剛性磁極陣列渦流成像檢測系統技術應用研究

李坤鵬等

摘 要：文章基于陣列渦流檢測技術，開發一套剛性磁極陣列渦流成像檢測系統，經試驗驗證，該系統能快速、直觀、有效檢測剛性磁極的裂紋缺陷，對水力發電機組安全運行防止剛性磁極斷裂有重大意義。

關鍵詞：剛性磁極；陣列渦流；檢測

1 概述

水力發電機剛性磁極是水力發電機組中重要監督部件，見圖1。在運行中，剛性磁極以100～750轉/秒的速度隨著發電機高速轉動，本體電流強度達到上千安倍，它不僅承受高速轉動時的離心力所產生的靜應力及溫度、振動等動應力，還要承受外部電磁力作用，若剛性磁極本身設計、制造、安裝質量存在原始缺陷問題，極易在綜合應力的作用下產生裂紋等缺陷，進而發生剛性磁極斷裂事故，因此，加強對剛性磁極的檢測顯得尤為重要。

目前，常規無損檢測技術主要包括射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、著色檢測、渦流檢測等，每種檢測技術都有自己獨特的優點和局限性。對于剛性磁極，其材質為銅，密度較高，在役檢測空間較小，不適宜射線檢測和磁粉檢測；其形狀不規則，不適宜超聲檢測；表面覆蓋2mm～3mm厚度的絕緣材料層，不適宜著色檢測；而渦流檢測能適應這些技術難點，特別是新興的陣列渦流成像檢測技術，通過傳感器結構的特殊設計，運用計算機技術和數字信號處理技術，從而實現對材料和零部件的快速、有效地檢測，有利于公司工作效率的提升和生產管理水平的提高。

文章在陣列渦流理論的基礎上，結合數值仿真技術，研制剛性磁極專用陣列渦流傳感器，利用LabVIEW軟件編譯陣列渦流成像檢測專業軟件，開發具有專業剛性磁極成像檢測系統，從而實現剛性磁極成像檢測，對確保水力發電機組安全運行具有非常重大意義。

2 陣列渦流檢測檢測技術原理

陣列渦流檢測（Eddy Current Array Testing，ECAT）是渦流無損檢測中一個新興的分支，本質上與渦流無損檢測技術一樣，都是研究被測材料中缺陷與電磁場之間的相互作用關系，以已知場源來求解散射場的大小和分布，從而對檢測信號做出準確的評定。它是通過傳感器結構的特殊設計，運用計算機技術和數字信號處理技術，實現對材料和零部件快速、有效地檢測[1]。

由于剛性磁極的無損檢測技術評價是一個全新的應用研究，因此，國內外有關剛性磁極檢測技術應用相當匱乏，開發一套剛性磁極陣列渦流成像檢測系統，能形成具有我國自主知識產權的專業陣列渦流成像技術產品，將其優點和作用廣泛應用于水力發電行業，將會創造巨大的直接經濟效益和社會價值。

3 陣列渦流檢測傳感器

陣列渦流檢測傳感器是陣列渦流檢測系統中的重要部件，當前，每臺水力發電機組有幾十組剛性磁極，這些剛性磁極均采用絕緣材料進行包扎固化，且現場檢測空間存在局限性，因此，考慮到對其缺陷的檢測效率，結合其結構特點，設計一種高效快速的陣列渦流檢測傳感器迫在眉睫。

剛性磁極陣列渦流檢測傳感器的設計基本要求：（1）傳感器能一次掃查完成整個剛性磁極檢測，且在役檢測時不受空間限制。（2）剛性磁極表面覆蓋2～3mm厚度的絕緣材料層，銅片加工可能存在厚度不規則，其傳感器需要有足夠的電磁強度，并存在一定柔性，并能有效地降低提離效應帶來的干擾。（3）渦流存在邊緣效應，需從陣列渦流傳感器設計、檢測工藝等方面進行改進，減小掃查盲區及提高檢測有效率。（4）傳感器要有較高的靈敏度及信噪比，需檢測10mm（長）×1mm（深）×0.3mm（寬）的裂紋缺陷。（5）傳感器要有較高的成像分辨率。陣列傳感器成像分辨率與單一檢測單元的直徑大小相關，直徑越大成像分辨率越低，因此在滿足檢測技術要求的情況下，需減小單一檢測單元的直徑。

在陣列渦流檢測技術的理論基礎上，通過研究陣列渦流傳感器的線圈大小、線圈分布、線圈高度、陣列分布等參數對剛性磁極內渦流場的影響，結合數值仿真技術，對這些技術參數進行模擬，最終研制剛性磁極專用陣列渦流傳感器，其型號為EPTA16CH，外形尺寸為88mm（長）×35mm（寬）×63mm（高），見圖2，其主要技術參數見表1。

4 陣列渦流成像檢測系統

剛性磁極陣列渦流成像檢測系統主要包括主機、軟件、顯示器、傳感器及輔助裝置。該系統性能應該滿足相關技術標準要求，具有時基掃描、多阻抗平面圖、二維成像、C掃描成像、聲光報警等功能。該系統為EEC-98型陣列渦流檢測儀，其主要分為硬件模塊設計及實現、軟件開發及實現兩大部分。

4.1 硬件設計及實現

剛性磁極陣列渦流成像檢測系統硬件模塊主要就是信號采集、數字信號處理及接口電路等，基本工作原理見圖3。單片機收到電腦啟動信號以及外同步信號后，以設定頻率發出正弦波信號至功率放大器，經模擬開關切換后加至各個傳感器。每個傳感器線圈將分配大于10個周期正弦波，然后將經過調制的信號取出經放大后送至XY分解器，再經低通濾波放大后送至A/D轉換器。PC機通過串口接收來自單片機的位置同步信號、通道掃描信號，進一步采用實時數字濾波、實時數據插值等技術對信號進行數據處理，從而得到檢測區域的阻抗圖、時基掃描圖、二維成像圖、C掃描成像圖，并輸出控制信號，實現聲光報警、自動分選等。

4.2 軟件開發及實現

剛性磁極陣列渦流成像技術也是一種數字圖像處理技術，它是指將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進行處理的過程。文章在陣列渦流成像檢測硬件基礎上，利用LabVIEW軟件編譯磁極專業陣列渦流成像檢測軟件，對數據進行采集、分析、處理，從而實現剛性磁極實時掃描成像檢測。

剛性磁極陣列渦流成像檢測專業軟件流程見圖4。

首先通過申請硬件接口地址和傳輸設備控制參數實現設備的初始化。然后通過AD接口實現數據實時通信：16通道的渦流電壓信號通過AD采集卡采集，通過PCI總線傳輸，通過同步信號采集[2-3]實現多通道數據分時同步傳輸。采集數據再經過數字濾波處理之后，最終進行阻抗圖顯示、時基顯示、N通道掃描信號顯示、檢測區C掃描彩色成像等。

5 試驗驗證

為了驗證剛性磁極陣列渦流成像檢測系統的可靠性，選擇法國ALSTOM Y4GM334-500型水力發電機剛性磁極制作了模擬裂紋缺陷對比試塊，材質為銅，加工2個裂紋，裂紋缺陷均為10mm（長）×1mm（深）×0.2mm（寬），見圖5。

6 結束語

文章基于陣列渦流成像檢測技術，開發一套剛性磁極陣列渦流成像檢測系統，并在典型剛性磁極上進行驗證性試驗，結果說明該系統具有較高的可靠性、靈敏度及信噪比，其檢測結果非常直觀明了，便于缺陷信號識別，對開展剛性磁極無損檢測評價具有非常重要意義。

參考文獻

[1]徐可北.渦流陣列檢測技術[J].冶金分析，2004（10）：645-647.

[2]何永勃，邵雨果.基于陣列渦流技術的裂紋特征量研究[J].傳感器與微系統，2010，29（2）：80-82，86.

[3]林俊明，李同濱，林發炳等.陣列渦流探頭在鋼管探傷中的實驗研究[J].鋼管，2001，30（3）：39-40.