一种针对导电球面结构的涡流检测系统及方法与流程

1.本发明涉及一种针对导电球面结构的涡流检测系统及方法，属于电磁无损检测领域。


背景技术：

2.导电球面结构在航天、机械等各类工业领域中得到广泛的应用，如固体火箭发动机壳体封头、喷管堵盖、压力容器壁等，喷管堵盖必须保证服役中发动机的气密性，因此，为了避免内部气体泄漏，保证各个零部件的正常工作，需要在制作过程中对其进行无损检测。
3.涡流检测方法是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，具有非接触，对导电待测体表面和近表面的检测灵敏度高，检测速度高，无需耦合剂等优点，适用于小厚度待测体和导电待测体表面和近表面的缺陷检测。目前工业中的涡流检测探头，主要针对导电平板结构和导电管结构而设计开发的，对导电球面结构，常常采用小尺寸的常规探头或者柔性探头，小尺寸的常规探头对于较大尺寸的导电球面检测，效率较低，同时由于线圈底面是平面的，与待测球面的平行度较低，提离噪声较大；而由于柔性探头中的线圈往往仅能布置一层，导致检出线圈的匝数有限，限制了缺陷信号的信噪比。因此，针对导电球面结构的缺陷检测，开发与待测球面平行度高，可降低提离噪声的的检测探头结构或检测系统具有很好的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种针对导电球面结构的涡流检测系统及方法，本发明保证检测区域内提离稳定的同时，能够增大检测线圈中心下方感应涡流强度，进而提高缺陷信号信噪比。
5.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明公开了一种针对导电球面结构的涡流检测系统，包括：螺线线圈、固定装置、辅助定位杆和顶盖；其中，所述螺线线圈外侧与固定装置连接，用于固定螺线线圈外侧位置不变；所述螺线线圈中心处与顶盖连接；辅助定位杆端部设置凸起，顶盖内部为空腔结构，所述凸起与空腔结构活动连接，实现了辅助定位杆与顶盖的轴向限位，环向可转动；所述固定装置与辅助定位杆连接，通过旋转辅助定位杆推动或牵引顶盖，进而调节螺线线圈的轴向长度，达到螺线线圈与待测球面高平行度的目的，保证检测区域内提离的一致性，提高信噪比；采用涡流检测方法对导电球面结构进行检测。
7.在上述检测系统中，所述螺线线圈整体上呈现费马螺线形貌，螺线上角度为θ的点对应的半径为r，其中，a是一个常数。
8.在上述检测系统中，通过辅助定位杆调节螺线线圈中心相对于外圈的突出深度z，其中，r为待测球面的半径，r s
为螺线线圈的外半径。
9.在上述检测系统中，所述定位杆连接槽设置有内螺纹，辅助定位杆设置有外螺纹，
且在辅助定位杆上设置有刻度值，用于显示调节突出深度z的值，当螺线线圈为平面结构时，突出深度z为0；当螺线线圈为下凸结构时，突出深度z大于0；当螺线线圈为上凸结构时，突出深度z小于0。
10.在上述检测系统中，螺线线圈的匝数n大于1，根据检测对象的物理特征参数确定。
11.在上述检测系统中，所述顶盖的一端面设置线圈中心连接槽，螺线线圈的中心线圈环绕在线圈中心连接槽上，用于将螺线线圈与顶盖连接。
12.在上述检测系统中，所述固定装置为对称结构，固定装置的两端分别与螺线线圈的两端连接，中间设置定位杆链接槽；辅助定位杆穿过定位杆链接槽实现与固定装置的连接。
13.在上述检测系统中，所述螺线线圈中心处通过线圈中心连接槽与顶盖连接。
14.在上述检测系统中，所述涡流检测方法，具体为：
15.步骤s11、根据待测球面5的半径r和螺线线圈1外半径r s
计算得到螺线线圈1中心相对于外圈的突出深度z；
16.步骤s12、旋转辅助定位杆3，使辅助定位杆3相对于定位杆连接槽6轴向移动，推动顶盖4在轴向产生突出深度z的移动距离，进而推动螺线线圈1中心在轴向移动突出深度z；
17.步骤s13、先给螺线线圈1中通入激励信号8，待测球面5表面和近表面感生出涡流，涡流呈费马螺线形貌分布，待测球面5中的缺陷对涡流产生扰动，进而扰动螺线线圈1两端的检出信号；
18.步骤s14、将螺线线圈1采集到的检出信号与无缺陷时的检出信号进行差分，得到缺陷信号；
19.步骤s15、对缺陷信号进行分析，提取缺陷特征量，得到缺陷判据，完成对球面结构的检测。
20.本发明公开了一种针对导电球面结构的涡流检测方法，包括：
21.步骤s1、根据待测球面5的半径r和螺线线圈1外半径r s
计算得到螺线线圈1中心相对于外圈的突出深度z；
22.步骤s2、旋转辅助定位杆3，使辅助定位杆3相对于定位杆连接槽6轴向移动，推动顶盖4在轴向产生突出深度z的移动距离，进而推动螺线线圈1中心在轴向移动突出深度z；
23.步骤s3、先给螺线线圈1中通入激励信号8，待测球面5表面和近表面感生出涡流，涡流呈费马螺线形貌分布，待测球面5中的缺陷对涡流产生扰动，进而扰动螺线线圈1两端的检出信号；
24.步骤s4、将螺线线圈1采集到的检出信号与无缺陷时的检出信号进行差分，得到缺陷信号；
25.步骤s5、对缺陷信号进行分析，提取缺陷特征量，得到缺陷判据，完成对球面结构的检测。
26.与现有技术相比较，本发明具备如下优点：
27.(1)本发明主要包括一个费马螺线型的检测线圈和相关的辅助调节装置，通过辅助调节装置，可以将检测线圈的中心顶出一定的距离，与现有传统的小尺寸平面线圈或笔型线圈相比，本发明系统可提高检测线圈与待测球面的平行度，保证检测区域内提离稳定的同时，能够增大检测线圈中心下方感应涡流强度，进而提高缺陷信号信噪比，从而实现导
电凹球面、导电凸球面和导电平面表面及近表面的涡流检测。
28.(2)本发明构成费马螺线型的检测线圈由导线束组成，并非单匝导线，即本发明螺线线圈的匝数n可设置为多匝，则与同尺寸下的柔性线圈相比，检出信号的信噪比更高。
29.(3)本发明保持了传统绝对式线圈检测速度快、检测效率高等优势，由于只有一个线圈，需要匹配的检测设备简单，辅助定位杆上刻有刻度值，检测过程高效、快捷。
附图说明
30.图1为本发明探头服役中与待测球面的位置示意图；
31.图2为本发明探头各零部件的分解图；
32.图3为本发明探头螺线线圈与凹球面相对位置图；
33.图4为本发明探头螺线线圈与平板相对位置图；
34.图5为本发明探头螺线线圈与凸球面相对位置图。
具体实施方式
35.以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
36.本发明公开了一种针对导电球面结构的涡流检测系统，包括：螺线线圈1、固定装置2、辅助定位杆3和顶盖4；其中，螺线线圈1外侧与固定装置2连接，用于固定螺线线圈1外侧位置不变；螺线线圈1中心处与顶盖4连接；辅助定位杆3端部设置凸起，顶盖4内部为空腔结构，凸起与空腔结构活动连接，实现了辅助定位杆3与顶盖4的轴向限位，环向可转动；固定装置2与辅助定位杆3连接，通过旋转辅助定位杆3推动或牵引顶盖4，进而调节螺线线圈1的轴向长度，达到螺线线圈1与待测球面5高平行度的目的，保证检测区域内提离的一致性，提高信噪比；采用涡流检测方法对导电球面结构进行检测。
37.螺线线圈1整体上呈现费马螺线形貌，其几何控制方程为描述了螺线上角度为θ的点对应的半径为r，其中，a是一个常数，用于调节线圈的大小。通过辅助定位杆3调节螺线线圈1中心相对于外圈的突出深度z，突出深度z的值由待测球面5的半径r和螺线线圈1的外半径r s
计算得到，计算公式为：
38.定位杆连接槽6设置有内螺纹，辅助定位杆3设置有外螺纹，且在辅助定位杆3上设置有刻度值，用于显示调节突出深度z的值，当螺线线圈1为平面结构时，突出深度z为0；当螺线线圈1为下凸结构时，突出深度z大于0；当螺线线圈1为上凸结构时，突出深度z小于0。
39.螺线线圈1的匝数n大于1，根据检测对象的物理特征参数确定。顶盖4的一端面设置凸起的线圈中心连接槽7，螺线线圈1的中心线圈环绕在线圈中心连接槽7上，用于将螺线线圈1与顶盖4连接。固定装置2为对称结构，固定装置2的两端分别与螺线线圈1的两端连接，中间设置定位杆链接槽6；辅助定位杆3穿过定位杆链接槽6实现与固定装置2的连接。螺线线圈1中心处通过线圈中心连接槽7与顶盖4连接。
40.涡流检测方法，具体为：
41.步骤s11、根据待测球面5的半径r和螺线线圈1外半径r s
计算得到螺线线圈1中心相对于外圈的突出深度z；
42.步骤s12、旋转辅助定位杆3，使辅助定位杆3相对于定位杆连接槽6轴向移动，推动
顶盖4在轴向产生突出深度z的移动距离，进而推动螺线线圈1中心在轴向移动突出深度z；
43.步骤s13、先给螺线线圈1中通入激励信号8，待测球面5表面和近表面感生出涡流，涡流呈费马螺线形貌分布，待测球面5中的缺陷对涡流产生扰动，进而扰动螺线线圈1两端的检出信号；
44.步骤s14、将螺线线圈1采集到的检出信号与无缺陷时的检出信号进行差分，得到缺陷信号；
45.步骤s15、对缺陷信号进行分析，提取缺陷特征量，得到缺陷判据，完成对球面结构的检测。
46.本发明公开了一种针对导电球面结构的涡流检测方法，包括：
47.步骤s1、根据待测球面5的半径r和螺线线圈1外半径r s
计算得到螺线线圈1中心相对于外圈的突出深度z；
48.步骤s2、旋转辅助定位杆3，使辅助定位杆3相对于定位杆连接槽6轴向移动，推动顶盖4在轴向产生突出深度z的移动距离，进而推动螺线线圈1中心在轴向移动突出深度z；
49.步骤s3、先给螺线线圈1中通入激励信号8，待测球面5表面和近表面感生出涡流，涡流呈费马螺线形貌分布，待测球面5中的缺陷对涡流产生扰动，进而扰动螺线线圈1两端的检出信号；
50.步骤s4、将螺线线圈1采集到的检出信号与无缺陷时的检出信号进行差分，得到缺陷信号；
51.步骤s5、对缺陷信号进行分析，提取缺陷特征量，得到缺陷判据，完成对球面结构的检测。
52.实施例
53.如图1所示，本实施例一种针对导电球面结构的涡流检测系统，检测系统包括螺线线圈1、固定装置2、辅助定位杆3和顶盖4，待测球面5为半径r＝500mm，其中，螺线线圈1由导线按费马螺线形状路径绕制而成，螺旋线圈的几何控制方程为：则宏观上由费马螺线形貌的多匝导线束组成，螺线线圈1整体上与待测球面5具有比较高的平行度；所述螺线线圈1外侧与固定装置2连接，用于固定螺线线圈1外侧的导线束位置不变。
54.如图2所示，本实施例一种针对导电球面结构的涡流检测系统，所述螺线线圈1外侧与固定装置2连接，用于固定螺线线圈1外侧的导线束位置不变；所述螺线线圈1中心处通过线圈中心连接槽7与顶盖4连接，顶盖4内部为掏空的圆筒状，与辅助定位杆3的底部凸起连接，实现了辅助定位杆3与顶盖4的轴向限位，环向可转动；所述固定装置2与辅助定位杆3与定位杆链接槽6之间螺纹连接，定位杆连接槽6设置有内螺纹，辅助定位杆3设置有外裂纹，且在辅助定位杆3上设置有刻度值，用于显示调节突出深度z的值，则可通过旋转辅助定位杆3推动或牵引顶盖4，进而调节螺线线圈1的轴向长度，达到螺线线圈1与待测球面5高平行度的目的，保证检测区域内提离的一致性，提高信噪比。
55.如图3所示，当检测球面5为凹球面时，旋转辅助定位杆3，辅助定位杆3相对定位杆连接槽6轴向向下移动，推动顶盖4在轴向产生向下的突出深度z，进而推动螺线线圈1中心在轴线上移动突出深度z，螺旋线圈1整体上呈现下凸形貌。
56.如图4所示，当检测球面5为平板时，无需旋转辅助定位杆3，螺旋线圈1整体上为一
个平面线圈。
57.如图5所示，当检测球面5为凸球面时，旋转辅助定位杆3，辅助定位杆3相对定位杆连接槽6轴向向上移动，牵拉顶盖4在轴向产生向上的突出深度z，进而牵拉螺线线圈1中心在轴线上移动突出深度z，螺旋线圈1整体上呈现上凸形貌。
58.本发明的工作原理为：本发明为了实现待测球面5缺陷的检测评价。
59.在图1所示实施例中，检测前，根据待测球面5的半径r和螺线线圈1外半径r s
计算得到螺线线圈1中心相对于外圈的突出深度旋转辅助定位杆3，使辅助定位杆3相对于定位杆连接槽6轴向移动，推动顶盖4在轴向向下移动0.94mm，进而推动螺线线圈1中心在轴向向下移动0.94mm。
60.检测中，首先给螺线线圈1中通入激励信号8，待测球面5表面和近表面会感生出涡流，并呈费马螺线形貌分布，待测球面5中的缺陷会对涡流产生扰动，进而扰动螺线线圈1两端的检出信号。其次，检测过程中，将螺线线圈1采集到的检出信号与无缺陷时的检出信号进行差分，得到最终的缺陷信号，然后对缺陷信号进行分析，提取缺陷特征量，总结得到缺陷判据。由于螺线线圈1整体上与待测球面5平行度高，因此可提高信噪比。
61.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
62.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于，包括：螺线线圈(1)、固定装置(2)、辅助定位杆(3)和顶盖(4)；其中，所述螺线线圈(1)外侧与固定装置(2)连接，用于固定螺线线圈(1)外侧位置不变；所述螺线线圈(1)中心处与顶盖(4)连接；辅助定位杆(3)端部设置凸起，顶盖(4)内部为空腔结构，所述凸起与空腔结构活动连接，实现了辅助定位杆(3)与顶盖(4)的轴向限位，环向可转动；所述固定装置(2)与辅助定位杆(3)连接，通过旋转辅助定位杆(3)推动或牵引顶盖(4)，进而调节螺线线圈(1)的轴向长度，达到螺线线圈(1)与待测球面(5)高平行度的目的，保证检测区域内提离的一致性，提高信噪比；采用涡流检测方法对导电球面结构进行检测。2.根据权利要求1所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：所述螺线线圈(1)整体上呈现费马螺线形貌，螺线上角度为θ的点对应的半径为r，其中，a是一个常数。3.根据权利要求1所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：通过辅助定位杆(3)调节螺线线圈(1)中心相对于外圈的突出深度z，其中，r为待测球面(5)的半径，r s
为螺线线圈(1)的外半径。4.根据权利要求1所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：所述定位杆连接槽(6)设置有内螺纹，辅助定位杆(3)设置有外螺纹，且在辅助定位杆(3)上设置有刻度值，用于显示调节突出深度z的值，当螺线线圈(1)为平面结构时，突出深度z为0；当螺线线圈(1)为下凸结构时，突出深度z大于0；当螺线线圈(1)为上凸结构时，突出深度z小于0。5.根据权利要求1所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：螺线线圈(1)的匝数n大于1，根据检测对象的物理特征参数确定。6.根据权利要求1所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：所述顶盖(4)的一端面设置线圈中心连接槽(7)，螺线线圈(1)的中心线圈环绕在线圈中心连接槽(7)上，用于将螺线线圈(1)与顶盖(4)连接。7.根据权利要求1所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：所述固定装置(2)为对称结构，固定装置(2)的两端分别与螺线线圈(1)的两端连接，中间设置定位杆链接槽(6)；辅助定位杆(3)穿过定位杆链接槽(6)实现与固定装置(2)的连接。8.根据权利要求1所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：所述螺线线圈(1)中心处通过线圈中心连接槽(7)与顶盖(4)连接。9.根据权利要求1～8任一所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于：所述涡流检测方法，具体为：根据待测球面(5)的半径r和螺线线圈(1)外半径r s
计算得到螺线线圈(1)中心相对于外圈的突出深度z；旋转辅助定位杆(3)，使辅助定位杆(3)相对于定位杆连接槽(6)轴向移动，推动顶盖(4)在轴向产生突出深度z的移动距离，进而推动螺线线圈(1)中心在轴向移动突出深度z；先给螺线线圈(1)中通入激励信号(8)，待测球面(5)表面和近表面感生出涡流，涡流呈费马螺线形貌分布，待测球面(5)中的缺陷对涡流产生扰动，进而扰动螺线线圈(1)两端的检出信号；
将螺线线圈(1)采集到的检出信号与无缺陷时的检出信号进行差分，得到缺陷信号；对缺陷信号进行分析，提取缺陷特征量，得到缺陷判据，完成对球面结构的检测。10.一种针对导电球面结构的涡流检测方法，采用权利要求1～8任一所述的一种针对导电球面结构的涡流检测系统，其特征在于，包括：根据待测球面(5)的半径r和螺线线圈(1)外半径r s
计算得到螺线线圈(1)中心相对于外圈的突出深度z；旋转辅助定位杆(3)，使辅助定位杆(3)相对于定位杆连接槽(6)轴向移动，推动顶盖(4)在轴向产生突出深度z的移动距离，进而推动螺线线圈(1)中心在轴向移动突出深度z；先给螺线线圈(1)中通入激励信号(8)，待测球面(5)表面和近表面感生出涡流，涡流呈费马螺线形貌分布，待测球面(5)中的缺陷对涡流产生扰动，进而扰动螺线线圈(1)两端的检出信号；将螺线线圈(1)采集到的检出信号与无缺陷时的检出信号进行差分，得到缺陷信号；对缺陷信号进行分析，提取缺陷特征量，得到缺陷判据，完成对球面结构的检测。

技术总结
本发明提供了一种针对导电球面结构的涡流检测系统及方法，该系统包括检测探头和检测半径辅助调节装置。其中，检测探头是一种呈费马螺线形貌的绝对式线圈，可实现检测区域的面检测，检测半径辅助调节装置用于设置检测线圈中心的突出距离。实际检测中，通过待测球面半径和线圈外径，计算检测线圈中心的突出距离，提高线圈中心附近的感应涡流强度和线圈与待测球面之间的平行度，从而可通过计算检出信号与无缺陷处检出信号的差分信号，实现降低环境噪声干扰的目的，尤其是提离噪声信号。本发明探头具有可实现任意曲率半径导电球面的缺陷检测、检测速度快和与待测球面贴合度高等优点。点。点。


技术研发人员：赵迎松 姜耿敏 颜勇 曹涛锋 陈晨 曾庆海 褚佑彪 王立强 李伟
受保护的技术使用者：西安航天动力技术研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/7/11