一种基于电磁转矩变化的导体中缺陷的无损检测方法

摘要

本发明涉及一种基于电磁转矩变化的导体中缺陷的无损检测方法，属于电力、电子工业、冶金工业、半导体材料、石油能源技术领域。本方法首先在圆柱形永磁体的一侧设置转矩传感器，驱动圆柱形永磁体旋转，使不含缺陷的导体与旋转的圆柱形永磁体靠近，测得圆柱形永磁体的旋转角速度随时间变化的参考曲线，再测得带有缺陷的永磁体的旋转角速度随时间变化的多个标定曲线，使永磁体靠近被测导体，得到测量曲线，将测量曲线与标定曲线进行比较，得到被测导体的缺陷尺寸。本发明方法适用于线材、管材以及薄板类的导体，且被测导体无须运动，简化了测量条件、测量过程和测量成本，简化了测量设备，易于实现自动化和小型化，可以应用到更多的领域和环境中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电磁转矩变化的导体中缺陷的无损检测方法，尤其涉及一种薄板 类、线材、管件类导体中缺陷的检测方法，属于电力、电子工业、冶金工业、半导体材料、 石油能源技术领域。

背景技术

管、线材和薄板类等金属材料可能由于原材料和制备工艺的原因含有杂质(如氧化物、 硫化物颗粒等)孔穴、裂纹等缺陷，这将严重影响材料的使役性能。例如在电力、电子工 业中，当金属导线、金属薄板、电路板等材料中含有非导电的第二相杂质颗粒时则将大大 降低其电学性能，并且降低其机械强度，工作时还可能产生额外的焦耳热，使器件过热、 变形甚至烧毁电路和电子设备。在冶金和制造业工业中，薄板类材料可用于汽车、家用电 器、食品包装、电子产品的壳体或封装材料，有的薄板类材料的厚度甚至不足1毫米，如 果其中含有较大的杂质将成为严重的质量缺陷，因此非常有必要在薄板生产过程中进行定 量监测。在石油、化工领域里，输送石油或其它化工液体的管路由于长期在强酸、强碱或 潮湿(如海底石油管路)等恶劣条件下服役，如材料防护不当或超期服役极容易产生电化 学腐蚀或形成疲劳裂纹，由于所需的维护条件极为不便，如果出现故障或材料失效则可能 引起灾难性后果。因此开发有效简便的检测方法十分必要且具有重要的、现实的国民经济 和国防科技意义。为方便描述将上述电导率近似为零的杂质、孔穴、裂纹等统称为缺陷。

目前利用电磁原理进行的无损检测主要的方法有高密度电法(直流)、瞬变电磁法、 频率域电磁法、激发极化法(应用频率范围：10²-10⁴Hz)等。高密度电法是一种接触 方法，存在电极接触问题应用场合已较少。上述其余方法都是利用交变电场或电磁波的检 测方法，需要提供电磁场源，在被测物体内激发出二次电场和磁场，根据频域特征或者电 磁场特征来检测。一般来说，设备都比较复杂，测量仪的体积较大，适用环境的能力受到 很大限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于电磁转矩变化的导体中缺陷的无损检测方法，利用缺陷 和导体之间电导率的差异，定量地、非直接接触地检测导体中的缺陷，并使测试过程简单 可靠。

本发明提出的基于电磁转矩变化的导体中缺陷的无损检测方法包括以下步骤：

(1)在一个沿径向磁化、厚度为w的圆柱形永磁体的一侧设置一个转矩传感器；

(2)驱动圆柱形永磁体旋转，当圆柱形永磁体达到一个初始速度时撤除驱动力，使 圆柱形永磁体在惯性作用下继续转动；

(3)使不含缺陷的导体与旋转的圆柱形永磁体靠近，间隔距离为d，通过转矩传感 器测得圆柱形永磁体的旋转角速度随时间变化的参考曲线；

(4)在导体上钻得直径不等且间隔距离大于圆柱形永磁体厚度w的多个小孔，将步骤 (2)的旋转圆柱形永磁体依次靠近导体上多个直径不等的小孔，得到圆柱形永磁体的旋 转角速度随时间变化的多个标定曲线；

(5)将步骤(2)的旋转圆柱形永磁体靠近被测导体，得到一条圆柱形永磁体的旋转 角速度随时间变化的测量曲线；

(6)将步骤(5)的测量曲线与步骤(4)的标定曲线进行比较，若测量曲线与一条标 定曲线相重合，则被测导体的缺陷尺寸等于与该标定曲线相对应的小孔尺寸，若测量曲线 位于相邻两条标定曲线之间，则被测导体的缺陷尺寸介于与该相邻两条标定曲线相对应的 小孔尺寸之间。

本发明提出的基于电磁转矩变化的导体中缺陷的无损检测方法，具有以下特点和优点：

1、本发明方法适用于线材、管材以及薄板类的导体，且被测导体无须运动，简化了测 量条件、测量过程和测量成本，因此可以大大简化测量设备；

2、本发明方法在测量过程中，被测导体与测量仪器不直接接触，是一种无损检测方法， 且只需测量旋转角速度变化，无须测量相应的力，因此测量过程方便简单；

3、本发明方法与已有的利用电磁原理进行的无损检测方法相比，本发明方法简单易行， 根据本发明方法设计的探测仪器，易于实现自动化和小型化，可以应用到更多的领域和环 境中。

附图说明

图1是使用本发明方法进行测量的一个实施例的示意图。

图2是使用本发明方法标定过程示意图，其中参考曲线为不含有杂质时角速度随时间 变化的曲线，曲线1，2，…，n对应的标定小孔的尺寸为d₁，d₂，…，d_n，小孔的大小 关系为d₁＜d₂＜…＜d_n。

图3是使用本发明方法的测量原理示意图。

图1～图3中，1是圆柱形永磁体，2是带锥形的不锈钢细轴，3是玻璃陶瓷支撑架，4 是铜柱，5是连接轴，6是电机，7是被测导体，8是导体中的缺陷，9是感应电流的敏感 区域。

具体实施方式

本发明提出的基于电磁转矩变化的导体中缺陷的无损检测方法，其实施例的原理示意 图如图1所示，包括以下步骤：

(1)在一个沿径向磁化、厚度为w圆柱形永磁体1的一侧设置一个转矩传感器(图 中未示出)；

(2)驱动圆柱形永磁体1旋转，当圆柱形永磁体1达到一个初始速度时撤除驱动力， 使圆柱形永磁体1在惯性作用下继续转动；在本发明的一个实施例中，采用电磁感应的方 法驱动圆柱形永磁体1旋转，如图1所示，通过在电机6带动下旋转的铜柱4基于电磁感 应的方法实现了对圆柱形永磁体1的驱动；

(3)使不含缺陷的导体与旋转的圆柱形永磁1体靠近，间隔距离为d，通过转矩传 感器测得圆柱形永磁体的旋转角速度随时间变化的参考曲线，如图2所示；

(4)为了定量测量缺陷尺寸，预先作如下标定实验：在导体上钻得直径不等且间隔距 离大于圆柱形永磁体厚度w的多个小孔，以模拟不等尺寸的缺陷。分别将步骤(2)的旋 转圆柱形永磁体1依次靠近导体上多个直径不等的小孔，得到圆柱形永磁体的旋转角速度 随时间变化的多个标定曲线；由于小孔越大，所感应的电磁力越小，磁体所受到的扭矩越 小。旋转角速度随时间衰减变慢。例如小孔直径为d₁＜d₂＜…＜d_n，则所测得的曲线将 分别为1，2，…，n；

(5)将步骤(2)的旋转圆柱形永磁体1靠近被测导体7，得到一条圆柱形永磁体的 旋转角速度随时间变化的测量曲线；

(6)将步骤(5)的测量曲线与步骤(4)的标定曲线进行比较，若测量曲线与一条标 定曲线相重合，则被测导体的缺陷尺寸等于与该标定曲线相对应的小孔尺寸，若测量曲线 位于相邻两条标定曲线之间，则被测导体的缺陷尺寸介于与该相邻两条标定曲线相对应的 小孔尺寸之间。

本发明的基本原理如下：

如图3(a)所示，圆柱形旋转永磁体1在其周围形成旋转磁场，所测的导体7处于旋转 磁场内切割磁力线将在其内部产生感应电流，感应电流与磁场相互作用在导体内产生洛仑 兹力。根据牛顿第三定律(作用力与反作用力定律)所测的导体7对旋转的圆柱形永磁体 1产生大小相等方向相反的作用力，所产生的电磁转矩阻碍圆柱形永磁体1的旋转运动， 使圆柱形永磁体1旋转速度衰减直至停止，即电磁制动过程。如图3(b)所示，当上述导体 7内含有缺陷8(缺陷不导电)时上述过程中所产生的感应电流减小，进而产生的电磁力 也减小，相应的电磁转矩也减小，这种减小过程会反映到圆柱形永磁体1的旋转角速度随 时间变化的曲线上，该曲线通过电磁传感器可测出。这样，通过该曲线变化可推出导电体 7内缺陷8的尺寸和分布信息。

本发明适用于管、线、薄板类导电体中非导电杂质或缺陷的检测，由于上述材料的厚 度较小，被检测的导体物体能很容易满足电磁渗透条件：测量厚度小于趋肤层厚度；此外， 标定所采用的小孔和缺陷之间差异的影响也会很小，可忽略不计。

根据上述本发明的基本原理对本发明作进一步说明：

在保证使用安全的情况下圆柱形永磁体1与被测导体7之间的距离d越小越好，以期 在被测导体7内获得较强的磁场，进而得到较强的测量信号。

如图3(a)所示，旋转的圆柱形永磁体1在被测导体7中产生的感应电流有一个集中分 布区域，称这个区域为感应电流的敏感区域9，。当缺陷8位于感应电流的敏感区域9时才 能获得其尺寸信息。如图3(b)所示，感应电流的敏感区域9应该与缺陷尺寸相适应：感应 电流的敏感区域9不应太大，否则所测得的含缺陷8的角速度随时间的变化曲线与参考曲 线差异不明显；感应电流的敏感区域9也不应太小，否则测量时缺陷8超出了感应电流的 敏感区域9的范围，测量将得不到缺陷准确的尺寸信息。

上述感应电流的敏感区域9与圆柱形永磁体1的厚度大致相当，因此圆柱形永磁体1 的厚度决定了被探测缺陷8的最大和最小分辨率。圆柱形永磁体1的厚度一般选为略大于 所要检测缺陷的名义尺寸；感应电流的敏感区域9与圆柱形永磁体1的直径也有关联关系。

为使圆柱形永磁体1获得一个初始角速度可有不同方法，如可采用机械驱动，然后测 除驱动力再进行上述测量过程。在图1的实施例中采用了电磁感应驱动的方法。在圆柱形 永磁体1的侧面设有一条轴线与其平行的圆柱形铜柱4，圆柱形铜柱4通过连接轴5与电 机6相连。具体测量操作过程如下：通过电机6驱动使铜柱4旋转，处于圆柱形永磁体1 产生的磁场内的旋转的铜柱4获得感应电流，圆柱形铜柱4受到感应电流与磁场作用产 生洛仑兹力，其反作用力驱动圆柱形永磁体1旋转。待圆柱形永磁体1达到一定转速且平 稳后，快速撤走铜柱4和与之相连的电机6，使圆柱形永磁体1获得一定的初始角速度， 并在惯性作用下保持转动。

在图1的实施例中，为了尽量减小圆柱形永磁体1与支撑架3之间的摩擦力，支撑架 1采用了玻璃陶瓷材料，细轴2采用两头带锥形的不锈钢柱结构。在支撑架3上加工出内 凹形小洞以固定细轴2，上述措施可基本消除摩擦力对测量过程的影响。