一种专用涡流检测换能器的设计

　　涡流检测是以电磁感应原理为基础的一种无损检测方法。随着工业生产和科学技术发展[1],其应用领域已扩展到航天、航空、核工业、机械、冶金、石油、化工、电力、有色金属及汽车等各个工业部门。涡流检测时,先由涡流检测换能器在工件中激发涡流,然后探测出携带出物体内部信息的信号,接着从接收到的信号中提取信息,从而得出结论。

　　1　涡流检测换能器的设计要求

　　换能器的设计就是通过确定线圈形状、横截面、尺寸和结构等参数来制造一种特定的换能器,以适应特定的用途。

　　检测对象是一个外径80 mm,内径72 mm的空心球体,由两个空心半球焊接而成。目的是检测焊缝中有无裂缝、气孔和未焊透等缺陷。空心球的材料是奥氏体不锈钢,其电导率是1.37×10 ⁶ S/m,相对磁导率为1。该球体焊接前机械加工精度较高,焊缝的深宽比大,且检测只能在球面外壁进行。若采用射线照相技术,未焊透部位难以形成可分辨的黑度差异;采用常规的超声技术难以形成可供分析和判别的反射回波。因此,考虑涡流检测方法。

　　由于检测对象为特殊球面结构,且检测必须达到一定的渗透深度和灵敏度。采用普通的涡流检测换能器很难达到要求,因此需设计一种渗透深度大、灵敏度高且抗干扰的特殊结构的专用涡流换能器。

　　2　涡流检测换能器的优化方案

　　2.1　换能器结构的确定

　　传统的涡流换能器是一个通以正弦电流的线圈,线圈的直径对换能器性能影响非常大。对于单匝线圈,由毕奥2萨伐定律可以推出线圈轴线上任一点的磁感应强度B _p为

　　r———线圈直径;

　　x———线圈轴线上某点到线圈中心的距离。

　　当线圈中的电流I为恒值时可以看出,直径小的线圈,在离线圈近处产生的磁感应强度大,但轴向衰减很快;而直径大的线圈,其磁感应强度在离线圈近处虽稍小一些,但轴向衰减慢。故线圈直径越大,其产生磁场的轴向分布范围就越大,检测深度和线性范围也大,但检测灵敏度低。为了同时提高检测深度、线性范围和灵敏度,采用分离形式的激励线圈和感应线圈,即采用大直径激励线圈和小直径感应线圈以作相互补充。

　　对于感应线圈,可以接成绝对式线圈,也可以接成差动式线圈。绝对式线圈结构简单,对检测对象的材质、形状、尺寸等均能产生响应,但受温度、外界电磁干扰等环境影响明显。差动式线圈有利于抑制材质、形状的缓慢变化及环境带来的影响。

　　激励线圈和感应线圈的位置关系对线圈的互感情况和灵敏度有重要影响。因工件上感应出的涡流是不均匀的,有效的涡流存在于一个环形范围内^[4] 。若激励线圈外径为R,涡流标准渗透深度为δ,则感应的涡流环是径向宽度a=0.501 189R,中心半径R ₀=1.133 83R,深度b=δ的区域,且离激励线圈外径越近、离工件表面越近,涡流越强。此范围外涡流很微弱,可忽略不计。因感应线圈直径较小,为了较好检测到涡流变化,可将检测线圈置于靠近激励线圈外径的位置。