较为简单;④解决以往测试中成本过高等问题。尽管该方法应用优势较为突出, 但其存在的弊端也不容忽视, 一般如测试层的薄厚、杂质元素的存在的都可能影响测试结果。同时实际检测中, 很容易陷入到一定的误区, 如对“荧光”过分关注, 部分检测人员多会认为, X荧光仪器必须有X光管融入其中, 但事实上仅需保证仪器为X射线激发, 便可作为分析仪。再如检测人员认为分析时间控制在最小范围内, 意味测试效率较高, 但若在测量中测试时间不足, 很难保证测量精度。因此, X射线荧光在应用于贵金属检测中, 极易产生较多误区, 要求做好控制工作[4]。

2.3 电子探针分析法

对于电子探针分析法, 其又可被叫做电子探针X射线显微分析, 可使贵金属中的具体成分被检测出来, 一般在元素分布状态检测、材料组织结构分析中, 这种方法较为适用。从电子探针应用原理看, 其与X射线荧光方法相近, 强调在对样品分析中, 从其X射线方面着手, 结合定量、定性等分析方式, 但区别于X射线荧光, 电子探针利用点电子束取代X射线, 在对样品发生作用后, 便能得到相应的检测结果。通过实践研究发现, 电子探针分析实际应用过程中, 对于确定包金表层金含量、超出3um厚度的镀金以及其他各种类型K金, 都较为适用。具体检测贵金属过程中, 电子探针在优势上集中表现为:①检测过程快速完成, 由于贵金属本身是良导体, 检测中无需考虑到制样问题, 快速获取检测结果;②检测精确度较高, 与其他无损检测技术相比, 电子探针测试中不会产生较大的误差, 检测精度极高;③贵重金属中可能涵盖少量杂质元素, 若检测中忽视对这些杂质元素忽视, 极易影响贵金属的整体性能, 而通过电子探针方法, 其可直接定性与定量分析金属中的杂质物质[5]。

贵重金属检测中电子探针的引入, 也存在一定弊端, 如在贵重金属检测时需保证电子探针仪器可发挥作用。该仪器应用下需投入较高的测试成本, 有相关统计研究发现:若涉及较多测试点, 每点将需要50元左右的测试费用, 这对于商业检测并不适用。而且电子探针应用下强调扫描过程中充分发挥电子束的作用, 但电子束通常难以检测深度较大的材料, 如镀层较厚金属、包金层较厚的材料, 检测中很难对材质含量、成分进行有效检测。再如金属以不规则形态为主或体积过大, 检测中也难以取得良好的效果。另外, 检测中电子探针采用的方式以微区分析方法为主, 最终测定的结果不具备得较强的代表性[6]。

2.4 化学分析法

目前在对黄金、银纯度测量, 以及其他元素如钯、铑与铂等元素纯度测定中, 须引入相应的化学分析方法, 应用过程中可直接将化学试剂引入其中, 对检测对象中的杂质元素进行消除, 并测定元素含量比例。以化学分析法中的灰吹法为例, 其多适用于首饰含金量检测过程中。例如对于不存在铑、铂等物质的样品, 若样品在K金首饰含金量或其他金成分含量上以33.30%~99.95%为主, 灰吹法的应用可起到明显效果。从灰吹法应用原理看, 应用过程中需适量的银融入试样中, 并选取多孔性灰皿作为载体, 将试样放置其中, 在此基础上采取氧化灰吹。检测过程中, 灰皿会吸收其中的杂质以及铅氧化物, 最后剩余的物质将以金银物质为主。此时可利用硝酸, 将金银物质中的银进行溶解, 确保金银得以分离, 仅需做好金重量的称量, 便完成含金量的最终确定。从这种灰吹法应用的相关要求看, 其在优势上极为明显, 以3 3.3 0%~5 0.0 0%含金量为例, 样品检测中灰吹法允许差仅保持为0.05%;再如99.00%~99.95%含金量样品, 灰吹法应用下的允许差为0.0 2%, 充分说明灰吹法测试精度较高。但实际应用中, 灰吹法测试中不足之处表现为:第一, 在含金量测试时, 所选取的样品应做好处理后才可利用灰吹法, 如酸液浸煮、高温煅烧等。第二, 灰吹法测试中, 假若样品以首饰物品为主, 其中的花纹部分、首饰焊点, 在处理时容易受到损害, 这样首饰价值性、装饰性由此受到影响, 对于商业中无损检测难以适用。第三, 灰吹法测试中涉及的工序较为繁琐, 一般需耗费较长的检测时间, 与商业检测中的快速、简便等要求相背离。因此, 贵金属无损检测中, 灰吹法应慎重考虑[7]。

另外化学方法也需以条痕法为主。这种方法实质为半定量检测方法, 一般对于商业检测极为适用。从无损检测中条痕法的应用原理看, 其类似于点滴法试验, 判断酸溶液中不同金属如铂、铜、金、银等元素溶解情况。以金元素为例, 其在酸溶液如盐酸、硫酸与硝酸中都处于不溶状态;再如银元素, 盐酸与硫酸溶液中元素以不溶状态为主, 而在硝酸中能够溶解。这种方法应用下, 对设备要求不高, 而且操作过程较为便捷, 对于金银成色判定可起到明显效果。但实际应用中也存在一定的弊端, 以首饰为例, 条痕法检测中要求进行刻痕, 这样已完成电镀、抛光处理的首饰在外观上会受到破坏, 首饰装饰性由此被破坏。另外, 条痕法应用下, 通常仅局限于半定量分析含金量方面, 最终得到的含量值在精度上难以保障。所以条痕法应用中也有弊端[8]。

3 无损检测方法的对比分析

综合贵重金属检测中应用的无损检测技术, 以密度法为例, 假若金属形状以不规则形态为主, 测试结果准确性将难以得到保证。再如X射线荧光, 其在实际检测过程中会因杂质元素的存在而导致测试结果较大, 所以建议在分析仪选用中以大型为主, 其可使测试结果较为准确。同时, 在具体测试中也可发现, 尽管密度法应用下, 金属在浸液中的残存气泡可被消除, 然而因金属中的杂质含量、成分难以确定, 所以测试效果仍会受到影响。对于X射线荧光, 若分析仪为小型, 由于有较多杂质因素对测试过程进行干扰, 测试进度难以保证, 可考虑结合具体图谱, 将元素固定峰位明确, 在此基础上采取定性分析方法, 对杂质元素情况进行判断, 有利于检测精确度的提高。例如, 一般首饰中包含的镍、铑、锌会以杂质形式呈现出来, 此时对三个杂质元素做好峰位标定工作, 有利于杂质情况的判断。需注意的是假若测试中需消除测试面影响, 则要求综合判断多个测试面, 保证杂质影响情况被有效分析。另外, 若光谱分析仪为大型, 尽管其可使杂质元素干扰问题得以解决, 但要求得其在应用过程中有具体标样作为参考, 若盲目开展测试, 极易导致金属内部基质无法被判断出来[9]。

事实上, 另外几种无损检测技术亦是如此, 在检测过程中会因干扰因素的存在而出现检测盲区, 都难以保证测试结果的可靠。现行国内在金属含金量测试中, 多依托于无损定量分析方式, 其强调在密度法应用下, 将其他无损检测方法引入其中, 如X射线荧光分析、电子探针分析等。且要求在测试过程中引入相应的杂质密度等参数, 可推算出具体的含金量。这种多种方法相互结合的形式, 可使样品包含的元素被有效分析出来, 元素含量可通过定量分析得以确定, 有利于解决无损检测中杂质元素的干扰问题[10]。

4 贵重金属无损检测的相关建议

不同无损检测技术都有一定的优势与不足, 具体建议:

(1) 多种方法联合使用

实际就检测过程中应认识到, 若检测对象为空心饰品, 采用密度法时将会有测试盲区出现。尤其在测试对象包含过多组分时, 计算结果也不准确。所以在检测过程中建议检测技术联合使用, 如电子探针、X射线荧光组合使用, 可解决测试盲区问题, 而且杂质含量也能被有效测定。而在X射线荧光方法应用下, 其在测试中, 影响因素问题集中表现在杂质干扰、测试面选择等问题上, 要求实际应用过程中, 针对存在的杂质干扰问题, 需采取定性分析方式, 确定杂质类型, 在此基础上对杂质含量值进行判定。

(2) 选择主体部分检测

对于测试面问题, 应注意以大而平整面为主, 并对测试面采取反复测试操作, 综合分析每次测试, 最终以平均值定结果。另外使用化学分析方法时, 尽管测试中可取得精确度较高的结果, 但由于测试过程中耗时较长, 容易对金属样品产生一定的破坏, 所以在商业检测中也难以适用。

综合来看, 现行无损检测技术应用下, 对于贵重金属检测所取得的效果差异较为明显, 结合实际测试要求对不同检测技术进行选择[11]。

5 结论

无损检测技术方法是现代新型贵重金属检测的技术保障。实际引入无损检测技术时, 应正确认识贵重金属的化物性能, 慎重选择检测方法, 确保所选择的检测方法优势得到发挥, 不足之处得到控制, 采取相应的较优策略, 这样才可使无损检测技术的目标得以实现。

摘要：随着新型贵重金属的流通, 对金属检测工作也提出更高的要求。在以往检测中, 多以有损检测方式为主, 这易对贵重金属带来不同程度的破坏, 影响其质量性能。为此, 本文提出了密度法、射线荧光光谱法、电子探针分析法和化学分析法等无损检测技术, 进行了比较研究, 并将其运用于贵重金属检测中取得良好效果。本文所提相关建议将对贵金属检测工作有参考意义。

关键词：无损检测技术,新型贵重金属,比较研究

参考文献

[1]韩磊, 门守强.金属无损检测技术仿真软件C O M S O L Multiphysics[J].科技信息, 2014, 03:104-105.

[2]马保全, 周正干.航空航天复合材料结构非接触无损检测技术的进展及发展趋势[J].航空学报, 2014, 07:1787-1803.

[3]周正干, 刘斯明.非线性无损检测技术的研究、应用和发展[J].机械工程学报, 2011, 08:2-11.

[4]刘栓, 赵海超, 顾林, 戴雷, 陈建敏, 余海斌.有机涂层/金属腐蚀无损检测技术研究进展[J].电镀与涂饰, 2014, 22:993-997.

[5]宫宇帝.金属材料焊接中超声无损检测技术的有效应用探析[J].科技创新与应用, 2015, 12:115.

[6]朱卉.浅析水利金属结构的钢焊缝无损检测技术[J].黑龙江科技信息, 2015, 30:112.

[7]闫富荣.金属焊缝的红外无损检测技术的研究[D].天津理工大学, 2011.

[8]李伟锋.基于电磁感应法的地下金属管线无损检测技术的研究[D].哈尔滨理工大学, 2011.

[9]韩红芹.超声无损检测技术在金属材料焊接中的应用研究[D].吉林大学, 2011.

[10]刘斌.涂层下金属腐蚀无损检测技术现状与进展[J].上海涂料, 2012, 05:53-55.

金属无损探伤论文 篇3

电磁成像技术是二十世纪九十年代发展起来的一种基于电磁感应原理的新型计算机成像技术, 它可以同时获取被测物场空间的电导率和磁导率的分布信息。电磁成像兼具了电磁检测和计算机成像的优点, 它不仅具备电磁检测的无接触、非倾入、安全、快速检测等优点[1], 同时其还能通过分时扫描将被测截面以图像形式反应出来。经过十余年的发展, 各国的电磁成像技术发展也陆续进入了应用研究阶段, 如炼钢过程的在线监控、钢板在线探伤、铁轨探伤和生物医学监测等[2,3,4]。

和其他电磁检测技术一样, 电磁成像技术用于工业过程的检测, 传感结构及其系统设计是重要问题。例如, 1993年, 曼彻斯特理工学院的Z.Z.Yu等人设计一种由两列大线圈产生的平行激励磁场[5];1994年, Z.Z.Yu与Peyton等人又设计了一套基于平行场激励模式的电磁层析成像系统。在此基础上, 电磁成像技术用于工业多相流在线监测的研究之中, 先后出现了将近10种不同的传感结构[6,7,8,9,10], 本研究称之为传统电磁成像技术。

电磁成像技术用于金属结构的探伤, 首要问题之一也是传感结构及其系统的设计。传感结构的研究包括传感线圈个数、传感线圈材料、工作频率、分布直径、激励模式等。

传统电磁成像技术中的传感结构中, 传感线圈对称环绕分布在被测对象周围, 笔者将此种传感结构称之为环绕式传感结构, 以此与涡流等传统电磁探伤传感结构区别开来。本研究中的电磁成像金属探伤系统正是采用了此种环绕式结构。对此, 本研究从电磁场理论出发, 利用ANSOFT电磁仿真软件建立了八线圈环绕式传感结构的金属探伤三维模型, 在此基础上对常见的3种激励模式—单激励模式、相邻激励模式和相对激励模式进行仿真分析和比较。仿真分析结果不仅可以为实际传感系统的设计提供指导, 而且电磁仿真过程还可得到某些有关被测对象的定量信息, 如灵敏度矩阵, 而这些信息往往可为后续的图像重建所用[11]。

1 传感结构的选型

1.1 八线圈环绕式传感结构

环绕式的传感结构是指将所有传感线圈均匀放置于同一个圆周的边上。传统的电磁成像系统中的环绕式传感阵列排列方式如图1所示。

Aveior大学研制的多线圈不对称激励系统如图1所示, 整个传感器包括16个绕在铁芯上的线圈和一个磁屏蔽层。多个激励/检测线圈的采用解决了对被测对象的多投影问题而不借助于机械运动。

传感结构阵列的设计中包括3个重要参数:传感线圈个数, 传感线圈材料和工作频率[12], 本研究通过改变线圈个数, 主要研究多线圈环绕式传感结构的不同激励模式的比较。

1.2 八线圈传感结构

受文献[13]的启发, 本研究将传统电磁成像的环绕式传感结构用于金属探伤中。但是, 考虑到系统的空间分辨率的提高和获取更具体更多方位的有关被测物场分布的数据, 且由于电磁成像系统的硬件限制和对数据处理速度要求, 因此, 本研究选择了八线圈的传感器结构, 如图2所示。

图2中, 8个传感线圈依次围绕着被测物体间隔45°放置。每个线圈要求绕线匝数、线圈密度、线圈材质都要相同一致。在绕制过程中, 每隔一定长度, 便要测取线圈的阻抗参数, 同时利用高精度万用表对线圈绕制过程进行不定时的数值测量, 稍有偏差随即修改制作工艺, 尽最大能力获取相同的传感器线圈[14]。

对于八线圈传感结构, 虽然在绕制过程、线圈参数、空间间隔等的制作上增加了设计的难度, 同时增加线圈个数很容易降低整个电磁金属探伤系统的数据处理速度, 但是由于相邻一对线圈的相互作用磁场空间相对于其他低于八线圈的环绕式传感结构 (例如六线圈) 要小, 系统的空间分辨率相对于其他的低线圈数的传感结构高;同时, 每个时刻不只4个检测线圈在采集数据, 这样得到的检测数据量比其他少线圈数的更多。

2 八线圈传感结构的建模仿真

电磁成像系统中检测线圈上的感应电压信号是图像重建数据的来源[15,16], 因此研究者可观察检测线圈感应电压信号以完成对激励模式的比较。

2.1 建模

本研究首先对单线圈激励模式和双线圈激励模式进行三维瞬态场分析。

这里, 假设八线圈传感结构具有3种激励模式:单线圈激励模式, 相邻激励模式和相对激励模式, 在3种激励模式下, 对比分析八线圈传感结构在被测金属板有缺陷时检测端的感应电压信号。

(1) 选择求解器类型。

因为选择时域的仿真计算模式, 选择transient瞬态磁场求解器。

(2) 建立仿真模型。

8个线圈 (顺时钟方向依次为线圈1, 线圈2, 线圈3, 线圈4, 线圈5, 线圈6, 线圈7, 线圈8) 依次围绕着被测物体间隔45°放置并且8个线圈完全相同, 内半径为10 mm, 外半径为15 mm, 高度为15 mm, 线圈下方被测物体尺寸为200 mm×200 mm×19 mm, 在其上为一个60 mm×60 mm×9 mm的缺陷, 线圈的提离高度为10 mm。添加求解域Region, 一般实际工程模型其求解域至少要是所绘模型尺寸的5倍左右为宜[17], 因此此处给出100倍。整个模型如图3所示。

(3) 设定材料的属性。

求解域的属性为真空;8个线圈在实际检测中采用铜漆包线, 材料属性设置为铜copper;被测铝板的材料属性设置为铝制材料aluminum。以上材料均调用maxwell材料库中现有的材料。

具体材料属性设置如表1所示。

2.2 3种激励模式下的仿真比较和比较分析

由于激励信号直接作用于传感器阵列, 激励模式会影响到检测线圈感应信号的测量值质量, 在不同激励模式下, 检测线圈感应信号测量值不同。为了选取最佳的激励模式, 笔者分别对单激励模式、双激励模式下的检测线圈所感应到的感应电压波形进行仿真。

2.2.1 单激励模式

单激励模式是指八线圈绕组以其中一个线圈作为激励线圈, 其余7个线圈作为感应线圈。首先, 在Ansoft仿真软件中添加8个绕组coil1~coil8, 选定coil1为激励线圈, 设置激励信号源为电压激励源, 激励频率为10 k Hz, 周期为100μs, 最大值为10 V。其余7个绕组的激励源为0, 仿真的结束时间为500μs, 时间间隔为1μs, 得到501个数据通过后处理后, 可以得出检测线圈的感应电压信号, 如图4所示。

从图4可以看出, 感应电压信号为毫伏级别, 相对于激励信号非常微弱, 而且与激励线圈相邻的检测线圈coil2感应电压幅值最大, 随着与激励线圈的距离的增大, 检测线圈的感应电压越来越弱;coil2与coil8感应电压信号幅值大小相差不大, 相位相差π, 这是由于coil2与coil8与激励线圈的距离相等, 但是由于线圈的位置不同产生的磁场方向不同, coil3与coil7、coil4与coil6是同样的情况。

2.2.2 相邻激励模式

相邻激励模式是双激励模式的一种, 相邻激励模式是选择两个相邻的线圈作为激励线圈, 其余6个线圈作为检测线圈。选定线圈1和线圈2为激励线圈, 激励信号源与单激励模式相同, 其余6个绕组的激励源为0, 仿真的结束时间为500μs, 时间间隔为1μs, 得到的数据为501个。由于两个激励线圈的激励信号方向相同与相反时, 检测线圈的感应电压信号不同, 激励信号方向相同时, 6个检测线圈的感应电压信号波形如图5所示;激励信号方向相反时, 6个检测线圈的感应电压信号波形如图6所示。

由图5可以看出, 在相邻激励模式下, 激励电压信号方向相同时, 线圈3与线圈8、线圈4与线圈7、线圈5与线圈6这3组线圈的特征具有对称性:每对线圈在同一时刻的感应电压的大小一样方向相反;其中, 第一组线圈的峰值都在185 m V左右, 为3组线圈中的最大峰值, 第二组线圈次之, 第三组线圈的感应电压信号为最弱, 其最大感应电压只有10 m V左右。

由图6可知, 在相邻激励模式下, 激励电压信号方向相反时, 线圈3与线圈8的感应电压信号相同, 线圈4与线圈7的感应电压信号相同, 线圈5和线圈6的感应电压信号相同;最大幅值为线圈3和线圈8所感应到的, 为139 m V左右;最小幅值为线圈5和线圈6所感应到的, 几乎为0。

对比图5和图6, 可以看出激励信号方向相反时, 离激励线圈距离最远的两个线圈coil5和coil6感应电压信号非常微弱, 大小几乎为0;激励信号方向相同时, coil4~coil7的感应电压信号均强于激励信号相反时。所以, 应将两个激励线圈的激励方向设定为同向。

2.2.3 相对激励模式

相对激励模式是选择相对位置的两个线圈作为激励线圈, 其余6个线圈作为检测线圈。选定线圈1和线圈5为激励线圈, 每个激励线圈的激励信号源与单激励模式相同。与相邻激励模式类似, 相对激励模式也通过两个线圈的激励电压信号的方向的相同和相反分别求解出6个检测线圈的感应电压信号波形如图7、图8所示。

由图7可以看出, 在相对激励模式下, 两线圈激励电压信号方向相同时, 与激励线圈相邻的检测线圈coil8感应电压幅值最大, 为340 m V左右, 随着与激励线圈的距离的增大, 检测线圈的感应电压越来越弱;coil2和coil4的感应电压信号波形重合, 且与coil8感应电压信号幅值大小相差不大, 相位相差π;coil3和coil7的感应电压信号幅值为最小, 为70 m V左右。

由图8可以看出, 在相对激励模式下, 两线圈激励电压信号方向相反时, 与激励线圈相邻的检测线圈coil8感应电压幅值最大, 为315 m V左右;coil2与coil8感应电压信号幅值相差不大, 相位相差180°, coil4与coil6类似;coil3和coil7的感应电压信号幅值几乎为0。

对比图7和图8, 在相对激励模式下, 基于相邻激励模式下类似的原因, 此处也将两个激励线圈的激励信号方向设定为同向。

2.3 3种激励模式下的对比分析

对比图4和图5可以得出, 相比较单激励模式, 相邻激励模式下远离激励线圈的检测线圈感应电压信号更强, 这样更有利于获取各个检测线圈的感应电压信号, 从而获取各个方位的采样数据, 所以相邻激励方式优于单激励模式。

对比图5和图7可以得出, 对于检测线圈coil3的感应电压信号幅值, 虽然在相对激励模式下比在相邻激励模式下要小很多, 但是前者除了coil3之外的线圈的感应电压信号幅值都远远大于后者, 所以在激励信号同方向的情况下, 相对激励模式优于相邻激励模式。

综上所述, 通过比较分析3种激励模式, 得出激励信号同方向的相对激励模式下的被测数据幅值明显, 覆盖范围最大, 测量最有优势, 有利于采集到多方位的检测数据, 最适合于八线圈的电磁成像金属探伤系统。

3 结束语

传感结构的设计和激励模式的选取问题都是电磁成像金属探伤系统中的重要问题。

本研究设计了八线圈的环绕式结构传感器, 采用Ansoft Maxwell软件建立了其三维仿真模型, 并在3种不同的激励模式下, 仿真了八线圈传感器的检测端的感应电压信号并进行了对比和分析。通过仿真结果的比较可知, 激励信号同方向的相对激励模式下, 检测信号更强且检测最有优势。因此, 激励信号同方向的相对激励模式是一种适合于八线圈环绕式传感结构的激励模式, 这为实际系统的构建提供了基础。

本文引用格式:

李玉川, 何敏.电磁成像金属探伤传感结构激励模式的仿真研究[J].机电工程, 2014, 31 (7) :828-832.