燃料元件质量阵列涡流检测范文

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《工程与试验杂志》2014年第四期

1阵列涡流检测系统

1.1阵列涡流仪阵列涡流仪采用厦门爱德森公司的EEC－2005，如图1所示，原理方框图如图2所示［1］。仪器包含阵列探头、直接数字式频率合成器（DDS）、信号发生器、运放和功放电路、模拟开关阵列、正交矢量型锁相放大器、信号采集、信号处理及信号显示。DDS产生单频、双频或脉冲信号，经过滤波、放大，激励被模拟开关阵列选中的阵列探头的线圈单元。工件不连续性被检测线圈感知，产生谐波信号，这些谐波信号的幅度和相位变化经由正交矢量锁相放大器检测到，并由PCI卡采集到计算机内。最后，阵列涡流仪的专用软件对信号进行处理并显示。

1.2阵列探头研发根据早期的研究，采用D－P双激励探头开展阵列探头的设计。由于本项目开展的目的旨在探索阵列探头对燃料元件表面质量检查的可行性及检出能力，较多的通道数会增加探头的研发成本，所以采用8个单元的阵列探头。探头采用基于单线圈检测的涡流阵列，直接在基底材料上制作多个敏感线圈，布置成矩阵形式的阵列。为了消除线圈之间的干扰，相邻线圈之间要保留足够的空间［4］。图3是所研发的阵列探头，图4是其小线圈分布示意图。图4中，线圈与线圈之间间距皆为3．6mm，1、2、3、4、5、6、7、8为线圈的序号。1、2、4线圈呈等边三角形，1、3、4线圈也呈等边三角形……依次类推，5、7、8线圈也呈等边三角形，这样使线圈磁场均匀分布，每个线圈对同一缺陷的响应基本相同，这对信号的分析和评判是非常有用的。为克服线圈与线圈之间的干扰，仪器对线圈采用分区激励的方式，第一时序激励1、5线圈，第二时序激励2、6线圈，第三时序激励3、7线圈，第四时序激励4、8线圈……周而复始，这样避免了相邻线圈电磁场之间的干扰。在后续的试验中，探头的噪声很小，证明这种激励方式能够保证检测需要的信噪比。

1.3标准试样的设计和研制阵列探头研发中，标准试样用以测试探头性能、校准仪器灵敏度等，要求采用与被检对象电磁特性、加工工艺相同的材料制作。在标准试块上，用电火花方式，加工不同深度的槽伤，研究阵列探头的检出能力，其人工伤尺寸及示意图如表1、图5所示。

2试验与分析

2.1阵列探头缺陷扫描图6采用简单的条形图方式，描述两次扫描中，阵列探头和0．028mm（深）0．048mm（宽）3．3mm（宽）人工槽伤处在不同的相对位置时缺陷信号的指示情况。在第1次扫描中，3号线圈单元直接扫过槽伤，2号及4号线圈单元几乎没有扫描到。此时，3号线圈的涡流信号很强，4号或2号线圈信号很微弱。在第2次扫描中，使3号和4号线圈单元扫过槽伤，槽伤几乎处在这两个线圈单元的中间位置，而不在它们的敏感区内。此时，3号和4号线圈单元的涡流信号幅值几乎相等，而且一个为正值，一个为负值，这是由于这两个线圈不同的差分特性决定的。通过两次扫描实例（其它试验也进一步证实）可以看出，不论槽伤在什么位置，阵列探头都能够检出。换句话说，对一个特定的检测区域，阵列探头实现了足够的覆盖率［3］。从两次扫描实例还可进一步得到，阵列探头在一次扫描中，能够提供比单个线圈更丰富的缺陷信息，比如缺陷的长度和宽度信息。

2.2阵列涡流仪多通道检测数据统一评定方法研究图7是EEC－2005阵列涡流仪器多通道涡流信号显示图。图中，左边两列是设定通道的长条图显示，右边8个窗口是8个线圈单元涡流信号的李沙育显示窗口。由于小线圈单元在制造和装配过程中不尽相同，势必会导致它们对同一缺陷的检测结果不尽相同，这给不同通道的涡流信号统一评定带来难题。经过思考分析，认为虽然阵列探头中线圈单元之间存在个体差异，但当它们以相同状态扫过同一个缺陷时，各个线圈由缺陷所产生的电磁场畸变量是成正比的。由此，采用多个通道对特定缺陷的涡流信号设定相同幅值的方法解决了缺陷统一评定的问题。试验中，采用不锈钢标准试块上0．1mm（深）0．02mm（宽）30mm（长）的槽伤对每个通道进行标定，阵列探头的每个线圈同时扫过该人工伤，各个通道的窗口上都有信号显示出来。标定该信号幅值皆为8V。这样，每个通道以相同扫描状态经过相同的缺陷时，它们对这个缺陷的信号幅值都应该是一致的。这就建立了多通道检测数据统一评定的方法。试验证明，在采用不锈钢标准试块上0．1mm（深）0．02mm（宽）30mm（长）的槽伤对每个通道进行标定后，各个线圈以相同的状态通过任何一个人工伤时，对应的窗口上的涡流信号的幅值相同。根据上述分析，为了对未知缺陷深度进行评定，在8个线圈的对应显示窗口，建立了缺陷深度和信号幅值之间的标定曲线，如图8所示。由于进行了统一标定，所以8个窗口的标定曲线一致性很好。

2.3阵列探头的检出能力阵列探头能够发现标准试样上最小深度为0．028mm的人工槽伤，且显示出足够的信噪比（＝10）。至于能够检出的最小缺陷深度，尚需进一步的试验研究。

2.4试验验证采用阵列探头对人工槽伤C、F、G、H、I进行了检测，并对一自然缺陷（K）进行了检测。检测深度和实际深度的对比见表2。从表2可以看出，检测值和实际值最大偏差为0．006mm。在涡流检测中，这样的精度已是非常高了。比如，在燃料棒氧化膜厚度检测中，检测误差要求为10"m。

3结论

通过阵列探头研发、标准试样研制、试验与分析等，研究了缺陷扫描过程覆盖的完整性，研究了阵列涡流仪多通道检测数据统一评定方法，解决了多通道分析中的信号评定技术，对缺陷的检出能力进行了研究。结果表明，采用文中所述检测技术，能够检出0．03mm深的缺陷，检测误差优于10"m。

作者：李冬 戴永红 熊婧 高三杰 黄海翔 单位：反应堆燃料及材料重点实验室 爱德森（厦门）电子有限公司