基于電渦流傳感器的油罐車內部缺陷檢測

唐高峰,萬 舟,劉東生,陳主恩

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院,昆明 650000)

基于電渦流傳感器的油罐車內部缺陷檢測

唐高峰,萬 舟,劉東生,陳主恩

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院,昆明 650000)

設計了一種專門用于油罐車內部缺陷檢測的電渦流傳感器，研究了傳感器的結構，建立了傳感器的數學模型，并對傳感器封裝方法進行了分析，最后進行了系統測試。結果表明：該傳感器可以實現無損檢測，并且能安全有效地檢測出油罐車的損壞情況，其靈敏系數為1 125.63 mV/mm，且操作簡單，檢測速率快。

電渦流；傳感器；油罐車；內部缺陷檢測

油罐車是石油極其衍生品運輸的主要工具，79%油品通過油罐車運輸[1]，在經濟發展中起著重要作用。儲油罐金屬結構的腐蝕及由此造成的泄漏會嚴重影響油罐車的安全運輸，因此，對儲油罐的內部缺陷進行深入研究并提出新的檢測方法顯得非常重要。

當前，油罐車內部缺陷檢測最常用的方法是超聲波檢測和漏磁法。超聲波檢測需要用到耦合劑，而耦合劑會污染環境；漏磁檢測設備昂貴[2]，因此采用漏磁法時檢測成本較高。本工作針對目前國內油罐車內部缺陷檢測方法的不足，設計了一種能安全有效地檢出油罐車罐體損壞程度的電渦流傳感器，建立了傳感器的數學模型，并對傳感器封裝方法進行了分析，最后進行了系統測試。與傳統的傳感器相比，本設計安全可靠，制作成本低，靈敏度高，適用于各種罐體。

1 傳感器結構

電渦流傳感器的核心部分是傳感器，其結構如圖1所示。

圖1 傳感器的結構Fig. 1 The structure of sensor

由圖1可見，傳感器主要是由激勵線圈、檢測線圈、磁芯、渦流檢測探頭外殼4個部分組成。傳感器內置的激勵線圈產生交變磁場，通過檢測線圈檢測渦流對磁場的變化，即根據檢測線圈阻抗的變化檢測油罐車內部金屬板的參數和缺陷程度[3]。

油罐車是一種特殊設備，在傳感器設計時應將其安全問題作為第一要素，靈敏度作為第二要素。為保證渦流傳感器在工作中安全運行，采用不銹鋼作為傳感器外殼的材料，并在傳感器頭組裝完畢后對其進行密封。線圈產生的磁場分布對渦流傳感器的靈敏度和線性度起決定作用，需建立靈敏度與磁場分布函數的關系。

1.1 激勵線圈和檢測線圈的位置分布

根據H.R.Loos的渦流簡化模型，被測導體中的渦流場可以用等效渦流環表示[4],如圖2所示。若激勵線圈外半徑為r,渦流標準滲透深度為δ0,則該等效渦流環徑向寬度a為0.501 189r,中心半徑r0為1.133 83r,深度b為渦流標準滲透深度δ0。導體中離線圈中心軸徑向距離為r0處的電渦流密度J0，r0見式(1)。

(1)

(2)

金屬表面的渦流沿徑向分布規律為:在渦流環中心(r=0)處，渦流密度為0；渦流密度隨r的增大而增大,并在對應激勵線圈外徑附近達到最大值；然后隨著r的增大逐漸減小直至趨于0。

圖2 等效渦流環示意圖Fig. 2 Schematic of equivalent eddy current ring

根據線圈差動式接法的特點[5]，可以將檢測線圈分別置于渦流環中心的兩側,其位置應靠近激勵線圈，如圖1所示。

1.2 檢測線圈軸向磁場分布模型

依據畢奧-薩伐爾原理[6]，建立了矩形渦流傳感器軸線中心處磁場強度與矩形檢測線圈邊長比的數學模型。建立模型時，需先計算出矩形渦流傳感器的最佳邊長比，再根據計算得到的最佳邊長比確定檢測線圈橫截面尺寸。

設矩形檢測線圈的內圈邊長為2a和2b，徑向厚度為e，則矩形檢測線圈的外圈邊長分別為2(a+e)，2(b+e)。檢測線圈軸向厚度為H，檢測線圈的端面到被測體表面的距離為h，如圖3所示。

圖3 矩形檢測線圈尺寸 Fig. 3 Sizes of rectangular test coil

1.2.1 單層矩形檢測線圈軸線上的磁感強度

將矩形檢測線圈看作由N匝徑向厚度為e的線圈疊加而成，且線圈的線徑在線圈軸方向無限小[7]。檢測線圈簡化的目的是為了建立合適的數學模型。

圖4為矩形檢測線圈最里層的一匝線圈元，其中P點為線圈元中心對稱軸線上任一點，檢測線圈的中心為O，P點到線圈元中心的距離為x。檢測線圈四條邊對P點所產生的磁感強度分別為B1,B2,B3和B4，故P點產生的磁感應強度為B1,B2,B3和B4之和。

圖4 單匝矩形檢測線圈對P點產生的磁感強度Fig. 4 The magnetic induction intensity at the point P produced by single turn rectangular coil

依據畢奧-薩伐爾原理可知,磁感強度的表達式如式(3)所示。

(3)

(4)

式中：μ0是真空磁導率；J為電流密度；θ，θ1，θ2為圖4中所示的夾角。

當通過電流I時，電流密度為

(5)

式中：N為單層矩形檢測線圈的纏繞匝數。

取矩形邊長比m為

(6)

則

(7)

由此可得出P點的磁感應強度B為：

(8)

1.2.2 簡化目標函數

由式(8)可獲得矩形檢測線圈靈敏度與線圈軸向厚度H、線圈內邊長2a和2b、線圈端面到被測體的距離h、線圈徑向厚度e、線圈匝數N等因素有關。所以矩形線圈軸線上P點產生的磁感強度為：

(9)

本工作僅分析了矩形線圈橫截面的面積S對傳感器性能的影響。邊長中a和b的變化只與e有關,所以目標函數表達式可以轉換為

(10)

式中：f(e)可看作是關于e的函數。當e相同時，可將f(e)視為常量。

取H為10 mm，e為1 mm，a分別為1，2，3,4 mm，用式(10)模擬不同線圈橫截面面積下，單層線圈的靈敏度、線性度、線性范圍之間的關系，結果如圖5所示。

由圖5可見：在m值相同時,線圈的靈敏度與矩形線圈橫截面面積成反比，即矩形線圈的橫截面積越小，傳感器的靈敏度越高，線性范圍也越小；當某條邊長為定值時，m越小，靈敏度越高，當m逐漸趨近于1時，線性范圍以及線性度的變化趨勢越來越明顯，但靈敏度減小的趨勢也越來明顯。

綜合考慮線性范圍、線圈的靈敏度、檢測線圈和激勵線圈的排布等因素，選取尺寸較大的線圈為激勵線圈，為了擴大其檢測范圍和滲透深度，選擇尺寸較小的線圈作為檢測線圈。由于油罐車罐體的尺寸太大，將其網格劃分成了許多塊20 mm×20 mm×5 mm的碳鋼板，因此檢測滲透深度為5 mm，根據以往的經驗，渦流傳感器的線性范圍一般為激勵線圈外徑的1/5～1/3[8]，故推斷激勵線圈外徑約為60～100 mm,激勵線圈稍大些，檢測線圈小些即可。由此得到：激勵線圈的外徑為100 mm，內徑為60 mm，厚度為10 mm；檢測線圈的徑向厚度為4 mm，邊長分別為20 mm和11 mm，厚度為1 mm。

1.2.3 激勵頻率的確定

被測對象為平板型材料時，可以通過計算得到渦流滲透深度、特征頻率fg與激勵頻率之間的關系，據此找到合適激勵頻率。

被測試件為碳鋼，對于放置式線圈來說，被測對象的特征頻率見式(11)[9]。

(11)

式中：σ為電導率，取9.6×106S/m；μr為試件的相對磁導率，取1 H/m；rb是檢測線圈外半徑，取10 mm；

根據式(11)計算得，fg等于68.8 Hz。

本設計主要是用來檢測油罐車內壁缺陷的，該傳感器的激勵頻率范圍f為fg的4～20倍[10]，為275～1 376 Hz。

根據式(12)所示的滲透深度公式計算得到f為1 056.5 Hz，綜合特征頻率比值，取f為1 100 Hz。

a=1 mm a=2 mm

a=3 mm a=4 mm圖5 線圈幾何參數對靈敏度和性能范圍的影響Fig. 5 Influences of coil geometry parameters on the sensitivity and performance range

(12)

1.3 線徑和匝數的確定

每個激勵頻率都對應存在一個最合適的導線線徑[11]，因此可以依據激勵頻率來選擇導線線經，而導線線經是線圈匝數和軸向厚度選擇的依據。

試驗表明,在1 100 Hz的檢測頻率下,激勵線圈導線的最佳線徑為0.40～0.50 mm，檢測線圈導線的最佳線徑為0.05～0.08 mm。線圈匝數可根據式(13)，式(14)計算。

(13)

(14)

式中：ε是線圈槽滿率，線圈截面是圓形不可能填滿繞槽時，一般取0.7；s為導線的橫截面面積。

本設計中S取400 mm2，當導線的線徑為0.45 mm時,計算得到線圈的匝數為1 760匝。因為線圈各匝之間有間隔，且導線外部有漆膜，實際導線線徑大于0.45 mm，因此只能繞1 500匝左右。同理，檢測線圈導線的線徑為0.055 mm，可繞1 330匝。

1.4 探頭的骨架和外殼設計

為了保證電渦流傳感器的穩定工作，需要固定各線圈的位置。根據激勵線圈的幾何尺寸設計了線圈骨架，如圖6所示。線圈骨架外徑100 mm,寬度12 mm,中間為直徑58 mm的通孔,繞線槽寬度為10 mm，內徑為60 cm,槽壁上有1 mm寬的開口,起始線由此口進入。根據線圈和骨架的大小,外殼需要設計成直徑為110 mm,高36 mm的圓筒,然后在圓桶的頂端開直徑1 mm的小孔來引出電纜線。組裝好的傳感器頭需用夾具固定,堵住電纜線接出孔,用配制好的環氧樹脂膠灌滿換能器殼體內空間,使其密封。最后將凝固后的渦流檢測探頭與工件接觸面加工成所需弧形曲面。

2 傳感器系統測試

2.1 渦流檢測試驗臺搭建

電渦流傳感器檢測系統主要包括線圈探頭、外圍電路以及數據采集和計算機部分，其中外圍電路包括功率放大電路、正弦激勵信號源以及輸出信號檢測電路。設計橋式線圈探頭用來感應輸出信號。線圈探頭需要在加工有缺陷的弧形鋼板(模擬受腐蝕的油罐壁)上進行試驗。渦流檢測裝置如圖7所示。

渦流檢測系統的工作原理是：激勵信號源產生正弦交變信號，通過功率放大器放大后，施加到差動式線圈探頭上，使被測弧形鋼板產生電渦流，然后使線圈探頭在鋼板外表面水平方向勻速移動，在鋼板內表面用矩形溝槽模擬油罐車內部缺陷；通過橋式線圈探頭感應輸出信號，經檢測電路將信號輸出，數據采集部分將輸出信號傳到示波器中，并將輸出信號在示波器中顯示出來。

(a) 探討骨架

(b) 外殼結構圖6 探頭骨架和外殼結構圖(單位：mm)Fig. 6 Schematic of probe skeleton (a) and shell structure (b) (unit：mm)

圖7 渦流檢測試驗裝置示意圖Fig. 7 Schematic diagram of equipment for eddy current detection

2.2 調理電路

電渦流傳感器在工作時產生的輸出信號微弱，很難在示波器上顯示出來，因此必須對輸出信號進行放大處理。但是將輸出信號放大的同時，干擾信號也得到了放大，這就導致信號在處理過程中摻雜了很多干擾信號，對處理結果產生了一定影響，為了盡可能減少干擾信號的影響，在信號處理過程中濾波電路是不可缺少的。因此設計了反相放大濾波電路，如圖8所示。

圖8 反相放大濾波電路Fig. 8 Inverting amplifier and filter circuit

經反相放大濾波電路處理后，信號得到了很大的改善，達到了試驗要求，如圖9所示。

2.3 數據采集與分析

為建立檢測試件內部缺陷深度與渦流檢測信號幅值的關系,設計并加工了渦流檢測試件：在厚度為4.982 mm的弧形碳鋼板內側切割9個細槽作為缺陷, 缺陷寬度均為0.21 mm，缺陷深度為0.339～3.598 mm。這幾組數據是油罐車腐蝕程度中的代表，對其進行試驗具有一定的現實價值。經測試得到鋼板內部缺陷深度，結果如表1所示。

(a) 輸入波形 (b) 輸出波形圖9 反相放大濾波電路的輸入波形和輸出波形對比Fig. 9 Comparison of input waveform (a) and output waveform (b) of the inverting amplifier circuit

表1 檢測信號幅值與缺陷深度的關系及其誤差Tab. 1 Relationship of detecting signal amplitude with defect depth and errors

由于傳感器使用中存在一些干擾因素,造成渦流檢測信號幅值不平穩，因此對每一個缺陷信號取3次測量的平均值作為檢測結果，詳見表1。

由表1可以看到，隨著內部缺陷深度的增加(弧形鋼板變薄)，檢測信號的幅值逐步增大。以缺陷深度為橫坐標,檢測信號幅值為縱坐標,進行曲線擬合(圖略)，得到缺陷深度與信號幅值的關系,如式(15)所示。

(15)

試驗結果表明，傳感器能有效檢測出深度大于0.42 mm的缺陷。缺陷深度的計算值與實測值誤差較小,考慮到各種誤差的影響,可以認為此關系式正確。

2.4 傳感器的標定

靈敏度是指在穩態工作情況下傳感器輸出變量Δy和輸入變量Δx的比值。根據表1可計算出傳感器的靈敏系數為1 125.63 mV/mm。

3 結論

設計了一種專門用于油罐車內部缺陷檢測的便攜式電渦流傳感器。經研究得到了傳感器數學模型和設計結構，并進行了試驗測試。結果表明，本設計中的傳感器能實現無損檢測，并能安全有效地測出油罐車的內部缺陷程度，該傳感器的靈敏系數為1 125.63 mV/mm。所設計的傳感器在靈敏度、安全性能以及成本上具有一定的優勢。

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Detection of Internal Defects in Oil Tankers Based on Eddy Current Sensor

TANG Gao-feng, WAN Zhou, LIU Dong-sheng, CHEN Zhu-en

(School of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650000, China)

An electric eddy current sensor used for the detection of internal defects in oil tankers was design. The structure of the sensor was studied, the mathematical model of the sensor was established, and the packaging method of the sensor was analyzed. Finally, system testing was carried out. The results show that the sensor can realize nondestructive detection, and can detect the damage of oil tanks safely and effectively. The sensor had the sensitivity coefficient of 1 125.63 mV/mm with the advantages of simple operation and fast detection speed.

eddy current; sensor; oil tanker; internal defect detection

10.11973/fsyfh-201704015

2015-11-10

萬 舟(1960-)，副教授，碩士，從事新型傳感器研究，13013358588，ynkgwz@aliyun.com

TG174

B

1005-748X(2017)04-0316-06