平板表层缺陷检测涡流阵列传感器的设计

义为线圈单元的检测灵敏度。
S
=
|
Vd -Vn Vn
|
(1)
其中,Vd 为检测线圈单元通过缺陷的感应电压,Vn
为检测线圈单元在无缺陷处的感应电压。 下面对线
圈单元中心距、线圈单元平均半径、线圈单元高对检
测灵敏度的影响进行研究。
(1) 线圈单元中心距
线圈 单 元 内 半 径 r1 = 0. 75 mm, 外 半 径 r2 = 3. 5 mm,高 h = 3. 0 mm,提离 l1 = 1. 0 mm,检测频率 f = 5 kHz。 激励线圈单元和检测线圈单元中心距 D
LIU Bo,LUO Feilu*,HOU Liangjie
( National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)
Abstract:Based on numerical analysis of eddy current transmit鄄receiver sensor, different centre distance, average radius and high of eddy current array sensor coil unit are analyzed according to sensitivity and spatial resolution. This paper presents a parameter closely relating with less sensitive zone—efficient detecting zone ratio of coil unit group, which assists with the optimal design of the placement of eddy current array sensor. The results show that,on the same situation, the smaller the average radius and height are, the larger the sensitivity is. In nearly but smaller than quadruple outer radius,there is a peak value in the curve of the sensitivity. The smaller the average radius is,the higher of the spatial resolution is. The areas of the less sensitive zone and the possibility of failing to identity flaw is least considering the mixed cover zone of two adjacent coil unit group of the interlaced type eddy current array probe. Key words:eddy current array sensor;sensitivity;spatial resolution;efficient detecting zone ratio of coil unit group EEACC:7210B;7640摇 摇 摇 摇 doi: 10. 3969 / j. issn. 1004-1699. 2011. 05. 011
关键词:涡流阵列传感器;检测灵敏度;空间分辨率;线圈单元组有效检测区域比率 中图分类号:TM151. 4;TP391. 7摇 摇 摇 摇 文献标识码:A摇 摇 摇 摇 文章编号:1004-1699(2011)05-0679-05
摇 摇 涡流阵列( Eddy Current Array,ECA) 检测技术 是涡流无损检测技术中新兴的技术分支,它是通过 检测传感器结构的特殊设计,运用计算机技术和数 字信号处理技术,实现对材料和零部件的快速、有效 地检测[1-3] 。 涡流阵列传感器是阵列检测仪器的重 要组成部分,其设计的优劣在很大程度上制约着检 测仪器的灵敏度和空间分辨率[4-6] 。
在涡流 阵 列 传 感 器 设 计 理 论 研 究 方 面,2003 年,日本学者 Huang H 运用数值计算方法对核电站 蒸汽管道检测用涡流阵列传感器的线圈单元参数进 行了优化[11] 。 2008 年,Zaoui A 应用简化的体积分 法对阵列电磁场展开了研究,有效地缩短了缺陷检 测正问题、逆问题的数值计算时间,解决了有限元、 三维体积分法对阵列传感器仿真中的关键问题-划 分单元、节点太多,计算非常耗时,为阵列传感器的 设计提供了理论依据[12] 。
第 24 卷 第 5 期 2011 年 5 月
传感技术学报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS
Vol. 24摇 No. 5 May 2011
Design of an Eddy Current Array Sensor for Surface Flaw Detection in a Conductive Plate
他圆环的感 应 电 压; 最 后, 叠 加 所 有 圆 环 的 感 应 电 压,求得检测线圈单元的总的感应电压。
2摇 检测灵敏度
检测灵敏度是衡量涡流传感器检测性能的重要
指标之一,能够较好地反映传感器对于缺陷的检出
率。 设定仿真物理模型:假定待测试件的电导率滓 =
3. 82伊107 S / m,相对磁导率 滋r = 1,厚度 d = 3. 0 mm, 包含长 lc = 12 mm,宽 wc = 1. 0 mm,深 dc = 1. 2 mm 的 表面缺陷,其电导率 滓 = 0,相对磁导率 滋r = 1。 将由 缺陷引起的检测线圈单元感应电压的相对变化 S 定
最初的阵列传感器均由绕制的线圈构成。 1988 年,Krampfner Y D 和 Johnson D D 将计算机辅助设 计应用于涡流传感器设计,并制作了柔性阵列传感
器, 提 高 了 检 测 的 可 靠 性[7] 。 1991 年, 加 拿 大 Podney W N 和 Czipott P V 制作了微 SQUID 阵列传 感器,大大缩小了传感器线圈尺寸,该传感器检测水 平 精 度 1 mm, 垂 直 精 度 0. 3 mm[8] 。 1991 年, Melcher JR 提出了线圈磁力计阵列传感器[9] 。 2000 年,Yashan A 等 研 制 了 巨 磁 阻 阵 列 传 感 器。 2001 年,中国哈尔滨工业大学李德胜等提出了霍尔传感 器阵列,将霍尔器件用于磁测量。 2004 年,CODECI 传感器问世,该传感器将阵列传感器与 CCD 结合, 能够实时检测各种合金表面缺陷,缺陷深度检测精
第5 期
刘摇 波,罗飞路等:平板表层缺陷检测涡流阵列传感器的设计
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变化越接近,两个缺陷越难于识别。 因此,线圈单元 平均半径越大,涡流阵列传感器的空间分辨率越小。
图 2摇 检测灵敏度与线圈单元平均半径的关系曲线
(3) 线圈单元高 线圈 单 元 内 半 径 r1 = 0. 75 mm, 外 半 径 r2 = 3. 5 mm,提离 l1 = 1. 0 mm,检测频率 f = 5 kHz。 激励 线圈单元和检测线圈单元中心距 D = 14. 0 mm,高 h 从 1. 0 mm 增加到 5. 0 mm。 线圈单元检测灵敏度 S 与高 h 的关系曲线如图 3 所示。 由图 2 可知,随着 线圈单元高度的增大,检测线圈单元感应电压幅值 变化单调递增,检测灵敏度单调递减。
收稿日期:2010-11-16摇 摇 修改日期:2011-01-20
传摇 感摇 技摇 术摇 学摇 报
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度可达 0. 2 mm[10] 。 CODECI 传感器开启了阵列传 感器与其他检测方法在信息获取层的集成,代表了 阵列传感器发展的最高水平。
图 3摇 检测灵敏度与线圈单元高度的关系曲线
3摇 空间分辨率
空间分辨率( Spatial Resolution) 是反映涡流阵 列传感器对于邻近的多个缺陷的检出能力的一项指 标。 平板、缺陷和线圈单元参数如第 2 节所述,缺陷 1 和缺陷 2 距离 6 mm,在线圈单元匝数密度不变的 情况下,改变线圈平均半径。 扫描路径如图 4 所示, 记扫描路径为 X 轴线,两缺陷沿 X 轴的中心点位坐 标原点,检测线圈单元感应电压幅值变化如图 5 所 示。 由图 5 可知,线圈单元平均半径越大,缺陷处电 压幅值变化与两缺陷中心处( 即原点) 的电压幅值
从 8. 0 mm 增加到 16. 0 mm。 线圈单元检测灵敏度
S 与两线圈单元中心距 D 的关系曲线如图 1 所示。
观察图 1 可知,随着中心距的增大,检测线圈单元感
应电压幅值变化单调递减,检测灵敏度先增后减,在
中心距大约为 12. 8 mm 时达到最大。
图 1摇 检测灵敏度与线圈单元中心距的关系曲线
本文采用有限元数值计算方法,以检测灵敏度、 空间分辨率和线圈单元组有效检测区域比率等评价 指标为依据,对平板表层缺陷检测涡流阵列传感器 线圈单元内径、外径、高度等参数,线圈单元中心距, 线圈单元排布方式进行了设计。
1摇 理论基础
涡流传感器按感应方式分类,可分为自感式传感 器(或称参量式传感器) 和互感式传感器( 或称变压 器式传感器) ,按照检测比较方式可分为绝对式传感 器和差动式传感器。 涡流阵列传感器所有线圈单元 覆盖面积较大,且根据受检对象形状排布各异,仅含 一个激励线圈以产生适宜涡流检测的激励பைடு நூலகம்难度很 大、成本昂贵,因此现有的阵列传感器大多为所有线 圈单元采用同一尺寸,既可为激励线圈又可为检测线 圈。 另外,互感式传感器在检测灵敏度和信噪比优于 自感式传感器[13] 。 在检测比较方式上,由于考虑到差 动式传感器对受检件长而平缓的缺陷可能漏检,且易 产生难以解释的信号,因此大多采用绝对式传感器。