yy.vip易游-用于管道无损检测的涡流检测探头及系统的制作方法

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站-

　　1.本实用新型涉及无损检测技术领域，尤其涉及用于管道无损检测的涡流检测探头及系统。

　　2.管道运输被认为是最安全经济传输方式之一。在管道运行使用过程中，随时间流逝管道本体往往会出现缺陷。过去数十年，全球因管道缺陷引发事故，造成了大量人员伤亡及经济损失。为了提前发现管道缺陷，消除安全隐患，各科研团队都对管道开展周期性检测，及时发现并修复管道缺陷，保证管道安全可靠运行。

　　3.涡流检测是当下针对管道结构表面/近表面缺陷进行定量无损评估的有效方法，具有对表面及近表面浅缺陷检测能力高、非接触、快速检测等优点，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。

　　4.现有涡流检测探头一般包括激励线圈和感应线圈(检测线圈)，利用激励线圈产生变化的磁场在被检测件(试件)表面感应形成涡流场，涡流场大小和形状会受到激励大小、线圈的参数、试件的材质等影响。当检测探头经过缺陷时，原本的涡流在缺陷处绕行，从而会对涡流产生扰动，进而影响涡流所产生的磁场。通过检测线圈或者磁传感器来检测磁场的变化，对检测信号的相位、幅值等特征提取，就可以对缺陷进行定性、定量分析。涡流检测探头灵敏度与提离高度一直是涡流检测领域的热点，而激励线圈与检测线圈之间的耦合度是影响检测探头灵敏度与提离高度的重要因素，因此如何提高激励线圈与检测线圈之间的耦合度是目前亟需解决的技术问题。

　　5.本实用新型的目的在于克服现有涡流检测探头激励线圈与接收线圈之间耦合度低进而导致检测探头灵敏度与提离高度低的问题，提供了一种用于管道无损检测的涡流检测探头及系统。

　　6.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：用于管道无损检测的涡流检测探头，包括发射线圈和接收线圈，发射线圈与接收线圈之间设有谐振线.在一示例中，激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈的几何中心处于同一直线.在一示例中，所述激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈为采用铜线螺旋绕制而成的圆形线.在一示例中，所述激励线圈为差分线圈，无源谐振线圈、接收线.在一示例中，所述激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈为pcb平面线圈或fpc平面线.在一示例中，所述激励线圈包括两个对称设置的矩形励磁线.在一示例中，所述无源谐振线圈包括串联连接、呈分层设置的多个pcb谐振子线圈；所述接收线圈包括串联连接、呈分层设置的多个pcb接收子线.在一示例中，所述激励线圈、无源谐振线.在一示例中，所述无源谐振线圈串联连接有谐振点调节电容。

　　15.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。

　　16.本实用新型还包括一种用于管道无损检测的涡流检测系统，所述系统包括上述任一示例所述检测探头，还包括前端信号发生/调理单元和后端数据处理单元，所述前端信号发生/调理单元、检测探头和后端数据处理单元顺次连接。

　　18.(1)在一示例中，本实用新型通过在激励线圈与接收线圈之间引入无源谐振线圈，能够增强激励线圈与接收线圈之间的耦合，以此显著提高能量传输效率，进而提高检测探头灵敏度，使探头能够在更高提离高度对管道缺陷进行准确检测，提高了探头的缺陷检测能力。

　　19.(2)在一示例中，使激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈的几何中心处于同一直线，能够最大程度提高能量传输效率。

　　20.(3)在一示例中，激励线圈为差分线圈，差分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。

　　21.(4)在一示例中，探头采用pcb平面线圈，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运动组件上；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。

　　22.(5)在一示例中，呈多层结构设置的接收子线圈在谐振线圈的作用下，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，采用多个谐振子线圈、接收子线圈创建的多线圈阵列，能够增加检测范围进而减少检测时间。

　　23.(6)在一示例中，通过调节谐振点调节电容的容值调节线圈谐振点，进而提升检测探头的检测能力，以适用于更广泛的测试环境。

　　24.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。

　　25.图1为本实用新型一示例中的激励线为本实用新型一示例中的谐振线为本实用新型一示例中的接收线为本实用新型一示例中的检测子系统示意图；

　　29.图5为本实用新型一示例中的引入谐振线圈前后的检测效果对比示意图；

　　30.图6为本实用新型一示例中被测试件带有不同尺寸不同类型人工缺陷的铁磁性平

　　31.图7为本实用新型一示例中的对不同倾斜角度缺陷的在5mm提离情况下的检测结果图；

　　33.图9为本实用新型一示例中对x80管道缺陷的单个传感器检测示意图；

　　37.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。

　　38.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。

　　39.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。

　　40.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。

　　41.本实用新型一种用于管道无损检测的涡流检测探头，具体包括互感的激励线圈和接收线圈，还包括设于激励线圈和接收线圈之间的无源谐振线圈。具体地，激励线圈在激励信号作用下产生初级磁场，激励线圈与接收线圈互感，激励线圈能量无线传输至接收线圈，本实用新型通过在激励线圈与接收线圈之间引入无源谐振线圈，通过无源谐振线圈增强激励线圈与接收线圈之间的耦合度，以此显著提高发射线圈与接收线圈之间的能量传输效率，进而提高检测探头灵敏度，使探头能够在更高提离高度对管道缺陷进行准确检测，提高了探头的缺陷检测能力。其中，提离指探头与被测件之间的垂直距离。

　　42.在一示例中，激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈的几何中心处于同一直线上，即激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈同轴设置，能够最大程度提高能量传输效率。

　　43.在一示例中，所述激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈为采用铜线螺旋绕制而成的矩形线圈，矩形结构相较于圆形结构更容易区别不同形状的缺陷。

　　44.在一示例中，所述激励线圈为差分线圈，差分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

　　45.在一示例中，所述激励线圈、无源谐振线圈与接收线圈为pcb平面线圈，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运动组件上；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。

　　46.在一示例中，所述激励线圈包括两个对称设置的矩形励磁线圈，以在激励信号作用下产生更加均匀的涡流。

　　47.作为一优选实施例，如图1所示，本实用新型激励线圈为单层pcb矩形差分线，中间差分区域的线。在本实施例中，差分区域的线-30.530mm。更为具体地，激励线圈设置有外部激励信号的输入input1、输出接口output1。

　　48.在一示例中，所述无源谐振线圈包括串联连接、呈分层设置的多个pcb谐振子线圈。作为一优选实施例，检测探头包括四层无源谐振子线所示，谐振子线，铜线，线。更为具体地，不同层谐振子线圈之间设置有过孔，通过铜线串联不同层间的谐振子线圈。在本实施例中，每层的pcb矩形谐振子线.450mm，宽度范围为29.440-29.450mm。

　　49.在一示例中，所述接收线圈包括串联连接、呈分层设置的多个pcb接收子线圈。作为一优选实施例，检测探头包括四层接收子线所示，接收子线，铜线，线；不同层接收子线圈之间设置有过孔，通过铜线串联不同层间的接收子线圈。在本实施例中，每层的pcb矩形接收子线.440mm，宽度范围为24.750-24.760mm；更为具体地，在第一层设置有输入接口input2，第四层设置有输出接口output2，通过两个接口连接后端数据处理单元。

　　50.作为一优选实施例，本实用新型探头包括一激励线圈，四层谐振子线圈以及四层接收子线圈，整个探头体积小，便于安装；本实用新型呈多层结构设置的接收线圈在谐振线圈的作用下，能够提高线圈的电感值等，进而能够更好感应待检测管道的磁通量的变化，不仅能够提高检测灵敏度，同时能够降低最佳检测频率，还能有效降低对激励信号的要求。进一步地，采用多个谐振子线圈、接收子线圈创建的多线圈阵列，能够增加检测范围进而减少检测时间。

　　倒角处理，用于减小电磁干扰和信号发射，当外部信号为高频时，能够减小信号噪声。

　　52.在一示例中，所述无源谐振线圈串联连接有电容，如图2所示，经线圈左侧导线与电容连接，当无源谐振线圈包括多个谐振子线圈时，一谐振子线圈串联有一谐振点调节电容，并在谐振子线圈外部设置了两个过孔用于放置电容，通过该电容容值调节线圈谐振点，进而提升检测探头的检测能力，以适用于更广泛的测试环境。

　　53.在一示例中，所述系统包括上述任一示例所述检测探头，还包括前端信号发生/调理单元和后端数据处理单元，所述前端信号发生/调理单元、检测探头和后端数据处理单元顺次连接。具体地，如图4所示，前端信号发生/调理单元包括顺次连接的信号发生模块和第一信号调理模块，第一信号调理模块包括顺次连接的数模转换子模块和第一信号放大子模块，第一信号放大子模块连接至激励线圈；后端数据处理单元包括顺次连接的第二信号调理模块和数据处理模块，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，模数转换子模块与数据处理模块连接。具体地，信号发生模块包括不限于信号发生器、频率源以及能够产生激励信号的控制器，本示例中采用fpga产生高频正弦波激励信号，同时fpga作为数据处理模块；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.在一示例中，本实用新型检测系统还包括上位机，上位机与数据处理子模块连接，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并定位出现缺陷的管道位置。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。

　　55.在一示例中，本实用新型检测系统还包括编码器，编码器输出端与数据处理子模块连接；当本实用新型检测系统搭载至移动载体上对管道缺陷进行检测时，编码器用于采集移动载体的里程信息并反馈至数据处理模块。

　　56.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：

　　57.将检测系统设于移动载体上并置于导电性被测管道中，检测系统上电开始工作，数据处理模块fpga通过dds方法，经第一数模转换子模块dac产生频率为1m的正弦波激励信号，经过功率放大器(第一信号放大子模块)放大到6v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，无源谐振线圈增强了激励线圈与接收线圈以及被测管道的耦合，当被测试件(被测管道)处在初级磁场时，初级磁场在被测试件表面产生涡流，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芯片转换后传输至数据处理模块，数据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，结合编码器反馈的编码信号，进而准确检测出被测试件的相关缺陷信息及对应的出现缺陷的管道的位置。

　　58.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谐振线圈的具体检测效果图。其中，图5为本技术引入无缘谐振线圈前后的检测对比图，其中，图5(a)、(c)互为参考，图5(e)、(g)互为参考，图5(b)、(d)互为参考，图5(f)、(h)互为参考，且图5(a)—(d)为引入无缘谐振线(e)-(h)为未引入无缘谐振线圈后的检测示意图，图中横坐标均表示检测方向(detection)，单位为cm；图中纵坐标表示幅度值(amplitude)。根据图5可以显而易见看出，未引入无源谐振线圈时，获取的缺陷检测信息幅值在mv范围变化，在同等提离的情况下引入无缘谐振线圈后，获取的缺陷检测信息幅值在v级范围变化，

　　即引入无源谐振线圈的检测探头比未引入无缘谐振线圈的检测探头的幅值变化更大；进一步地，未引入无源谐振线圈时，为保证探头的检测灵敏度，检测探头最大提离值为7mm；在引入无缘谐振线圈后，检测探头提离值为11mm时仍具有很高的检测灵敏度(幅值变化大)，即本技术检测探头最大提离值能够大于11mm，具有更优异的检测性能。进一步地，本技术人工缺陷试样的长、宽、厚分别为450mm、300mm和10mm。图6所示为厚度为10mm、长度为20mm、宽度为2mm的样品中除圆形缺陷外的各种表面缺陷，以及如图7所示宽度为3mm和4mm的缺陷，其中三种缺陷深度(depth)为5mm，倾斜角分别为30

　　。直径分别为5mm、7mm、10mm的3种不同深度4mm圆形缺陷，3种不同深度4mm、6mm和8mm矩形缺陷，3种深度2mm矩形缺陷具有2mm、3mm和4mm的不同宽度。

　　59.图7(a)-图7(d)为利用本实用新型所述检测探头对带有不同类型不同尺寸缺陷铁磁性平板缺陷在提离为5mm，移动速度为10mm/s的情况下的检测结果图，其中，图7(a)为对不同倾斜角度缺陷的在5mm提离情况下的检测结果图；图7(b)为对不同尺寸圆形缺陷的在5mm提离情况下的检测结果图；图7(c)为对不同尺寸深度缺陷的在5mm提离情况下的检测结果图；图7(d)为对不同尺度宽度缺陷的在5mm提离情况下的检测结果图；图7的横坐标均表示检测方向(detection)，单位为cm；图中纵坐标表示幅度值(amplitude)，单位为v；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，其中变化的幅度以及时间跟缺陷的尺寸有关，在本次实验中，当缺陷的面积变大或者深度变深时，信号变化幅度变大，并且信号变化时间更长。

　　60.图8是利用本实用新型所述传感器对x80管道缺陷的整体检测结果，图中横坐标表示检测探头以0.5m/s进行运动的时间(s)，纵坐标表示缺陷幅值(mv)；

　　61.图9是利用本实用新型所述传感器对x80管道缺陷的单个传感器检测结果，图中横坐标表示检测探头以0.5m/s进行运动的时间(s)，纵坐标表示检测幅值(mv)，根据图中幅值变化可以看出本实用新型传感器对管道缺陷具有较好的检测结果。

　　62.图10-12是利用本实用新型所述传感器的编码器信息采集示意图，用于识别内传感器的移动距离以及姿态，其中图10为里程轮检测示意图；图11为清管器的加速度检测结果示意图；图12为清管器的欧拉角检测结果示意图；图10-12中横坐标表示检测探头以0.5m/s进行运动的时间(s)，纵坐标表示检测幅值(mv)。

　　63.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，在不脱离本实用新型构思的前提下，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。

　　1.数字信号处理 2.传感器技术及应用 3.机电一体化产品开发 4.机械工程测试技术 5.逆向工程技术研究