李坤鵬等

摘 要：文章基于陣列渦流檢測技術(shù)，開發(fā)一套剛性磁極陣列渦流成像檢測系統(tǒng)，經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)能快速、直觀、有效檢測剛性磁極的裂紋缺陷，對水力發(fā)電機(jī)組安全運行防止剛性磁極斷裂有重大意義。

關(guān)鍵詞：剛性磁極；陣列渦流；檢測

1 概述

水力發(fā)電機(jī)剛性磁極是水力發(fā)電機(jī)組中重要監(jiān)督部件，見圖1。在運行中，剛性磁極以100～750轉(zhuǎn)/秒的速度隨著發(fā)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動，本體電流強度達(dá)到上千安倍，它不僅承受高速轉(zhuǎn)動時的離心力所產(chǎn)生的靜應(yīng)力及溫度、振動等動應(yīng)力，還要承受外部電磁力作用，若剛性磁極本身設(shè)計、制造、安裝質(zhì)量存在原始缺陷問題，極易在綜合應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋等缺陷，進(jìn)而發(fā)生剛性磁極斷裂事故，因此，加強對剛性磁極的檢測顯得尤為重要。

目前，常規(guī)無損檢測技術(shù)主要包括射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、著色檢測、渦流檢測等，每種檢測技術(shù)都有自己獨特的優(yōu)點和局限性。對于剛性磁極，其材質(zhì)為銅，密度較高，在役檢測空間較小，不適宜射線檢測和磁粉檢測；其形狀不規(guī)則，不適宜超聲檢測；表面覆蓋2mm～3mm厚度的絕緣材料層，不適宜著色檢測；而渦流檢測能適應(yīng)這些技術(shù)難點，特別是新興的陣列渦流成像檢測技術(shù)，通過傳感器結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，運用計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，從而實現(xiàn)對材料和零部件的快速、有效地檢測，有利于公司工作效率的提升和生產(chǎn)管理水平的提高。

文章在陣列渦流理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)，研制剛性磁極專用陣列渦流傳感器，利用LabVIEW軟件編譯陣列渦流成像檢測專業(yè)軟件，開發(fā)具有專業(yè)剛性磁極成像檢測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)剛性磁極成像檢測，對確保水力發(fā)電機(jī)組安全運行具有非常重大意義。

2 陣列渦流檢測檢測技術(shù)原理

陣列渦流檢測（Eddy Current Array Testing，ECAT）是渦流無損檢測中一個新興的分支，本質(zhì)上與渦流無損檢測技術(shù)一樣，都是研究被測材料中缺陷與電磁場之間的相互作用關(guān)系，以已知場源來求解散射場的大小和分布，從而對檢測信號做出準(zhǔn)確的評定。它是通過傳感器結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，運用計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對材料和零部件快速、有效地檢測[1]。

由于剛性磁極的無損檢測技術(shù)評價是一個全新的應(yīng)用研究，因此，國內(nèi)外有關(guān)剛性磁極檢測技術(shù)應(yīng)用相當(dāng)匱乏，開發(fā)一套剛性磁極陣列渦流成像檢測系統(tǒng)，能形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)陣列渦流成像技術(shù)產(chǎn)品，將其優(yōu)點和作用廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電行業(yè)，將會創(chuàng)造巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益和社會價值。

3 陣列渦流檢測傳感器

陣列渦流檢測傳感器是陣列渦流檢測系統(tǒng)中的重要部件，當(dāng)前，每臺水力發(fā)電機(jī)組有幾十組剛性磁極，這些剛性磁極均采用絕緣材料進(jìn)行包扎固化，且現(xiàn)場檢測空間存在局限性，因此，考慮到對其缺陷的檢測效率，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計一種高效快速的陣列渦流檢測傳感器迫在眉睫。

剛性磁極陣列渦流檢測傳感器的設(shè)計基本要求：（1）傳感器能一次掃查完成整個剛性磁極檢測，且在役檢測時不受空間限制。（2）剛性磁極表面覆蓋2～3mm厚度的絕緣材料層，銅片加工可能存在厚度不規(guī)則，其傳感器需要有足夠的電磁強度，并存在一定柔性，并能有效地降低提離效應(yīng)帶來的干擾。（3）渦流存在邊緣效應(yīng)，需從陣列渦流傳感器設(shè)計、檢測工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)，減小掃查盲區(qū)及提高檢測有效率。（4）傳感器要有較高的靈敏度及信噪比，需檢測10mm（長）×1mm（深）×0.3mm（寬）的裂紋缺陷。（5）傳感器要有較高的成像分辨率。陣列傳感器成像分辨率與單一檢測單元的直徑大小相關(guān)，直徑越大成像分辨率越低，因此在滿足檢測技術(shù)要求的情況下，需減小單一檢測單元的直徑。

在陣列渦流檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，通過研究陣列渦流傳感器的線圈大小、線圈分布、線圈高度、陣列分布等參數(shù)對剛性磁極內(nèi)渦流場的影響，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)，對這些技術(shù)參數(shù)進(jìn)行模擬，最終研制剛性磁極專用陣列渦流傳感器，其型號為EPTA16CH，外形尺寸為88mm（長）×35mm（寬）×63mm（高），見圖2，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

4 陣列渦流成像檢測系統(tǒng)

剛性磁極陣列渦流成像檢測系統(tǒng)主要包括主機(jī)、軟件、顯示器、傳感器及輔助裝置。該系統(tǒng)性能應(yīng)該滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有時基掃描、多阻抗平面圖、二維成像、C掃描成像、聲光報警等功能。該系統(tǒng)為EEC-98型陣列渦流檢測儀，其主要分為硬件模塊設(shè)計及實現(xiàn)、軟件開發(fā)及實現(xiàn)兩大部分。

4.1 硬件設(shè)計及實現(xiàn)

剛性磁極陣列渦流成像檢測系統(tǒng)硬件模塊主要就是信號采集、數(shù)字信號處理及接口電路等，基本工作原理見圖3。單片機(jī)收到電腦啟動信號以及外同步信號后，以設(shè)定頻率發(fā)出正弦波信號至功率放大器，經(jīng)模擬開關(guān)切換后加至各個傳感器。每個傳感器線圈將分配大于10個周期正弦波，然后將經(jīng)過調(diào)制的信號取出經(jīng)放大后送至XY分解器，再經(jīng)低通濾波放大后送至A/D轉(zhuǎn)換器。PC機(jī)通過串口接收來自單片機(jī)的位置同步信號、通道掃描信號，進(jìn)一步采用實時數(shù)字濾波、實時數(shù)據(jù)插值等技術(shù)對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到檢測區(qū)域的阻抗圖、時基掃描圖、二維成像圖、C掃描成像圖，并輸出控制信號，實現(xiàn)聲光報警、自動分選等。

4.2 軟件開發(fā)及實現(xiàn)

剛性磁極陣列渦流成像技術(shù)也是一種數(shù)字圖像處理技術(shù)，它是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機(jī)對其進(jìn)行處理的過程。文章在陣列渦流成像檢測硬件基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件編譯磁極專業(yè)陣列渦流成像檢測軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理，從而實現(xiàn)剛性磁極實時掃描成像檢測。

剛性磁極陣列渦流成像檢測專業(yè)軟件流程見圖4。

首先通過申請硬件接口地址和傳輸設(shè)備控制參數(shù)實現(xiàn)設(shè)備的初始化。然后通過AD接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通信：16通道的渦流電壓信號通過AD采集卡采集，通過PCI總線傳輸，通過同步信號采集[2-3]實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)分時同步傳輸。采集數(shù)據(jù)再經(jīng)過數(shù)字濾波處理之后，最終進(jìn)行阻抗圖顯示、時基顯示、N通道掃描信號顯示、檢測區(qū)C掃描彩色成像等。

5 試驗驗證

為了驗證剛性磁極陣列渦流成像檢測系統(tǒng)的可靠性，選擇法國ALSTOM Y4GM334-500型水力發(fā)電機(jī)剛性磁極制作了模擬裂紋缺陷對比試塊，材質(zhì)為銅，加工2個裂紋，裂紋缺陷均為10mm（長）×1mm（深）×0.2mm（寬），見圖5。

6 結(jié)束語

文章基于陣列渦流成像檢測技術(shù)，開發(fā)一套剛性磁極陣列渦流成像檢測系統(tǒng)，并在典型剛性磁極上進(jìn)行驗證性試驗，結(jié)果說明該系統(tǒng)具有較高的可靠性、靈敏度及信噪比，其檢測結(jié)果非常直觀明了，便于缺陷信號識別，對開展剛性磁極無損檢測評價具有非常重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]徐可北.渦流陣列檢測技術(shù)[J].冶金分析，2004（10）：645-647.

[2]何永勃，邵雨果.基于陣列渦流技術(shù)的裂紋特征量研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（2）：80-82，86.

[3]林俊明，李同濱，林發(fā)炳等.陣列渦流探頭在鋼管探傷中的實驗研究[J].鋼管，2001，30（3）：39-40.