刚性磁极阵列涡流成像检测系统技术应用研究

李坤鹏等

摘 要：文章基于阵列涡流检测技术，开发一套刚性磁极阵列涡流成像检测系统，经试验验证，该系统能快速、直观、有效检测刚性磁极的裂纹缺陷，对水力发电机组安全运行防止刚性磁极断裂有重大意义。

关键词：刚性磁极；阵列涡流；检测

1 概述

水力发电机刚性磁极是水力发电机组中重要监督部件，见图1。在运行中，刚性磁极以100～750转/秒的速度随着发电机高速转动，本体电流强度达到上千安倍，它不仅承受高速转动时的离心力所产生的静应力及温度、振动等动应力，还要承受外部电磁力作用，若刚性磁极本身设计、制造、安装质量存在原始缺陷问题，极易在综合应力的作用下产生裂纹等缺陷，进而发生刚性磁极断裂事故，因此，加强对刚性磁极的检测显得尤为重要。

目前，常规无损检测技术主要包括射线检测、超声检测、磁粉检测、着色检测、涡流检测等，每种检测技术都有自己独特的优点和局限性。对于刚性磁极，其材质为铜，密度较高，在役检测空间较小，不适宜射线检测和磁粉检测；其形状不规则，不适宜超声检测；表面覆盖2mm～3mm厚度的绝缘材料层，不适宜着色检测；而涡流检测能适应这些技术难点，特别是新兴的阵列涡流成像检测技术，通过传感器结构的特殊设计，运用计算机技术和数字信号处理技术，从而实现对材料和零部件的快速、有效地检测，有利于公司工作效率的提升和生产管理水平的提高。

文章在阵列涡流理论的基础上，结合数值仿真技术，研制刚性磁极专用阵列涡流传感器，利用LabVIEW软件编译阵列涡流成像检测专业软件，开发具有专业刚性磁极成像检测系统，从而实现刚性磁极成像检测，对确保水力发电机组安全运行具有非常重大意义。

2 阵列涡流检测检测技术原理

阵列涡流检测（Eddy Current Array Testing，ECAT）是涡流无损检测中一个新兴的分支，本质上与涡流无损检测技术一样，都是研究被测材料中缺陷与电磁场之间的相互作用关系，以已知场源来求解散射场的大小和分布，从而对检测信号做出准确的评定。它是通过传感器结构的特殊设计，运用计算机技术和数字信号处理技术，实现对材料和零部件快速、有效地检测[1]。

由于刚性磁极的无损检测技术评价是一个全新的应用研究，因此，国内外有关刚性磁极检测技术应用相当匮乏，开发一套刚性磁极阵列涡流成像检测系统，能形成具有我国自主知识产权的专业阵列涡流成像技术产品，将其优点和作用广泛应用于水力发电行业，将会创造巨大的直接经济效益和社会价值。

3 阵列涡流检测传感器

阵列涡流检测传感器是阵列涡流检测系统中的重要部件，当前，每台水力发电机组有几十组刚性磁极，这些刚性磁极均采用绝缘材料进行包扎固化，且现场检测空间存在局限性，因此，考虑到对其缺陷的检测效率，结合其结构特点，设计一种高效快速的阵列涡流检测传感器迫在眉睫。

刚性磁极阵列涡流检测传感器的设计基本要求：（1）传感器能一次扫查完成整个刚性磁极检测，且在役检测时不受空间限制。（2）刚性磁极表面覆盖2～3mm厚度的绝缘材料层，铜片加工可能存在厚度不规则，其传感器需要有足够的电磁强度，并存在一定柔性，并能有效地降低提离效应带来的干扰。（3）涡流存在边缘效应，需从阵列涡流传感器设计、检测工艺等方面进行改进，减小扫查盲区及提高检测有效率。（4）传感器要有较高的灵敏度及信噪比，需检测10mm（长）×1mm（深）×0.3mm（宽）的裂纹缺陷。（5）传感器要有较高的成像分辨率。阵列传感器成像分辨率与单一检测单元的直径大小相关，直径越大成像分辨率越低，因此在满足检测技术要求的情况下，需减小单一检测单元的直径。

在阵列涡流检测技术的理论基础上，通过研究阵列涡流传感器的线圈大小、线圈分布、线圈高度、阵列分布等参数对刚性磁极内涡流场的影响，结合数值仿真技术，对这些技术参数进行模拟，最终研制刚性磁极专用阵列涡流传感器，其型号为EPTA16CH，外形尺寸为88mm（长）×35mm（宽）×63mm（高），见图2，其主要技术参数见表1。

4 阵列涡流成像检测系统

刚性磁极阵列涡流成像检测系统主要包括主机、软件、显示器、传感器及辅助装置。该系统性能应该满足相关技术标准要求，具有时基扫描、多阻抗平面图、二维成像、C扫描成像、声光报警等功能。该系统为EEC-98型阵列涡流检测仪，其主要分为硬件模块设计及实现、软件开发及实现两大部分。

4.1 硬件设计及实现

刚性磁极阵列涡流成像检测系统硬件模块主要就是信号采集、数字信号处理及接口电路等，基本工作原理见图3。单片机收到电脑启动信号以及外同步信号后，以设定频率发出正弦波信号至功率放大器，经模拟开关切换后加至各个传感器。每个传感器线圈将分配大于10个周期正弦波，然后将经过调制的信号取出经放大后送至XY分解器，再经低通滤波放大后送至A/D转换器。PC机通过串口接收来自单片机的位置同步信号、通道扫描信号，进一步采用实时数字滤波、实时数据插值等技术对信号进行数据处理，从而得到检测区域的阻抗图、时基扫描图、二维成像图、C扫描成像图，并输出控制信号，实现声光报警、自动分选等。

4.2 软件开发及实现

刚性磁极阵列涡流成像技术也是一种数字图像处理技术，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。文章在阵列涡流成像检测硬件基础上，利用LabVIEW软件编译磁极专业阵列涡流成像检测软件，对数据进行采集、分析、处理，从而实现刚性磁极实时扫描成像检测。

刚性磁极阵列涡流成像检测专业软件流程见图4。

首先通过申请硬件接口地址和传输设备控制参数实现设备的初始化。然后通过AD接口实现数据实时通信：16通道的涡流电压信号通过AD采集卡采集，通过PCI总线传输，通过同步信号采集[2-3]实现多通道数据分时同步傳输。采集数据再经过数字滤波处理之后，最终进行阻抗图显示、时基显示、N通道扫描信号显示、检测区C扫描彩色成像等。

5 试验验证

为了验证刚性磁极阵列涡流成像检测系统的可靠性，选择法国ALSTOM Y4GM334-500型水力发电机刚性磁极制作了模拟裂纹缺陷对比试块，材质为铜，加工2个裂纹，裂纹缺陷均为10mm（长）×1mm（深）×0.2mm（宽），见图5。

6 结束语

文章基于阵列涡流成像检测技术，开发一套刚性磁极阵列涡流成像检测系统，并在典型刚性磁极上进行验证性试验，结果说明该系统具有较高的可靠性、灵敏度及信噪比，其检测结果非常直观明了，便于缺陷信号识别，对开展刚性磁极无损检测评价具有非常重要意义。

参考文献

[1]徐可北.涡流阵列检测技术[J].冶金分析，2004（10）：645-647.

[2]何永勃，邵雨果.基于阵列涡流技术的裂纹特征量研究[J].传感器与微系统，2010，29（2）：80-82，86.

[3]林俊明，李同滨，林发炳等.阵列涡流探头在钢管探伤中的实验研究[J].钢管，2001，30（3）：39-40.