Сложная конструкция медного сердечника для контроля вращающихся вихревых токов для обнаружения трещин в проводящих материалах.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5479 (2023) Цитировать эту статью

1181 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

В последние несколько десятилетий вихретоковое тестирование (EC) было выбрано в качестве стандартного метода обнаружения дефектов в проводящих материалах. Тем не менее, изобретение ЭХ-зондов, способных обнаруживать незначительные дефекты, всегда было сложной задачей для исследователей из-за компромисса между размерами зондов и силой ЭХ, генерируемых на поверхности испытуемого образца. Здесь мы используем медный сердечник сложной конструкции, позволяющий сводить вращающийся EC на кончике медного сердечника и обнаруживать небольшие трещины во всех направлениях в проводящих материалах. В этом методе мы можем произвольно разместить большую катушку возбуждения, чтобы на небольшой площади испытательного образца генерировался больший вращающийся однородный ЭП. Следовательно, зонд может обнаруживать трещины во всех направлениях в проводящих материалах.

Небольшие дефекты в компонентах конструкции представляют потенциальный риск. Благодаря преимуществам высокой скорости, чувствительности и эффективности1,2,3,4 вихретоковый контроль (EC) является доминирующим методом неразрушающего контроля, применяемым для обнаружения дефектов в проводящих материалах в различных отраслях промышленности, таких как авиация5,6, железная дорога7, 8,9, нефтехимическая10 промышленность и гражданское строительство, например, стальные мосты11,12. Это важный метод сбора информации о дефектах в области технического обслуживания13,14.

Хошикава и др.15 отметили, что прямолинейная диаграмма электропроводности, индуцированная на поверхности испытательного образца, может увеличить отношение сигнал/шум (SNR). Этот метод известен в Японии как измерение равномерного вихревого тока (UEC). Между тем в Америке и Европе этот метод называется измерением поля переменного тока. Кроме того, реализация самодифференциальных и самообнуляющих характеристик для EC-зондов может снизить влияние шумовых сигналов16,17. Типичный зонд UEC был изобретен Хосикавой и называется зондом Хоши15,18,19,20,21,22,23,24,25. Структура зонда Хоши в основном состоит из тангенциальной прямоугольной катушки возбуждения и круглой или прямоугольной катушки обнаружения. Принцип действия преобразователя UEC заключается в том, что при наличии дефекта в материале он нарушает распределение UEC и изменяет магнитный поток через катушку обнаружения.

На сегодняшний день многие исследователи продолжают исследовать и разрабатывать новые датчики EC для достижения высокого отношения сигнал/шум и прогнозирования размера все более мелких дефектов. В качестве материала сердечника катушки возбуждения был применен ферритовый сердечник для увеличения амплитуды магнитного поля и, таким образом, повышения способности обнаружения дефектов благодаря его высокой магнитной проницаемости26,27,28,29,30,31. На сегодняшний день зонды UEC имеют недостаток при обнаружении небольших дефектов, поскольку существует потребность в большой силе тока возбуждения и, следовательно, в большой конструкции зонда для создания сильного ЭП на поверхности испытуемого образца для повышения чувствительности обнаружения. Однако это влияет на способность обнаружения небольших дефектов, поскольку распределение индуцированной электропроводности слишком велико по сравнению с размером небольших дефектов. Кроме того, вместо традиционных датчиков ECT также используется высокочувствительный гибкий вихретоковый датчик для обнаружения поверхностных микроскопических дефектов32,33,34. Благодаря высокочастотному измерению проводимости и большой силе возбуждения магнитное поле расходится вокруг катушки возбуждения и покрывает большую площадь, что обеспечивает высокую эффективность обнаружения микродефектов. Несмотря на это, гибкие вихретоковые матричные датчики обычно имеют небольшое количество витков медного провода. Поэтому для достижения хороших характеристик плоских катушек необходимо проводить измерения проводимости на высоких частотах (обычно между 100 кГц и 10 МГц). В этом режиме, очевидно, будет много шума и поверхностный скин-эффект. Кроме того, для достижения пространственного разрешения гибкий вихретоковый датчик имеет большое пространственное разрешение, что будет невыгодно при исследовании образцов небольшой площади, особенно потому, что он не может обнаружить соседние трещины. Поэтому в нашем предыдущем исследовании считалось, что датчик вихретоковой конвергенции (ECC) с медным сердечником, имеющим щели, полости и пластину, установленную под катушкой возбуждения, создает чрезвычайно сильный EC, сходящийся на кончике медного сердечника35,36. . Тем не менее, для зонда ECC предыдущей работы амплитуда сигнала трещины была значительно уменьшена, когда линии EC были параллельны длине трещины по сравнению с перпендикуляром к длине трещины, что привело к значительному ухудшению оценки характеристик трещины. Метод решения этой проблемы заключается в использовании пары сердечников возбуждения с одинаковой частотой и токами с разностью фаз 90° для создания вращающегося ЭЦ на поверхности образца18,19,23,37. Однако нашему предыдущему исследованию35,36 было затруднено создание вращения ЭЦ на поверхности образца, поскольку это вращение создавалось не непосредственно катушками возбуждения, а ЭЦ, сходящимися на кончике медного сердечника. Другими словами, чтобы создать равномерно вращающийся ЭП по поверхности образца, необходимо контролировать ЭП, которые сходятся на кончике медного сердечника, способного к равномерному вращению. Таким образом, в этом исследовании представлен новый вращающийся однородный вихретоковый датчик конвергенции (RUECC), использующий сложную конструкцию медного сердечника, который может создавать вращающиеся ЭП, сходящиеся на кончике медного сердечника, что приводит к генерации чрезвычайно сильного вращающегося ЭП на поверхность испытательного образца для обнаружения небольших трещин во всех направлениях. Регулируя размер и количество витков катушки возбуждения и структуру медного сердечника для создания ЭК, сходящихся на кончике медного сердечника, зонд RUECC может преодолеть недостаток зондов ECC в предыдущих исследованиях35,36. Ожидается, что способность обнаруживать небольшие дефекты во всех направлениях с помощью датчика также значительно улучшится. Кроме того, круглая катушка обнаружения обладает характеристиками самообнуления и самодифференциации, что позволяет зонду RUECC устранять шумовые сигналы (особенно шумовые сигналы во время подъема). Анализ методом конечных элементов был проведен для подтверждения сходимости вихревых токов на кончике медного сердечника. В ходе этого исследования удалось получить RUECC на кончике медного сердечника путем изготовления медного сердечника на основе результатов анализа методом конечных элементов. Превосходная способность обнаружения дефектов была достигнута благодаря специальной конструкции медного сердечника по сравнению с существующей литературой.