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《工程與試驗雜志》2014年第四期

1陣列渦流檢測系統(tǒng)

1.1陣列渦流儀陣列渦流儀采用廈門愛德森公司的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）、信號發(fā)生器、運放和功放電路、模擬開關陣列、正交矢量型鎖相放大器、信號采集、信號處理及信號顯示。DDS產(chǎn)生單頻、雙頻或脈沖信號，經(jīng)過濾波、放大，激勵被模擬開關陣列選中的陣列探頭的線圈單元。工件不連續(xù)性被檢測線圈感知，產(chǎn)生諧波信號，這些諧波信號的幅度和相位變化經(jīng)由正交矢量鎖相放大器檢測到，并由PCI卡采集到計算機內(nèi)。最后，陣列渦流儀的專用軟件對信號進行處理并顯示。

1.2陣列探頭研發(fā)根據(jù)早期的研究，采用D－P雙激勵探頭開展陣列探頭的設計。由于本項目開展的目的旨在探索陣列探頭對燃料元件表面質(zhì)量檢查的可行性及檢出能力，較多的通道數(shù)會增加探頭的研發(fā)成本，所以采用8個單元的陣列探頭。探頭采用基于單線圈檢測的渦流陣列，直接在基底材料上制作多個敏感線圈，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。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，這樣使線圈磁場均勻分布，每個線圈對同一缺陷的響應基本相同，這對信號的分析和評判是非常有用的。為克服線圈與線圈之間的干擾，儀器對線圈采用分區(qū)激勵的方式，第一時序激勵1、5線圈，第二時序激勵2、6線圈，第三時序激勵3、7線圈，第四時序激勵4、8線圈……周而復始，這樣避免了相鄰線圈電磁場之間的干擾。在后續(xù)的試驗中，探頭的噪聲很小，證明這種激勵方式能夠保證檢測需要的信噪比。

1.3標準試樣的設計和研制陣列探頭研發(fā)中，標準試樣用以測試探頭性能、校準儀器靈敏度等，要求采用與被檢對象電磁特性、加工工藝相同的材料制作。在標準試塊上，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試驗與分析

2.1陣列探頭缺陷掃描圖6采用簡單的條形圖方式，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位置時缺陷信號的指示情況。在第1次掃描中，3號線圈單元直接掃過槽傷，2號及4號線圈單元幾乎沒有掃描到。此時，3號線圈的渦流信號很強，4號或2號線圈信號很微弱。在第2次掃描中，使3號和4號線圈單元掃過槽傷，槽傷幾乎處在這兩個線圈單元的中間位置，而不在它們的敏感區(qū)內(nèi)。此時，3號和4號線圈單元的渦流信號幅值幾乎相等，而且一個為正值，一個為負值，這是由于這兩個線圈不同的差分特性決定的。通過兩次掃描實例（其它試驗也進一步證實）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，對一個特定的檢測區(qū)域，陣列探頭實現(xiàn)了足夠的覆蓋率［3］。從兩次掃描實例還可進一步得到，陣列探頭在一次掃描中，能夠提供比單個線圈更豐富的缺陷信息，比如缺陷的長度和寬度信息。

2.2陣列渦流儀多通道檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)一評定方法研究圖7是EEC－2005陣列渦流儀器多通道渦流信號顯示圖。圖中，左邊兩列是設定通道的長條圖顯示，右邊8個窗口是8個線圈單元渦流信號的李沙育顯示窗口。由于小線圈單元在制造和裝配過程中不盡相同，勢必會導致它們對同一缺陷的檢測結(jié)果不盡相同，這給不同通道的渦流信號統(tǒng)一評定帶來難題。經(jīng)過思考分析，認為雖然陣列探頭中線圈單元之間存在個體差異，但當它們以相同狀態(tài)掃過同一個缺陷時，各個線圈由缺陷所產(chǎn)生的電磁場畸變量是成正比的。由此，采用多個通道對特定缺陷的渦流信號設定相同幅值的方法解決了缺陷統(tǒng)一評定的問題。試驗中，采用不銹鋼標準試塊上0．1mm（深）0．02mm（寬）30mm（長）的槽傷對每個通道進行標定，陣列探頭的每個線圈同時掃過該人工傷，各個通道的窗口上都有信號顯示出來。標定該信號幅值皆為8V。這樣，每個通道以相同掃描狀態(tài)經(jīng)過相同的缺陷時，它們對這個缺陷的信號幅值都應該是一致的。這就建立了多通道檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)一評定的方法。試驗證明，在采用不銹鋼標準試塊上0．1mm（深）0．02mm（寬）30mm（長）的槽傷對每個通道進行標定后，各個線圈以相同的狀態(tài)通過任何一個人工傷時，對應的窗口上的渦流信號的幅值相同。根據(jù)上述分析，為了對未知缺陷深度進行評定，在8個線圈的對應顯示窗口，建立了缺陷深度和信號幅值之間的標定曲線，如圖8所示。由于進行了統(tǒng)一標定，所以8個窗口的標定曲線一致性很好。

2.3陣列探頭的檢出能力陣列探頭能夠發(fā)現(xiàn)標準試樣上最小深度為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，尚需進一步的試驗研究。

2.4試驗驗證采用陣列探頭對人工槽傷C、F、G、H、I進行了檢測，并對一自然缺陷（K）進行了檢測。檢測深度和實際深度的對比見表2。從表2可以看出，檢測值和實際值最大偏差為0．006mm。在渦流檢測中，這樣的精度已是非常高了。比如，在燃料棒氧化膜厚度檢測中，檢測誤差要求為10"m。

3結(jié)論

通過陣列探頭研發(fā)、標準試樣研制、試驗與分析等，研究了缺陷掃描過程覆蓋的完整性，研究了陣列渦流儀多通道檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)一評定方法，解決了多通道分析中的信號評定技術(shù)，對缺陷的檢出能力進行了研究。結(jié)果表明，采用文中所述檢測技術(shù)，能夠檢出0．03mm深的缺陷，檢測誤差優(yōu)于10"m。

作者：李冬 戴永紅 熊婧 高三杰 黃海翔 單位：反應堆燃料及材料重點實驗室 愛德森（廈門）電子有限公司