一种差分涡流谐振检测探头及系统的制作方法

1.本实用新型涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种差分涡流谐振检测探头及系统。


背景技术：

2.管道运输被认为是最安全经济传输方式之一。然而如同所有的工程设备都会存在安全问题，在管道的使用中，裂纹缺陷往往会随时间出现。过去数十年，全球因管道故障引发了大量安全事故，为避免这一问题，世界各国都投入了大量的人力财力对管道运行状态进行实时检测，以及时发现管道缺陷。当前，管道内检测方法广泛应用于管道完整性评价，成为保障油气管道安全运输的重要预控手段，对排除管道风险因素具有重大意义。管道内检测方法凭借较好的缺陷定性及定量分析能力，能有效评价管道运行状态，间接降低管道爆炸事故的发生率。
3.此外，现有管道无损检测手段如漏磁法、超声检测、交变电磁场、涡流检测等均存在不足之处：漏磁检测对于非铁磁性管道的检测效果不好，仪器重量比较大，检测效率较低；超声检测则需要耦合剂，检测速度极慢，检测时间长，有一定的近场盲区，易造成漏检；交变电磁场检测技术对提离效应的检测效果不好，并且磁轭在管道中不容易放置；现有涡流检测无法有效将缺陷信息从检测信号中分离出来，缺陷检测性能有待提升。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有涡流检测无法有效将缺陷信息从检测信号中分离出来，缺陷检测性能有待提升的问题，提供一种差分涡流谐振检测探头及系统。
5.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种差分涡流谐振检测探头，其包括耦合设置的激励线圈和接收线圈，接收线圈并联有第一谐振电容。
6.在一示例中，所述接收线圈包括多层串联连接的接收子线圈。
7.在一示例中，所述接收子线圈为pcb矩形线圈。
8.在一示例中，所述激励线圈并联有第二谐振电容。
9.在一示例中，所述激励线圈为差分线圈。
10.在一示例中，所述激励线圈为pcb差分线圈。
11.在一示例中，所述激励线圈为pcb矩形差分线圈。
12.在一示例中，所述第一谐振电容和/或第二谐振电容为可调电容。
13.在一示例中，所述激励线圈与接收线圈同轴耦合设置。
14.需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
15.本实用新型还包括一种差分涡流谐振检测系统，所述系统包括上述任一示例或多个示例组成形成的所述检测探头，还包括信号发生器和后端数据处理单元，信号发生器、检测探头和后端数据处理单元顺次连接。
16.与现有技术相比，本实用新型有益效果是：
17.1.在一示例中，通过在接收线圈并联第一谐振电容，使接收线圈与第一谐振电容达到谐振状态，增加了检测到缺陷时的信号电压，能够更好反映微小变化信息，以此将缺陷准确从检测信号中分离出来，提高了缺陷检测性能。
18.2.在一示例中，多层串联连接的接收子线圈，不仅能够提高检测灵敏度，同时降低最佳检测频率，还能有效降低对激励信号的要求。同时，采用多个接收子线圈创建的线圈阵列，能够减少检测时间。
19.3.在一示例中，接收子线圈为pcb矩形线圈，矩形线圈在平铺成线圈阵列时更容易拼接组合，对边缘效果的敏感性较低；pcb线圈具有体积小、对表面缺陷灵敏度高的特点，同时由于有效提离量小，因此对缺陷的敏感性高，在涡流检测领域具有广阔的应用前景；进一步地，pcb线圈易于直接制造，易于永久性地固定在检测机器人上；此外，pcb线圈具有足有的柔韧性，允许线圈与待检测管道表面保持一致，因此本技术检测探头在检测复杂表面几何形状方面也有十分广阔的应用前景。
20.4.在一示例中，通过在激励线圈并联第二谐振电容，使激励线圈与第二谐振电容达到谐振状态，增强了被测试件上产生的涡流强度，使缺陷扰动造成更大的次级磁场变化，增加了检测到缺陷时的信号电压，进一步提升了缺陷检测性能。更进一步地，通过在激励线圈和接收线圈并联电容，改变了激励线圈和检测线圈的耦合关系，增加了线圈间互感，降低了最佳激励频率，增加了涡流的趋肤深度，提高了对深层缺陷的检测能力。
21.5.在一示例中，激励线圈为差分线圈，能够在线圈中心区域形成均匀涡流，在检测到缺陷时中间涡流区域能够产生明显的涡流的改变，进而改变磁场，便于分辨出缺陷部分。
22.6.在一示例中，激励线圈为pcb线圈，利于将激励线圈、接收线圈集成一体，便于对被测试件进行无损检测。
23.7.在一示例中，矩形线圈相较于其他形状线圈更容易区别不同形状的缺陷。
24.8.在一示例中，谐振电容为可调电容，通过改变电容容值，便于使谐振电容与激励线圈或接收线圈达到谐振状态。
25.9.在一示例中，激励线圈与接收线圈同轴耦合设置，能够最大程度提高能量传输效率，进而提高检测探头灵敏度。
附图说明
26.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
27.图1为本实用新型一示例中接收线圈结构示意图；
28.图2为本实用新型一示例中第一层接收子线圈结构示意图；
29.图3为本实用新型一示例中第二层接收子线圈结构示意图；
30.图4为本实用新型一示例中第三层接收子线圈结构示意图；
31.图5为本实用新型一示例中第四层接收子线圈结构示意图；
32.图6为本实用新型一示例中激励线圈结构示意图；
33.图7为本实用新型一示例中第一谐振电容示意图；
34.图8为本实用新型一示例中第二谐振电容示意图；
35.图9为本实用新型一示例中检测系统框图；
36.图10为本实用新型一示例中本实用新型检测探头引入谐振电容前后对铁磁性x80平板不同尺寸的缺陷的检测信号对比图；
37.图11为本实用新型另一示例中本实用新型检测探头引入谐振电容前后对铁磁性x80平板不同尺寸的缺陷的检测信号对比图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
41.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
42.在一示例中，一种差分涡流谐振检测探头，用于对被测试件进行无损检测，如用于对管道缺陷进行检测。其包括耦合设置的激励线圈和接收线圈，激励线圈、接收线圈由铜线绕制而成，接收线圈并联有第一谐振电容c1。具体地，耦合设置表示激励线圈在交流激励信号驱动下产生交变磁场，通过电磁耦合，携带有被测试件缺陷信息的检测信号被耦合到接收线圈。激励线圈、接收线圈为铜线绕制而成的圆形线圈或矩形线圈等。第一谐振电容c1的容值根据接收线圈感值进行选择，以使第一谐振电容c1与接收线圈能够达到谐振状态，增加了检测到缺陷时的信号电压，同时降低了采集的检测信号(含被测试件缺陷信息的信号)的底噪，能够更好反映微小变化信息即缺陷的扰动信息，以此将缺陷准确从检测信号中分离出来，提高了缺陷检测性能。
43.在一示例中，如图1所示，接收线圈包括多层在竖直方向上串联连接的接收子线圈，优选各层接收子线圈同轴设置。作为一优选实施例，接收线圈包括四层接收子线圈，具体为如图2所示第一层接收子线圈，如图3所示第二层接收子线圈，如图4所示第三层接收子线圈，如图5所示第四层接收子线圈，第一层接收子线圈、第四层接收子线圈分别设有输入端口input1和输出端口output1，通过两个端口与第一谐振电容c1并联。进一步地，接收线
圈印制在pcb板上，pcb板上设有过孔via1、via2、via3以实现四层接收子线圈之间的连接，以及两个接口input1和output1与第一谐振电容c1进行连接。如图2所示，第一层接收子线圈两端一端连接接口input1，另一端连接过孔via2；如图3所示，第二层接收子线圈一端通过过孔via2与第一层接收子线圈连接，另一端连接过孔via3；如图4所示，第三层接收子线圈一端通过过孔via3与第二层接收子线圈连接，另一端连接至过孔via1；如图5所示，第四层接收子线圈一端通过过孔via1与第三层接收子线圈连接，另一端连接接口output1。本示例中，多层串联连接的接收子线圈，不仅能够提高检测灵敏度，同时降低最佳检测频率，还能有效降低对激励信号的要求。同时，采用多个接收子线圈创建的线圈阵列，能够减少检测时间。
44.在一示例中，接收子线圈为pcb矩形线圈。其中，矩形线圈在平铺成线圈阵列时更容易拼接组合，对边缘效果的敏感性较低；pcb线圈具有体积小、对表面缺陷灵敏度高的特点，同时由于有效提离量小，因此对缺陷的敏感性高，在涡流检测领域具有广阔的应用前景；进一步地，pcb线圈易于直接制造，易于永久性地固定在检测机器人上；此外，pcb线圈具有足有的柔韧性，允许线圈与待检测管道表面保持一致，因此本技术检测探头在检测复杂表面几何形状方面也有十分广阔的应用前景。
45.在一示例中，激励线圈并联有第二谐振电容c2，优选第二谐振电容c2靠近信号发生器设置，即信号发生器输出端依次与第二谐振电容c2、激励线圈连接。通过在激励线圈并联第二谐振电容c2，使激励线圈与第二谐振电容c2达到谐振状态，增强了被测试件上产生的涡流强度，使缺陷扰动造成更大的次级磁场变化，增加了检测到缺陷时的信号电压，进一步提升了缺陷检测性能。更进一步地，通过在激励线圈和接收线圈并联电容，改变了激励线圈和检测线圈的耦合关系，增加了激励线圈与接收线圈之间的互感，降低了最佳激励频率，增加了涡流的趋肤深度，最终增强接收线圈电压(检测信号)，提高了对深层缺陷的检测能力。
46.在一示例中，激励线圈为差分线圈，能够在线圈中心区域形成均匀涡流，在检测到缺陷时中间涡流区域能够产生明显的涡流的改变，进而改变磁场，便于分辨出缺陷部分。
47.在一示例中，激励线圈为pcb差分线圈，同时接收线圈采用pcb线圈，利于将激励线圈、接收线圈集成一体，便于对被测试件进行无损检测，同时能够保证检测探头的检测性能。
48.在一示例中，激励线圈为pcb矩形差分线圈，矩形线圈相较于其他形状线圈更容易区别不同形状的缺陷。更为具体地，如图6所示，激励线圈包括两个对称设置的pcb矩形差分线圈，以在激励信号作用下产生更加均匀的涡流；两个pcb矩形差分线圈首尾分别连接，以此引出输入接口input2、输出接口output2，第二谐振电容c2两端分别连接至输入接口input2、输出接口output2，以在激励线圈上并联第一谐振电容c1。
49.在一示例中，如图7所示，第一谐振电容c1为可调电容，第一谐振电容c1一端引出两个接口c1和input0，另一端引出两个接口c2和output0；其中，第一谐振电容c1的接口c1、c2与接收线圈的端口input1、output1连接，第一谐振电容c1的接口input0、output0与后端数据处理单元连接。如图8所示，第二谐振电容c2为可调电容，第二谐振电容c2一端引出两个接口c3和input3，另一端引出两个接口c4和output3；其中，第二谐振电容c2的接口input3、output3与作为激励信号源的信号发生器连接，第二谐振电容c2的接口c3、c4与激
励线圈的端口input2、output2连接。本示例中，两个谐振电容容值范围为0-120pf，通过改变两个谐振电容容值，便于使谐振电容与激励线圈或接收线圈达到谐振状态。作为一选项，确定谐振电容容值后可更换贴片电容，利于使谐振电容分别与激励线圈、接收线圈集成一体，提高缺陷检测性能且易于实现。
50.在一示例中，激励线圈与接收线圈同轴耦合设置，即激励线圈与接收线圈位于同一中轴线上，优选此时激励线圈与接收线圈具备最佳耦合系数，进而能够最大程度提高能量传输效率，进而提高检测探头灵敏度。
51.将上述多个示例进行组合得到本技术优选示例，此时激励线圈包括两个对称设置的pcb矩形差分线圈，且并联有第二谐振电容c2；接收线圈包括四层串联连接的接收子线圈，接收子线圈为pcb矩形线圈，且接收线圈并联有第一谐振电容c1，激励线圈与接收线圈以最佳耦合系数进行设置并封装，得到优选检测探头。当激励线圈通入交流激励信号，在被测试件上激发涡流，激发出的涡流产生次级磁场，进而被接收线圈接收，当被测试件中出现缺陷时，被测试件上的涡流流向会发生变化，导致接收线圈的电压幅值或者相位发生变化，而增加的可调电容，通过调节电容的容值，分别使激励回路和检测回路达到谐振状态，并增加了激励线圈与接收线圈的互感，增加了在检测到缺陷时的线圈电压，进而检测出被测试件的相关缺陷信息并提高缺陷检测能力。
52.本实用新型还包括一种差分涡流谐振检测系统，系统包括上述任意示例或多个示例组成形成的检测探头，还包括信号发生器和后端数据处理单元，信号发生器、检测探头和后端数据处理单元顺次连接。具体地，后端数据处理单元包括顺次连接信号处理模块和上位机，此时如图9所示，信号发生器、第二谐振电容c2、激励线圈顺次连接，接收线圈、第一谐振电容c1、信号处理模块和pc顺次连接。本示例信号处理模块为fpga，上位机用于分析检测探头反馈的检测信息，以此判断管道是否出现缺陷。作为一选项，检测系统还包括控制管理单元，用于信息存储；本示例中控制管理单元为arm处理器，fpga经arm处理器与上位机双向连接。
53.作为一优选示例，系统还包括第一信号调理模块和第二信号调理模块，第一信号调理模块包括第一信号放大子模块，信号发生器输出端与第一信号放大子模块连接；第二信号调理模块包括顺次连接的第二信号放大模块和模数转换子模块，接收线圈与第二信号放大模块连接，模数转换子模块与信号处理模块连接。具体地，数模转换子模块(模数转换子模块)具体为adc芯片，信号放大子模块具体为功率放大器芯片或运算放大器芯片，芯片之间的引脚连接具体根据芯片手册进行实施，属于本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。
54.为进一步说明本实用新型的发明构思，现对本实用新型检测系统的工作原理进行说明：
55.将检测系统中检测探头置于被测试件上，系统上电开始工作，信号发生器产生正弦波激励信号，经功率放大器(第一信号放大子模块)放大并施加到激励线圈，激励线圈在激励信号的驱动下产生初级磁场，初级磁场在被测试件(管道)表面产生涡流，涡流在缺陷处流向发生改变，因为涡流发生了变化，涡流生成的次级磁场发生变化，通过检测接收线圈的磁通量发生变化，进而检测接收线圈的幅值和相位发生变化，因此，将初级磁场产生的感应电压、次级磁场产生的感应电压(反馈的检测信号)经运算放大器(第二信号放大子模块)
进行放大处理，并经adc芯片转换后传输至信号处理模块，信号处理模块将该反馈的检测信号传输至上位机，上位机对提取该检测信号的幅值和相位值，获取检测信号的幅值及相位变化。进一步地，与激励线圈并联的第二谐振电容c2通过调节容值，与激励电感线圈达到谐振，增大了作用在激励线圈上的电压，进而增加了试件上产生的涡流强度，缺陷的扰动会造成次级磁场更大的变化，增加了检测到缺陷时的信号电压；更进一步地，与接收线圈并联的第一谐振电容c1与检测电感线圈组成谐振电路，直接增加了在检测到缺陷时的信号电压。同时，与激励线圈和接收线圈分别并联的电容增加了激励线圈和接收线圈的电感，进而增加了线圈间互感，并最终增加接收线圈电压，提高了缺陷的检测性能。
56.为进一步说明本技术的技术效果，现给出本技术检测探头引入两个谐振电容前后对铁磁性x80平板中间具有不同尺寸缺陷的检测信号对比图。具体地，本次检测过程中，检测探头与被测试件的提离值为5mm，移动速度为30mm/s，其检测结果再经过处理，得到如图10所示的检测信号图，图中横坐标为与检测距离呈正比的点数，纵坐标为信号幅值，单位为mv。当检测探头经过无缺陷位置时，检测信号幅度不变，当检测探头经过有缺陷位置时，检测信号幅度发生变化，并且变化的幅度与缺陷的尺寸有关，在本次检测中，当缺陷的宽度、深度、面积增大时，缺陷幅度变化都会相应增大。其中，图(a)、(b)、(c)、(d)为未引入两个谐振电容的检测示意图，图(e)、(f)、(g)、(h)为引入两个谐振电容的检测示意图，图10(a)、(e)互为参考，为对不同宽度的矩形缺陷检测信号图；
57.图10(b)、(f)互为参考，为对不同深度的矩形缺陷检测信号图；图10(c)、(g)互为参考，为对不同面积的圆形缺陷检测信号图；图10(d)、(h)互为参考，为对不同方向的矩形缺陷检测信号图。由图中结果可看出，在引入两个谐振电容后，缺陷的变化幅度明显增大，进而能够更加精准将缺陷信号从检测信号中分离出来，提升了检测性能。
58.进一步地，利用本实用新型检测探头在引入谐振电容前后对铁磁性x80平板中间具有不同形状缺陷的检测信号对比图。具体地，本次检测过程中，检测探头与被测试件的提离值为5mm，移动速度为30mm/s，检测结果再经过处理，得到图11所示的检测信号图，图中横坐标为与检测距离呈正比的点数，纵坐标为信号幅值，单位为mv。当检测探头经过无缺陷位置时，检测信号幅度不变，当检测探头经过有缺陷位置时，检测信号幅度发生变化。图11(a)与图11(b)为不加可调电容的检测信号图，图11(c)与11(d)为增加可调电容的检测信号图，可以明显的看出，在同样的检测环境下，引入谐振电容的幅值变化更大，并且信号的底噪更小，具有更好的检测性能。
59.以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。