连铸热坯双频涡流探伤技术

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.0M.011 第17卷第4期 北京科技大学学报 Vol.17 No.4 195年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.1995 连俦热坯双频涡流探伤技术 李希胜 王绍纯 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 摘要采用二维涡流探伤模型，研究了涡流传感器的结构参数对探伤灵敏度的影响，并将双频涡 流探伤技术用于坯料表面缺陷检测·结果表明，缺陷深度增加所引起的探头阻抗变化使其相角发 生变化· 关键词传感器，连铸坯，祸流检验，无损检验/无损探伤 中围分类号TG247 Research on Technique of Dual-Frequency Eddy-Current Inspection for Continuously Casting Hot Slab Li Xisheng Wang Shaochun College of Automation and Information Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSRACT Two-dimension eddy current inspection model is taken for researching the effect of the eddy current transducer structure parameter upon the inspection sensitivity.Dual-frequency eddy current inspection is applied to the inspection of slab surface defects.The results of experiment prove that the change of sensor impedance due to the change of crack depth causes the phase angle of impedance to change. KEY WORDS transducer,continuously casting slabs,eddy current test,non- destructive test non-destructive flaw detection 目前，国外进行连铸热坯探伤研究的方法主要有光学法和涡流法，光学探伤法可远离被 测热坯，免受高温辐射的影响，以增强系统可靠性·但对缺陷深度不能定量判别，使其应 用范围受到限制.涡流探伤法不仅能对缺陷深度作定量判别，还具有检测速度快，易自动化 等特点，比较适合连铸热坯表面探伤，本文选用涡流探伤法作为连铸热坯表面探伤方法· 1二维涡流探伤模型 实际的涡流探伤问题多为三维问题，为了简化分析，采用二维模型· 由洛仑兹互易定理可推出： △z=(1/可，(E×i-×)·nds (1) 1994-01-14收稿 第一作者男23岁硕士讲师

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 望巧 年 月 川 呢 卯 连铸热坯双频涡 流探伤技术 李希胜 王 绍 纯 北京科技大学 自动化信息工 程学 院 ， 北 京 幻 摘要 采用 二维涡流探伤模型 ， 研究 了 涡 流传感器 的结构参数对探伤灵敏 度的影 响 ， 并将双频涡 流探伤技术用于坯料表面缺陷检测 结果表 明 ， 缺陷深度增加所引起 的探 头阻抗 变化使其相 角发 生变化 关健词 传感器 ， 连铸坯 ， 涡 流检脸 ， 无损检验 无损探伤 中圈分类号 公打 一 一 戈 肠 叩 卿 户卫 以 泪 五而仙以 林邵 ， 几 ， 肠」毗 飞 一 期犯 ， 一 ， ， ， 一 一 目前 ， 国外 进行 连铸热坯 探 伤研究 的方 法 主要 有光学 法 和 涡 流法 光学 探 伤法 可远 离 被 测热坯 ， 免受 高温辐射 的影 响 ， 以 增 强 系 统 可靠性 但 对缺 陷深 度 不 能 定 量 判 别 ， 使其 应 用范 围受到 限制 涡 流探 伤法 不仅能 对缺 陷深度 作 定量 判别 ， 还具 有检测 速 度快 ， 易 自动化 等特点 ， 比较适合连铸热坯 表 面探伤 本文 选 用 涡流探 伤法 作为 连铸热坯 表面探伤方法 二维涡流探伤模型 实际的涡流探伤 问题多 为三 维 问题 ， 为 了简化分 析 ， 采 用 二 维模 型 由洛仑兹互 易定 理 可 推 出 △ 一 ， 凡 才 夕 ， 一 矛 穿 · 最 望科一 一 收稿 第一作者 男 岁 硕士 讲师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－53x．1995．04．011

·362* 北京科技大学学报 1995年No.4 式中：Z-探头视在阻抗变化；S-包围缺陷的任意闭合面；E,-无缺陷情况下S,上电 磁场；，，一有缺陷情况下S上电磁场；n一S,上内法矢· 式(1)从缺陷引起电磁场分布变化的角度给出了探头视在阻抗变化的公式，以此式为基础 对二维祸流探伤问题进行分析：a/83较大两种情况.其中a为缺陷深度， 6为材料渗透深度. 当a/6较大时有： 2.-乐-0+0告+21+0号+2合 8 -1.56} (2) 式中△Z。一单位长缺陷引起的阻抗变化；H。一空间均匀分布的磁场；I一激励电 流；△4-裂纹宽度；AF-缺陷形状系数，对“7”形为0.5a△u. 当a/8较小时有： A2=那受（号+号（号Xg)+i受（号g)川 (3) 应当指出，以上分析是在假定激励电流产生的磁场在空间内均匀分布的情况下得出的， 实际上，探头产生的磁场不可能无限且均匀分布·此时情况较为复杂，应具体考虑电磁 场在金属导体内的衰减对探伤结果的影响，这时需对缺陷深度项作一定的校正， 从式(2)及式(3)可以看出：对于（△u/8)→0的缺陷，当aδ较小时，即缺陷较浅时， 处于90°附近；当a/δ较大即缺陷相对较深时，处于45°附近.这说明缺陷深度从a/δ3时，视在阻抗变化约有45°相移.这对于缺陷深度定量分析有较大指导意义.据此在涡 流探伤中，频率选取应使δ与缺陷深度相近，另外，缺陷引起的视在阻抗变化与成正比， H是平行于导体表面的磁场强度，为了提高探伤灵敏度，应适当提高Ho 以上分析基于磁场方向与裂纹方向平行.当磁场方向与裂纹方向相垂直时，涡流方向平 行于裂纹方向，裂纹的存在并不严重地影响涡流分布，因而，此时引起的探头视在阻抗变 化较小， 2探头结构参数及测量电路 鉴于双频法较单频法的抗干扰性能有所改进，故选用双频涡流探伤，为了避免谐波干扰 对系统的影响，双频选取采用非整信数关系· 为了使探头产生的磁场在缺陷处具有较大的切向分量，以提高探伤灵敏度，同时考虑到 检测的方向敏感性要求，将线圈装配在U形磁芯之上· 由单股圆导线分层绕制的绕组，在较高频率下电阻增加程度按下列公式计算1： v=R/R。=A+(Wk.d/2gd)2X≥1 (4) 式中：A一因趋肤效应电阻增长的系数；X一考虑频率和导线直径对邻近效应影响的系数； D-线圈绕组外直径；d-裸线直径；W-匝数；g-匝的疏密度；t-相邻线匝轴线间距 离；k。=6.5[(hD)+(t/D)门厂.考虑线圈几何形状对邻近效应和线圈效应影响的系数.依据 式(4)计算不同线径下的交流电阻，从而选取合适的绕组线径· 图1示出了测量电路总体方案框图，振荡器使用频率稳定的石英晶体振荡器，并对其实

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 式 中 一 探 头 视在 阻抗 变化 又一 包 围缺 陷的任意 闭合 面 宕 ， 才一 无缺 陷情 况下 又 上 电 磁场 矛 ， 穿 一 有缺 陷情况 下 上 电磁场 八一 上 内法矢 式 从缺 陷引起 电磁场分布变化 的角度给出了探头视在阻抗变化 的公式 以 此式 为基础 对二 维 涡流 探伤 间题进行分析 占 较小 和 占 较 大 ’ 】 两种情况 其 中 为 缺 陷深 度 ， 占 为材料 渗透深度 当 占 较大 时有 △ ， ， 一 其 、 一 。 ‘ 粤 。 ‘ 粤 十 厂 气 、 、 办 欲红 一 ， 办 ‘ 式 中 △ 。 一 单 位 长 缺 陷 引 起 的 阻 抗 变 化 流 △ 一 裂 纹 宽 度 「 一 缺 陷 形 状 系 数 ， 当 咨 较 小 时 有 。 一 空 间 均 匀 分 布 的 磁 场 一 激 励 电 对 “ ” 形 为 △ · 月 ‘ 兀 ， 口 、 ， 兀 ， “ 一一一二二 之正 － － 》 ‘ 叮 名 、 “ 、 ‘ 十 － 、 － 吞 丫 二竺 咨 忍 － 二， 、 丫 目 鱼竺 、 ， 占 应 当指 出 ， 以 上 分析是 在假定 激励 电流产 生 的磁 场在 空 间 内均 匀分布 的情 况 下得 出的 ， 实 际 上 ， 探 头 产 生 的 磁 场 不 可 能 无 限且 均 匀分 布 此 时情 况 较 为 复 杂 ， 应 具 体 考 虑 电磁 场在 金属 导体 内的衰减对探 伤结果 的影 响 这 时需 对缺 陷深度项作 一定 的校 正 从式 及 式 可 以看 出 对于 △ 句 的缺 陷 ， 当 占较小 时 ， 即缺 陷较浅 时 ， 处于 附近 当 占较大 即缺陷相 对较深时 ， 处于 附近 这说明缺陷深度从 占 变化到 旖 时 ， 视在 阻抗 变 化约 有 “ 相 移 这 对于 缺 陷深度 定 量分析有 较大指 导意 义 据此 在 涡 流探伤 中 ， 频率 选取 应使 占与缺 陷深度相 近 另外 ， 缺 陷引起 的视在 阻抗 变 化 与 碳成 正 比 ， 是平行于 导体表 面 的磁场强 度 ， 为 了提 高探 伤灵敏 度 ， 应适 当提 高 以 上分析基于 磁场方 向与裂 纹方 向平行 当磁 场方 向与 裂 纹方 向相 垂 直 时 ， 涡流方 向平 行 于 裂 纹方 向 ， 裂 纹 的存在 并不 严重 地 影 响涡流分布 因而 ， 此 时引起 的探 头视在 阻抗 变 化较小 探头结构参数及测量 电路 鉴于 双频法较单频法 的抗 干扰性 能有所改进 ， 故 选 用双频 涡流探 伤 为 了避 免谐波 干 扰 对系 统 的影 响 ， 双频 选取 采用 非 整 信 数 关 系 为 了使探 头 产 生 的磁 场在 缺 陷处具有 较大 的切 向分量 ， 以 提 高探 伤灵敏 度 ， 同时考 虑 到 检测 的方 向敏感性要 求 ， 将 线 圈装配在 形 磁芯 之上 由单股 圆导 线分层 绕制 的绕组 ， 在 较 高 频率下 电阻增 加 程 度 。 按下列公式 计算 「 。 。 式 中 一 因 趋 肤效 应 电 阻 增 长 的系数 一 考虑 频率 和 导线直径 对邻近效应影 响 的 系 数 一 线 圈绕组外 直径 一 裸 线直 径 一 匝 数 一 匝 的 疏 密 度 一 相 邻线 匝 轴 线 间距 离 闷 ，十 一 ’ 考虑 线圈几何形 状对邻近效 应 和 线 圈效 应影 响 的 系 数 依 据 式 计算 不 同线径下 的交 流 电阻 ， 从而 选取 合 适 的绕组 线径 图 示 出 了测 量 电路 总体方 案框 图 振荡 器使 用 频 率稳 定 的石英 晶体振 荡器 ， 并 对 其 实

Vol.17 No.4 李希胜等：连铸热坯双频涡流探伤技术 363. 行幅度控制，以产生幅频稳定的正弦 90° 移相电路1 PSD 信号，为了补偿差动探头的不一致性， 振 双 0° 在激励电路中使用了必要的幅相调整手 探头A 选频放大PSD一 段.最终的激励信号采用恒流激励形式， 器 在信号处理电路中采用正交锁定放大， 加 前置放大 正交参考信号的获取使用了锁相环路， 由正交锁定放大即可得到阻抗信号的两 振 频 叠 探头B 选频放大PSD一 个正交分量. 器 加 2 90° 3实验与结果分析 移相电路2 PSD 0。 选用常温下与热态钢具有相似电磁 图1双频涡流探伤测量电路总体方案框图 特性的材料进行模拟试验，在板材表面加工出人工缺陷，然后对其进行探伤试验· (1)对裂纹长度的响应 U形磁芯两腿中心距L=28mm,试样上裂纹长度1分别为14mm,28mm,56mm,宽为 1mm, 深为3mm.测量结果如图2所示. 800 800r (a) (b) 600 600 400 60 -110 可 200 200 0 -120 0 1.0 2.0 1.0 20 UL UL 图2裂纹长度变化响应 (a)f=100k;(b)方=215kHz 由图2可以看出，随缺陷长度的增大，引起阻抗变化增大的幅度并不与缺陷长度成正 比.相角基本保持不变. U形磁芯产生的磁场与二维模型分析的标准场有区别，前者中间处磁场水平方向分量， 较两端的强得多，从而导致处于磁芯中间位置处的缺陷所引起的阻抗变化较处于磁芯两端的 缺陷明显，即对中间位置处缺陷敏感，结果引起缺陷长度变化响应的非线性，而无论缺陷位 于何处，其宽度及深度均保持一致，因而相角不变化· (2)对缺陷深度变化的响应 试样上裂纹深度a分别为1mm,2mm,3mm,宽为1mm,长为28mm.测量结果如图3所示. 由图3可以看出，随缺陷深度的增加，引起的阻抗变化在一定范围内近似线性增长， 相角随缺陷深度增加而减小，变化比较明显，这对缺陷深度分级有重要意义.但应指

李 希 胜 等 连铸 热坯 双 频 涡 流 探 伤技术 行 幅度控制 ， 以 产生 幅 频 稳 定 的正 弦 信号 为 了补偿差动探 头 的不 一致性 ， 在激励 电路 中使用 了必要 的幅相 调 整 手 段 最终 的激励信号采用 恒流激励 形 式 在 信号处理 电路 中采用 正交 锁定 放大 ， 正交参考信号 的获取使用 了锁相 环路 由正 交锁定 放大 即可得 到 阻抗信号 的两 个正 交分量 实验与结果分析 振 双 荡 频 选 频 放大 器 … ’ 叠 关 力目 前 置放 大 双 频 振 叠 荡器 力 选 频 放大 · 关 选 用 常温下 与热态钢具有 相 似 电磁 图 双频涡流探伤测， 电路总体方案框图 特性 的材料进行模拟试验 在 板材 表 面加工 出人工 缺 陷 ， 然后 对其进行 探伤试验 对裂 纹 长度 的 响应 形 磁 芯 两 腿 中心 距 ， 试 样 上 裂 纹 长 度 分 别 为 ， 卫 ， ， 宽 为 ， 深 为 测 量 结果 如 图 所示 胡 抑姗 ︵ 。︸︶导 势︸阅日 止一 一去一 一 一 二 今 尸一 一 图 裂纹长度变化 响应 伪 七 人 由图 可 以看 出 ， 随缺 陷长度 的增 大 ， 引起 阻抗 变化增大 的幅度并 不 与缺 陷长度成 正 比 相 角基本保持不 变 形磁芯产生 的磁 场 与二 维模 型分析 的标 准场有 区别 前 者 中 间处磁 场 水平 方 向分 量 ， 较两端 的强 得多 ， 从而 导致处于 磁 芯 中间位置处 的缺 陷所 引起 的阻抗 变 化较处于磁 芯两端的 缺 陷明显 ， 即对中间位 置处缺 陷敏感 结果 引起缺 陷长度 变化 响应 的非 线性 而 无论缺 陷位 于何处 ， 其宽度 及 深度均 保 持一 致 ， 因而相 角不 变化 对缺 陷深度 变 化 的 响应 试样上裂纹深度 分别 为 ， ， ， 宽为 妞 ， 长为 测量结果如 图 所示 由图 可 以 看 出 ， 随缺 陷深 度 的增 加 ， 引 起 的 阻 抗 变 化 在 一 定 范 围 内近 似 线 性 增 长 ， 相 角 随缺 陷深 度 增 加 而 减 小 ， 变 化 比较 明 显 ， 这 对 缺 陷 深 度 分 级 有 重 要 意 义 但 应 指

·364· 北京科技大学学报 1995年No.4 800r 800 (a) 6) 600 名 600 90 400 400 0。 100 200 60 200 1109 0 0 150 J-120 0 1.0203.0 01.0203.0 a/mm a/mm 图3裂纹深度变化响应 1=100kHz;=215kH 出，因未对连续移相器进行核准，输出矢量相角并不处于探头阻抗变化相角值的理论范围内· 模拟材料电阻率p=1.05,有趋肤深度δ1=1.63mm,δ2=1.11mm.由图3可看出，在a/8=1 附近相角变化明显，与理论分析一致， (3)方向敏感性 对相同长、宽、深的不同取向裂纹的测试.试样上裂纹长28mm,宽1mm,深3mm一 定.当裂纹取向与磁场取向垂直时对应人有幅值186.5mV,相角48.11°；对应5有幅值 147.0mV,相角-114.61°.当平行时对应有幅值665.0mV,相角55.24°；对应5有幅值 568.8mV,相角-117.70°.两者灵敏度差异较大，证明所使用传感器具有方向敏感性，与 目标一致· 4结论 (1)采用U形磁芯的涡流传感器具有方向敏感性· (2)缺陷深度的增加所引起的探头视在阻抗变化使相角发生变化，在αlδ=1附近相角 变化明显，该结果对缺陷深度定量分析有重要意义· 参考文献 1 Auld B A Muennemann.Winslow D K.Eddy Current Probe Response to Open and Closed Surface Flaws, Journal of NDE 1981,2(1)1~21 2 PycH IO.enapyxHH C.萧静茜，肖卫国译.仪表电感元件设计.北京：机械工业出版社，1987. 84-87

北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 厂 不让狡钻 碱 叫 仁 · 卯 ， 田 户 一 今 ︸侧补日 一 加 助姗朔胡。 一势日 ︵ 。︶︸导 之 】 『 图 裂纹深度变化 响应 人 晚 人 出 ， 因未 对连 续移相器进行核准 ， 输 出矢量相角并不处于探头阻抗变化相 角值的理论范围内 模拟材料 电阻率 ， 有趋肤深度 占， ， 占 二 由图 可看出 ， 在 占 附 近相 角 变化 明显 ， 与理论分 析一致 方 向敏 感性 对相 同 长 、 宽 、 深 的 不 同取 向裂 纹 的 测 试 试 样 上 裂 纹 长 卫 ， 宽 ， 深 一 定 当裂 纹 取 向 与 磁 场 取 向 垂 直 时 对 应 五 有 幅 值 ， 相 角 “ 对 应 五 有 幅值 ， 相 角 一 “ 当平 行 时 对应 五有 幅 值 ， 相角 “ 对应 五有 幅 值 ， 相 角 一 “ 两 者 灵 敏 度 差 异 较 大 ， 证 明 所 使 用 传 感 器 具 有 方 向敏感性 ， 与 目标一致 结 论 采 用 形 磁芯 的涡流 传感 器具有方 向敏感性 缺 陷深度 的增 加 所 引起 的探 头视在 阻抗 变化使相 角发 生 变化 在 占 附 近 相 角 变化 明显 ， 该结果对缺 陷深度定量 分 析有重要 意义 参 考 文 献 创 日 旧们叮 此 记 ℃幻 股 脚 汤已 创加沈 鹅 ， 园 刃 ， ， 一 “ 萧静 茜 ， 肖卫 国 译 仪 表 电 感 元 件 设 计 北 京 机 械 工 业 出 版 社