銅桿線渦流無損探頭校準系統的設計

謝衛民/江西銅業股份有限公司

0 引言

渦流探傷是銅桿線在線生產過程中進行質量監控的主要手段[1，2]，探傷系統檢測準確程度對生產銅桿線的質量有直接影響。渦流無損探傷系統一般由渦流探傷儀、渦流無損探頭、記錄裝置、傳動裝置及磁飽和裝置等組成，其中渦流無損探頭作為系統的核心檢測器件，必須有一套測試系統對其進行定期校準，方能保證渦流探傷系統的正常使用。

1 渦流探傷原理

1.1 渦流探傷

渦流的產生源于一種叫做電磁感應的現象( 圖1)。當將交流電施加到銅導線上時，磁場將在導體內和環繞導體的空間內產生磁場。渦流就是感應產生的電流，它在一個環路中流動。如果將一個銅桿放入該變化的磁場中，渦流將在銅桿中產生，而渦流也會產生自己的磁場，該磁場隨著交流電流上升而擴張，隨著交流電流減小而消隱。因此當銅桿表面或近表面出現缺陷或測量金屬材料的一些性質發生變化時，將影響到渦流的強度和分布。可以通過檢測渦流的變化情況，間接地知道銅桿內部缺陷的存在及金屬性能是否發生了變化。

圖1 渦流產生示意圖

1.2 銅桿線渦流探傷[3，4]

銅桿線在線渦流探傷采用穿過式測試探頭，它通過探頭測得的信號變化，經信號處理系統，獲得銅桿線中瑕疵的信息。銅桿線渦流探傷原理如圖2所示。

圖2 銅桿線渦流探傷原理

渦流探傷的核心器件是渦流無損探頭。當穿過的銅桿存在孔、裂縫等缺陷時，在激勵信號(Excitation coil)作用下，接收線圈(Receiver coil)的信號就會發生畸變。通過分析信號畸變的幅值和相位，就能得到缺陷的大小和類型。渦流探頭包含了激勵線圈和接收線圈。激勵線圈用于產生一定頻率的正弦激勵信號，接收線圈用于接收銅桿感應產生的電信號。

接收線圈的電信號通過配套渦流探傷儀進行幅值和相位分析，進行顯示或輸出。

2 在線式銅桿線渦流測試系統

由渦流傳感器探頭（以下簡稱探頭）、屏蔽連接線、EZ2.828型探測儀、配套計算機和打印機組成（圖 3）。

圖3 在線式銅桿線渦流檢測系統組成

在線式銅桿線渦流檢測系統的探頭（圖4）具有較廣速度范圍檢測分析數據能力。在渦流檢測中,檢測速度與探傷信號有直接關系。在檢測速度首先確定的情況下, 檢測準確度主要取決于渦流探傷儀濾波器的頻率、試件的幾何尺寸、檢測線圈及缺陷的狀況等。

3 校準系統設計思路[5，6]

根據銅桿線生產和質量的要求，模擬生產現場在線無損探傷儀的運行狀態設計渦流無損探頭校準測試裝置，其結構為直線運行式。根據實際銅桿線傷類型制作人工標準樣桿，作為檢測的參照標準件。人工標準樣桿和探頭在驅動裝置作用下以固定運動速度做相對直線運動，采集探測信號，分析信號結果與人工標準樣桿比對，得到渦流探傷探頭一致性和靈敏度。系統簡圖如圖5所示。

1）驅動部分

驅動部分實現人工標準樣桿以固定速度做直線運動，采用凸輪旋轉帶動擺桿動作，使得推輪推動樣桿動作，樣桿按慣性在直線導軌上滑動。電機采用變頻電機，變頻范圍20～200 Hz，功率為32 kW。

2）離合部分

由于加速部分需要在電機帶動慣性盤運行到設定速度時高速切換到擺桿位置，需要通過離合部分實現，借用汽車離合器機構，加上離合驅動氣缸和控制閥實現。

3）直線滑動部分

直線滑動部分為完成導軌安放和直線運動提供支撐。采用滑動系數極小的進口直線導軌，固定人工標準樣桿的導座與直線導軌間在直線滑動期間速度下降幅度小于2%。

4）緩沖機構部分

該部分實現滑座和人工標準樣桿部分直線運動的停止。采用兩級緩沖機構，第一級為緩沖橡膠實現高速到低速緩沖，第二級配合液壓緩沖器，實現樣桿完全停止。

4 結語

校準測試系統經多次試驗證明具有較高的可靠性。系統工作時，通過人工標準樣桿模擬在線實時生產狀態，可確定銅桿線大傷、中傷、小傷。其表面傷檢出率為：大傷平均檢出率≥95%、中傷平均檢出率≥90%、小傷平均檢出率≥80%。系統穩定速度的自由勻速滑行執行機構能夠很好地滿足渦流無損探頭動態校準要求，具有一定的推廣價值。

圖5 校準系統結構圖

[1]任吉林, 林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學出版社, 2008.

[2]廉紀祥, 沈躍.無氧銅桿的在線渦流檢測[J].無損探傷, 2003,27(6): 42-43.

[3]Peng Xu, SonglingHuang, WeiZhao.A new differential eddy current testing sensor used for detecting crack extension direction[J].NDT&E International, 2011, 44: 339-343.

[4]Theodoros Theodoulidis.Developments in efficiently modelling eddy current testing of narrow cracks[J].NDT&E International, 2010, 43:591-598.

[5]徐紅偉, 張科紅, 孫堅, 徐景紅.8mm銅桿穿過式渦流探頭校準方法研究[J].無損檢檢, 2010, 32(2), 116-118.

[6]Yoshimi Hatsukade, Shinya Okuno, Kazuaki Mori, and Saburo Tanaka.Eddy-Current-Based SQUID-NDE for Detection of Surface Flaws on Copper Tubes[J].IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, 2007, 17(2): 780-783.