導電性材料の亀裂を検出するための回転渦電流制御を集中させるための銅コアの洗練された設計

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5479 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

渦電流 (EC) 検査は、過去数十年にわたり、導電性材料の欠陥を検出するための標準候補として選択されてきました。 それにもかかわらず、プローブの寸法と試験片の表面に生成される EC の強度との間のトレードオフのため、軽微な欠陥を検出できる EC プローブの発明は研究者にとって常に困難でした。 ここでは、洗練されたデザインの銅コアを使用し、回転する EC を銅コアの先端に集中させ、導電性材料の全方向の小さなクラックを検出します。 この方法では、大きな励磁コイルを任意に収容できるため、試験片の狭い領域でより大きな回転均一ECが生成されます。 したがって、プローブは導電性材料の全方向の亀裂を検出できます。

構造コンポーネントの小さな欠陥は潜在的なリスクをもたらします。 高速、感度、効率 1、2、3、4 の利点により、渦電流 (EC) 検査は、航空 5、6、鉄道 7、 8、9、石油化学工業10、鋼橋などの土木分野11、12。 保守現場における不具合情報の収集には欠かせない手段となっている13,14。

星川ら[15]は、試験片表面に生じた直線パターン EC が信号対雑音比 (SNR) を向上させる可能性があることに注目しました。 この技術は、日本では均一渦電流 (UEC) 測定として知られています。 一方、この技術は、アメリカやヨーロッパでは交流フィールド測定と呼ばれています。 さらに、EC プローブの自己微分特性と自己ヌリング特性を実現すると、ノイズ信号の影響を軽減できます 16、17。 代表的な UEC プローブは星川によって発明され、星プローブと呼ばれています15、18、19、20、21、22、23、24、25。 星プローブの構造は基本的に接線方向の長方形の励磁コイルと円形または長方形の検出コイルで構成されています。 UEC トランスデューサの原理は、材料に欠陥が存在すると、UEC の分布が乱れ、検出コイルを通る磁束が変化するというものです。

現在までに、多くの研究者が、ますます小さな欠陥のサイズを予測するために高い SNR を達成するための新しい EC プローブの調査と開発を続けています。 フェライトコアは励磁コイルのコア材料として適用され、磁場振幅を増加させ、その高い透磁率により欠陥検出能力を高めました26、27、28、29、30、31。 これまでのUECプローブは、検出感度を上げるために試験片表面に強いECを発生させるために大きな励起電流強度が必要となり、プローブの構造も大きくなるため、微小な欠陥の検出には不利でした。 ただし、微小欠陥のサイズに比べて誘起された EC 分布が大きすぎるため、これは微小欠陥の検出能力に影響を与えます。 さらに、従来の ECT センサーの代わりに、高感度で柔軟な渦電流アレイセンサーも表面の微細な欠陥を検出するために使用されます 32,33,34。 高周波導電率測定と大きな励磁アンペアにより、磁場は励磁コイルの周囲に広がり、広い範囲をカバーするため、微小欠陥の検出に高い性能を発揮します。 それでも、フレキシブル渦電流アレイプローブは通常、銅線の巻き数が少ないです。 したがって、フラット コイルが良好な性能を達成するには、高周波 (通常は 100 kHz ～ 10 MHz) での導電率測定が必要です。 このモードでは、明らかにノイズが多く、表皮効果が浅くなります。 また、空間分解能を追求するため、フレキシブル渦電流アレイプローブは空間分解能が高くなりますが、特に小面積の試験片を検査する場合には、隣接する亀裂を検出することができないため不利となります。 したがって、我々の以前の研究では、スリット、中空、および励起コイルの下に取り付けられたプレートを備えた銅コアを備えた渦電流収束（ECC）プローブが、銅コアの先端で収束する非常に強力なECを生成すると考えられていました35,36。 。 それにもかかわらず、前回の研究の ECC プローブでは、EC ラインが亀裂の長さに垂直な場合と比較して、亀裂の長さに平行な場合に亀裂信号の振幅が大幅に減少し、亀裂の特性の評価に大きな影響を与えました。 この問題を解決する方法は、同じ周波数と 90°の位相差を持つ電流を持つ一対の励磁コアを使用して、試料の表面に回転 EC を生成することです 18、19、23、37。 しかし、我々の以前の研究 35,36 では、この回転が励磁コイルによって直接生成されるのではなく、銅コアの先端に集まる EC によって生成されるため、試験片の表面に EC 回転を生成することが妨げられました。 つまり、試験片表面全体で均一な回転ECを実現するには、均一な回転が可能な銅芯の先端に集まるECを制御する必要があります。 したがって、この研究では、銅コアの先端で収束する回転 EC を生成できる洗練された設計の銅コアを使用した新しい回転均一渦電流収束 (RUECC) プローブを紹介します。その結果、銅コアの先端に非常に強力な回転 EC が生成されます。試験片表面をあらゆる方向から観察し、小さな亀裂を検出します。 励起コイルのサイズと巻き数、および銅コアの構造を調整して銅コアの先端に収束する EC を生成することにより、RUECC プローブは以前の研究における ECC プローブの欠点を克服できます 35,36。 プローブを使用して全方向の小さな欠陥を検出する能力も大幅に向上すると予想されます。 さらに、円形検出コイルは自己ヌリング特性と自己微分特性を遵守しており、その結果、RUECC プローブはノイズ信号 (特にリフティング中のノイズ信号) を除去します。 銅コアの先端における渦電流の収束を確認するために、有限要素解析が実行されました。 本研究では、有限要素解析の結果に基づいて銅コアを製造することにより、銅コア先端のRUECCを取得することに成功した。 銅コアの特別な設計により、既存の文献と比較して優れた欠陥検出能力が得られました。