燃料元件質(zhì)量陣列渦流檢測(cè)范文

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《工程與試驗(yàn)雜志》2014年第四期

1陣列渦流檢測(cè)系統(tǒng)

1.1陣列渦流儀陣列渦流儀采用廈門愛(ài)德森公司的EEC－2005，如圖1所示，原理方框圖如圖2所示［1］。儀器包含陣列探頭、直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）、信號(hào)發(fā)生器、運(yùn)放和功放電路、模擬開(kāi)關(guān)陣列、正交矢量型鎖相放大器、信號(hào)采集、信號(hào)處理及信號(hào)顯示。DDS產(chǎn)生單頻、雙頻或脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大，激勵(lì)被模擬開(kāi)關(guān)陣列選中的陣列探頭的線圈單元。工件不連續(xù)性被檢測(cè)線圈感知，產(chǎn)生諧波信號(hào)，這些諧波信號(hào)的幅度和相位變化經(jīng)由正交矢量鎖相放大器檢測(cè)到，并由PCI卡采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)。最后，陣列渦流儀的專用軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并顯示。

1.2陣列探頭研發(fā)根據(jù)早期的研究，采用D－P雙激勵(lì)探頭開(kāi)展陣列探頭的設(shè)計(jì)。由于本項(xiàng)目開(kāi)展的目的旨在探索陣列探頭對(duì)燃料元件表面質(zhì)量檢查的可行性及檢出能力，較多的通道數(shù)會(huì)增加探頭的研發(fā)成本，所以采用8個(gè)單元的陣列探頭。探頭采用基于單線圈檢測(cè)的渦流陣列，直接在基底材料上制作多個(gè)敏感線圈，布置成矩陣形式的陣列。為了消除線圈之間的干擾，相鄰線圈之間要保留足夠的空間［4］。圖3是所研發(fā)的陣列探頭，圖4是其小線圈分布示意圖。圖4中，線圈與線圈之間間距皆為3．6mm，1、2、3、4、5、6、7、8為線圈的序號(hào)。1、2、4線圈呈等邊三角形，1、3、4線圈也呈等邊三角形……依次類推，5、7、8線圈也呈等邊三角形，這樣使線圈磁場(chǎng)均勻分布，每個(gè)線圈對(duì)同一缺陷的響應(yīng)基本相同，這對(duì)信號(hào)的分析和評(píng)判是非常有用的。為克服線圈與線圈之間的干擾，儀器對(duì)線圈采用分區(qū)激勵(lì)的方式，第一時(shí)序激勵(lì)1、5線圈，第二時(shí)序激勵(lì)2、6線圈，第三時(shí)序激勵(lì)3、7線圈，第四時(shí)序激勵(lì)4、8線圈……周而復(fù)始，這樣避免了相鄰線圈電磁場(chǎng)之間的干擾。在后續(xù)的試驗(yàn)中，探頭的噪聲很小，證明這種激勵(lì)方式能夠保證檢測(cè)需要的信噪比。

1.3標(biāo)準(zhǔn)試樣的設(shè)計(jì)和研制陣列探頭研發(fā)中，標(biāo)準(zhǔn)試樣用以測(cè)試探頭性能、校準(zhǔn)儀器靈敏度等，要求采用與被檢對(duì)象電磁特性、加工工藝相同的材料制作。在標(biāo)準(zhǔn)試塊上，用電火花方式，加工不同深度的槽傷，研究陣列探頭的檢出能力，其人工傷尺寸及示意圖如表1、圖5所示。

2試驗(yàn)與分析

2.1陣列探頭缺陷掃描圖6采用簡(jiǎn)單的條形圖方式，描述兩次掃描中，陣列探頭和0．028mm（深）0．048mm（寬）3．3mm（寬）人工槽傷處在不同的相對(duì)位置時(shí)缺陷信號(hào)的指示情況。在第1次掃描中，3號(hào)線圈單元直接掃過(guò)槽傷，2號(hào)及4號(hào)線圈單元幾乎沒(méi)有掃描到。此時(shí)，3號(hào)線圈的渦流信號(hào)很強(qiáng)，4號(hào)或2號(hào)線圈信號(hào)很微弱。在第2次掃描中，使3號(hào)和4號(hào)線圈單元掃過(guò)槽傷，槽傷幾乎處在這兩個(gè)線圈單元的中間位置，而不在它們的敏感區(qū)內(nèi)。此時(shí)，3號(hào)和4號(hào)線圈單元的渦流信號(hào)幅值幾乎相等，而且一個(gè)為正值，一個(gè)為負(fù)值，這是由于這兩個(gè)線圈不同的差分特性決定的。通過(guò)兩次掃描實(shí)例（其它試驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)）可以看出，不論槽傷在什么位置，陣列探頭都能夠檢出。換句話說(shuō)，對(duì)一個(gè)特定的檢測(cè)區(qū)域，陣列探頭實(shí)現(xiàn)了足夠的覆蓋率［3］。從兩次掃描實(shí)例還可進(jìn)一步得到，陣列探頭在一次掃描中，能夠提供比單個(gè)線圈更豐富的缺陷信息，比如缺陷的長(zhǎng)度和寬度信息。

2.2陣列渦流儀多通道檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一評(píng)定方法研究圖7是EEC－2005陣列渦流儀器多通道渦流信號(hào)顯示圖。圖中，左邊兩列是設(shè)定通道的長(zhǎng)條圖顯示，右邊8個(gè)窗口是8個(gè)線圈單元渦流信號(hào)的李沙育顯示窗口。由于小線圈單元在制造和裝配過(guò)程中不盡相同，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致它們對(duì)同一缺陷的檢測(cè)結(jié)果不盡相同，這給不同通道的渦流信號(hào)統(tǒng)一評(píng)定帶來(lái)難題。經(jīng)過(guò)思考分析，認(rèn)為雖然陣列探頭中線圈單元之間存在個(gè)體差異，但當(dāng)它們以相同狀態(tài)掃過(guò)同一個(gè)缺陷時(shí)，各個(gè)線圈由缺陷所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)畸變量是成正比的。由此，采用多個(gè)通道對(duì)特定缺陷的渦流信號(hào)設(shè)定相同幅值的方法解決了缺陷統(tǒng)一評(píng)定的問(wèn)題。試驗(yàn)中，采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)試塊上0．1mm（深）0．02mm（寬）30mm（長(zhǎng)）的槽傷對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行標(biāo)定，陣列探頭的每個(gè)線圈同時(shí)掃過(guò)該人工傷，各個(gè)通道的窗口上都有信號(hào)顯示出來(lái)。標(biāo)定該信號(hào)幅值皆為8V。這樣，每個(gè)通道以相同掃描狀態(tài)經(jīng)過(guò)相同的缺陷時(shí)，它們對(duì)這個(gè)缺陷的信號(hào)幅值都應(yīng)該是一致的。這就建立了多通道檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一評(píng)定的方法。試驗(yàn)證明，在采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)試塊上0．1mm（深）0．02mm（寬）30mm（長(zhǎng)）的槽傷對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行標(biāo)定后，各個(gè)線圈以相同的狀態(tài)通過(guò)任何一個(gè)人工傷時(shí)，對(duì)應(yīng)的窗口上的渦流信號(hào)的幅值相同。根據(jù)上述分析，為了對(duì)未知缺陷深度進(jìn)行評(píng)定，在8個(gè)線圈的對(duì)應(yīng)顯示窗口，建立了缺陷深度和信號(hào)幅值之間的標(biāo)定曲線，如圖8所示。由于進(jìn)行了統(tǒng)一標(biāo)定，所以8個(gè)窗口的標(biāo)定曲線一致性很好。

2.3陣列探頭的檢出能力陣列探頭能夠發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣上最小深度為0．028mm的人工槽傷，且顯示出足夠的信噪比（＝10）。至于能夠檢出的最小缺陷深度，尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

2.4試驗(yàn)驗(yàn)證采用陣列探頭對(duì)人工槽傷C、F、G、H、I進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)一自然缺陷（K）進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)深度和實(shí)際深度的對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出，檢測(cè)值和實(shí)際值最大偏差為0．006mm。在渦流檢測(cè)中，這樣的精度已是非常高了。比如，在燃料棒氧化膜厚度檢測(cè)中，檢測(cè)誤差要求為10"m。

3結(jié)論

通過(guò)陣列探頭研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)試樣研制、試驗(yàn)與分析等，研究了缺陷掃描過(guò)程覆蓋的完整性，研究了陣列渦流儀多通道檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一評(píng)定方法，解決了多通道分析中的信號(hào)評(píng)定技術(shù)，對(duì)缺陷的檢出能力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，采用文中所述檢測(cè)技術(shù)，能夠檢出0．03mm深的缺陷，檢測(cè)誤差優(yōu)于10"m。

作者：李冬 戴永紅 熊婧 高三杰 黃海翔 單位：反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 愛(ài)德森（廈門）電子有限公司