自制外穿式渦流探頭

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(國核鋯業股份有限公司，寶雞 721013)

目前，公司對鋯管采用的渦流檢測方法為穿過式，不同規格的成品管材對應不同規格的渦流探頭，而探頭的采購周期為1～3個月，由于探頭的質量不能保證，使得采購周期更長，嚴重影響生產進度。因此，有必要開展渦流探頭的研制工作，制作高靈敏度、低噪聲、短盲區的渦流檢測探頭，以解決采購周期長的問題。

1 渦流檢測原理

渦流檢測的原理是通過信號發生器(音頻振蕩器)給線圈施加交變電流，激勵線圈在附近空間感生出交變磁場，管材在交變的磁場中感生出渦電流。如果管材有缺陷，那么穿過缺陷處橫截面的磁通鏈數目發生改變，接收線圈的阻抗也會相應發生變化，由于拾取線圈是反向連接的兩個線圈，輸出阻抗軌跡依次是反向信號。在雙線圈中，每個檢測線圈既充當激勵線圈，又充當拾取線圈，受檢測管材一直處在兩個檢測線圈的動態平衡交變磁場中，通過測試其阻抗的變化即可確定有無缺陷存在[1-3]。

2 試驗過程

首先，通過理論計算出該管材所需的檢測頻率，并由檢測頻率與設備輸入阻抗估算出所需的電感，選用一定規格匝數和長度的漆包線；然后，用相同的漆包線逐一密繞在不同骨架上，保存各個頻率參數的結果，從中選取效果較為理想的骨架尺寸；最后，在選取的骨架上用不同規格、不同匝數的漆包線逐一密繞在同一骨架上，并保存每一種頻率的檢測結果，對比結果后從中選取較為理想的探頭。

2.1 理論計算檢測頻率及所需電感

2.1.1 檢測對象

被檢測薄壁管材料為Zr-4，規格(外壁×壁厚)為φ9 mm×0.7 mm，相對磁導率為1，電阻率為40 μΩ·cm。

2.1.2 檢測要求

信噪比要求達到12 dB以上，設備要求與探頭匹配，變頻器工作時噪聲低于滿屏的15%，尤其是在頻率大于300 kHz，檢測速度為12 m·min-1時由抖動引起的信號低于25%。

2.1.3 檢測頻率估算

根據經驗公式f=3p/t2(p為電阻率；t為管壁厚),得出f=244.8 kHz。根據計算的工作頻率，盡可能制作以244 kHz為中心頻率的渦流探頭。

2.1.4 電感

渦流檢測儀要求輸入阻抗Z在180 Ω左右，由公式|Z|=|2πfL|可估算出電感L=117.5 μH。線徑為0.1 mm時不同匝數對應的電感如表1所示。

表1 線徑為0.1 mm時不同匝數對應的電感

如果選取線徑為0.1 mm，那么由表1估算出實際繞78匝時，電感為117 μH。

2.2 渦流探頭骨架尺寸對比試驗

通過有規律地改變骨架尺寸，用相同電感的漆包線逐一繞在不同尺寸的骨架上，用不同檢測頻率測試同一通孔直徑為0.3 mm信號的幅值，對比結果后選取效果較好的骨架。

雙線圈槽寬呈梯度變化，其他骨架尺寸一定。同一線徑長度的漆包線均勻密繞在不同槽寬時，在不同檢測頻率下的測試結果如表2所示。

雙線圈兩槽間距呈梯度變化，線圈其他尺寸一定，兩個差動線圈之間的距離對信號的影響結果如表3所示，表中“dB”值為波幅調制80%時的dB值。

只改變兩線圈之間的距離，其他條件不變，在不同檢測頻率下，測試通孔直徑為0.3 mm時，將信號幅值調至80%時對應的dB值。

表2 雙線圈不同槽寬、不同頻率下的信號幅值 dB

表3 雙線圈不同間距時的信號幅值

dB

管材與線圈的間隙對缺陷信號的影響，即填充系數對通孔φ0.3 mm幅值的影響。在同一根φ0.1 mm漆包線的均勻密繞下，隨著骨架槽底外徑的增大，匝數與電感略有差異，其檢測靈敏度及相位在不同頻率下的結果如表4～6所示。表4中，骨架槽底直徑為11.0 mm，管子直徑為9 mm，填充系數為67%，匝數為80匝，線圈電感為123 μH，兩線圈電感差異為0 μH；表5中，骨架槽底直徑為12.0 mm，管子直徑為9 mm，填充系數為56%，匝數為73匝，線圈電感為120 μH，兩線圈電感差異為0 μH;表6中，骨架槽底直徑為13.1 mm，管子直徑為9 mm，填充系數為48%，匝數為70匝，線圈電感為111 μH，兩線圈電感差異為0 μH。

線徑為0.1 mm，線圈寬度為1.5 mm，線圈內徑為10.8 mm，隨著線圈厚度的增加，同一個直徑為0.3 mm通孔的信號幅度變化曲線如圖1所示。

表4 不同頻率下的檢測靈敏度及相位(槽底直徑為11.0 mm)

表5 不同頻率下的檢測靈敏度及相位(槽底直徑為12.0 mm)

表6 不同頻率下的檢測靈敏度及相位(槽底直徑為13.1 mm)

圖1 不同線圈厚度時φ0.3 mm通孔信號幅值變化曲線

不同匝數，不同線徑在同一骨架尺寸下，用不同頻率進行測試，結果如表7～9所示。表7為漆包線線徑為0.1 mm，匝數分別為40，60，80，100，150匝，將通孔φ0.3 mm測試信號幅值調至80%時所對應的dB值；表8為漆包線線徑為0.2 mm，分別在40，50，60，70匝均勻密繞，通孔φ0.3 mm測試信號幅值調至80%時所對應的dB值；表9為漆包線線徑0.3 mm，分別在20，30，40匝均勻密繞，通孔φ0.3 mm測試信號幅值調至80%時所對應的dB值。

表7 不同匝數下對應的dB值(線徑0.1 mm) dB

表8 不同匝數下對應的dB值(線徑0.2 mm) dB

表9 不同匝數下對應的dB值(線徑0.3 mm) dB

2.3 探頭制作過程

根據骨架尺寸、線徑、匝數以及鋯合金管材通孔φ0.3 mm信號幅值變化規律，選擇最優骨架尺寸制作渦流探頭，φ9 mm管材骨架結構示意如圖2所示。

圖2 φ9 mm管材骨架結構示意

(1) 鋯合金管材對表面要求極高，不能有劃傷或劃痕，在室溫下隨季節變化骨架尺寸穩定不變，有一定剛度，且易加工，價格便宜。因此，選用橡膠木或者PA66尼龍作為骨架材料。

(2) 按照圖2所示尺寸在數控高精度車床上加工骨架，尺寸精度小于0.05 mm，粗糙度為3.2即可。

(3) 將骨架固定在繞線機上，均勻密繞一個拾取槽，取下骨架，掉方向繞另一拾取槽，取下繞好的骨架，將漆包線線頭焊接在接線柱上。

(4) 用電感測試儀測試兩線圈的電感，要求差異小于1 μH。

(5) 用膠水固定線圈，并測試電感的變化，直至差異小于1 μH，將骨架接線焊接高頻接頭，封裝渦流探頭。

(6) 經測試結果分析，滿足公司檢測要求，該探頭可用于規格為φ9 mm×0.7 mm的鋯合金管材的渦流檢驗。

3 實踐應用

用自制的渦流探頭對同一批管材進行檢測，與購買的探頭檢測結果相一致(見圖3)。

前置電壓均為7 V，前置電壓放大倍數為30 dB;國產探頭后置放大倍數低頻50.5 dB,高頻54 dB，自制渦流探頭后置放大倍數低頻45 dB，高頻46.5 dB。

用自制外穿式渦流探頭和國產探頭分別對鋯合金管材進行渦流檢測，并對產品結果進行對比，自制渦流探頭能更好地顯現出滿屏幅值為15%的缺陷，而購買探頭的電噪聲為15%左右，檢測波幅為20%左右的小缺陷的顯示不是很清晰。鋯合金管材不同缺陷的渦流檢測結果(自制探頭)和相應水浸超聲檢測結果如圖4所示。

圖3 自制探頭與國產探頭對同一批管材檢測結果

圖4 鋯合金管材不同缺陷的渦流檢測結果(自制探頭)和相應水浸超聲檢測結果

4 結論

(1) 通過分析探頭骨架尺寸、線徑、匝數及頻率對同一缺陷信號的變化規律，確定規格為φ9 mm×0.7 mm鋯合金管材所用探頭的骨架尺寸。

(2) 從探頭骨架尺寸方面考慮，隨著拾取線圈槽寬的增加，用同一幅度搖晃管材，抖動信號也在增強，檢測頻帶范圍變窄；兩個拾取線圈跨距在1.5 mm，具有較高的靈敏度，差動效果較好；填充系數減小導致頻帶范圍變窄，窄頻帶為較低的頻率范圍。

(3) 從線圈尺寸方面考慮，在滿足檢測靈敏度要求的前提下，拾取線圈的厚度增加時，φ0.3 mm通孔信號幅度先增高后降低；隨著線徑的增大，頻帶變窄，線徑為0.1 mm與線徑為0.2 mm的頻帶較寬；線徑為0.2 mm，匝數范圍為40～70匝時，以及線徑為0.1 mm，匝數范圍為70～100匝時，有用信號幅度較高。