缺陷方向對基于GMR的電渦流缺陷檢測的影響*

王　超， 王立玢， 叢　正， 王　凱

(天津大學 電氣與自動化工程學院，天津 300072)

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缺陷方向對基于GMR的電渦流缺陷檢測的影響*

王超， 王立玢， 叢正， 王凱

(天津大學 電氣與自動化工程學院，天津 300072)

由于電渦流缺陷檢測多采用單方向激勵方式，而實際檢測中缺陷的方向是未知的，從而造成檢測靈敏度不確定。針對此情況設計以巨磁電阻(GMR)傳感器為檢測元件的矩形線圈激勵的檢測探頭，以矩形缺陷為研究對象，從定性和定量兩個角度仿真對比了在同一激勵方向下，不同方向缺陷引起的磁感應強度變化，發現缺陷方向平行于激勵線圈軸線時能更好地體現缺陷，在此基礎上，對不同方向缺陷進行掃描實驗，將測量數據掃描曲線進行對比發現，當缺陷方向平行于激勵線圈軸線時曲線峰值較大且峰值位置明顯，能更清晰地反映缺陷信息。

缺陷方向； 電渦流檢測； 巨磁電阻； 矩形線圈

0　引　言

矩形激勵線圈由于磁場分布均勻、受提離影響較小而廣泛應用于電渦流缺陷檢測中[1～4]。電渦流缺陷檢測的靈敏度不僅受激勵強度和檢測元件的影響，也取決于缺陷與電渦流之間的相互作用[5]。檢測中采用矩形線圈的單方向激勵方式時，由于被測缺陷方向是未知的，缺陷的檢測效果會受到影響。

很多學者針對缺陷方向和檢測效果之間的關系開展了研究。Nagata S等人對比了缺陷長邊垂直于和平行于電渦流時被阻隔的情況，分析指出缺陷檢測的效果取決于缺陷和電渦流之間的角度[6]。Rimond H等人對不同方向缺陷進行掃描實驗，利用被測試件平面內方向相垂直的兩個磁感應強度分量之和，分析了缺陷和激勵電流之間的角度關系對缺陷檢測造成的影響[5]。

針對缺陷方向不確定的實際情況，本文設計了基于巨磁電阻(giant magneto resistance,GMR)的矩形線圈激勵的檢測探頭，仿真中利用磁感應強度平面分布圖和剩余磁量，定性和定量分析了在同一激勵方向下不同方向缺陷的檢測效果，并在此基礎上進行不同方向缺陷的掃描實驗，對測量數據掃描曲線進行對比分析發現，缺陷平行于激勵線圈軸線時得到的磁感應強度分布曲線能更加清晰地反映缺陷信息。

1　不同方向缺陷COMSOL有限元仿真

仿真采用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件，建立了以矩形線圈為激勵源的不同方向缺陷的電渦流檢測仿真模型。如圖1所示，被測鋁板試件尺寸為100 mm×100 mm×8 mm，為避免矩形線圈長寬不同對缺陷方向分析造成的影響，矩形線圈尺寸設置為88mm×88mm×40 mm，表面缺陷尺寸為15mm×2mm×2 mm，位于鋁板中央，線圈底面與鋁板上表面距離為1 mm，激勵線圈軸線沿x軸方向，即線圈底面激勵電流沿y軸方向，激勵電流0.3 A，頻率500 Hz。

圖1　仿真模型圖

圖2為無缺陷與缺陷長邊和x軸方向夾角分別為0°,30°,60°和90°時，距離鋁板上表面1 mm高度的y方向磁感應強度By的平面分布圖。

圖2　By平面分布圖

如圖2(a)，在無缺陷的情況下，電渦流的正常分布沒有被阻斷，沒有偏離原磁場方向的磁場生成，鋁板中央區域By分布均勻。如圖2(b)～(e)存在缺陷的情況下，隨著缺陷與激勵方向之間的角度發生改變，By分布的明顯程度也隨之發生變化。圖中，隨著缺陷長邊與x軸夾角增大，缺陷長邊與線圈底面激勵電流的夾角就減小，鋁板中央由缺陷引起的By分布的可辨識性也隨之降低，圖2(e)甚至難以辨識缺陷的存在。綜上所述，當缺陷與激勵線圈軸線相平行，即與線圈底面激勵電流方向相垂直時，由缺陷引起的By分布顏色變化最明顯，能清晰體現出缺陷，從而使缺陷的檢測靈敏度最高。

2　剩余磁量分析

如式(1)所示，剩余磁量Bα表示有缺陷時磁感應強度值與無缺陷時磁感應強度值(參考值)之差的絕對值求和

(1)

圖2(b)～(e)中，在x軸方向[-20,20]m和y軸方向[-20,20]m范圍內，步長為0.2mm取點，即x軸和y軸方向均取200個點，依據式(1)計算缺陷與x軸夾角為0°,30°,60°和90°時的By剩余磁量為，B0=0.035 4T，B30=0.032 3 T，B60=0.001 5T，B90=0.000 6T。隨著缺陷與x軸夾角逐漸增大，缺陷與線圈底面激勵電流的夾角就逐漸減小，而剩余磁量也逐漸減小，檢測靈敏度變低。考慮到缺陷方向是唯一變量，說明檢測靈敏度的變低是由缺陷方向的改變造成的。當缺陷與x軸夾角為0°時，即缺陷平行于激勵線圈軸線時，檢測靈敏度最高。

3　檢測實驗與分析

3.1檢測探頭與測量系統

實驗中采用的檢測探頭如圖3(a)所示，激勵線圈采用矩形線圈，檢測傳感器采用GMR傳感器。如圖3(b)所示，GMR水平放置于線圈底面，敏感軸方向與線圈底面激勵電流方向相同，矩形激勵線圈的參數設置：匝數為27，長度為20mm，寬度為15mm，高度為15mm，電阻為1.4Ω，銅線直徑為0.4mm。

圖3　檢測探頭

測量系統以Xilinx公司的Spartan—3 XC3S400PQ208芯片現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)為核心元件，由FPGA芯片內部的DDS模塊產生正弦數字序列，經過數/模轉換和濾波放大電路生成正弦激勵信號。經放大處理后的GMR傳感器輸出信號由AD采集，采樣頻率為1 MHz，再經FPGA正交解調獲得測量信號的幅值信息[7,8]，通過USB接口發送到計算機。

3.2不同方向缺陷檢測實驗與分析

實驗選取的鋁板試件尺寸為310 mm×260 mm×8 mm，表面缺陷尺寸為20 mm×4 mm×2 mm，利用電機控制操作平臺進行掃描實驗，掃描步長為0.1 mm。如圖4所示，缺陷與x軸夾角分別為0°，30°，45°和90°，線圈底面激勵電流方向和掃描方向均沿y軸。

圖4　掃描方向示意圖

實驗結果如圖5所示，曲線4峰值最小，峰值不清晰。曲線2和曲線3幅值更大，但兩曲線形狀均已發生偏移，難以進一步判定缺陷的位置和尺寸。曲線1峰值最大，峰值點位置明確，為利用峰值進行缺陷尺寸的判斷提供了方便。

圖5　By分布曲線

4　結　論

本文設計了基于GMR的矩形線圈激勵的電渦流檢測探頭，從定性和定量角度仿真驗證了當缺陷平行于激勵線圈軸線，即缺陷垂直于線圈底面激勵電流時，缺陷對電渦流阻斷效果更強，由缺陷引起的磁感應強度的變化更加明顯，缺陷的可辨識性更高。在此基礎上對不同方向缺陷進行掃描實驗，缺陷平行于激勵線圈軸線時得到的磁感應強度分布曲線峰值清晰，缺陷信號更加突出，同時峰值點的位置也更加明確，為利用峰值距離進行缺陷尺寸的判斷奠定了基礎。

[1]Postolache O,Ribeiro A L,Ramos H.A novel uniform eddy current probe with GMR for non-destructive testing applications[C]∥IEEE EUROCON 2011,Lisbon:Institute of Electrical and Electronics Engineers,2011:1-4.

[2]Postolache O,Ramos H G, Ribeiro A L,et al.GMR-based eddy current sensing probe for weld zone testing[C]∥ 2009 IEEE Sensors Conf,Christchurch:Institute of Electrical and Electronics Engineers,2009:25-28.

[3]Koyama K,Hoshikawa H,Taniyama N.Investigation of eddy current testing of weld zone by uniform eddy current probe[C]∥The 15th World Conference on Non-Destructive Testing,Rome:International Committee on Non-Destructive Testing,2000:46-51.

[4]Hoshikawa H,Koyama K.Uniform eddy current probe with little disrupting noise[C]∥Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,San Diego:Nondestructive Testing Technology Research Center,the Institute of Physics,Iowa State University,1997:1059-1066.

[5]Hamia R,Cordier C,Dolabdjian C.Eddy-current non-destructive testing system for the determination of crack orientation[J].NDT & E International,2014,26:24-28.

[6]Nagata S,Enokizono M.Numerical simulations and experiments of eddy current tests under various excitation methods[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,161(1):353-358.

[7]張軍青.基于FPGA的電磁測量系統及其應用研究[D].天津:天津大學,2011:30-46.

[8]Wang Chao,Zhi Ya,Gao Peng.A GMR-based eddy current system for defect detection[C]∥Proceedings of 2013 IEEE The 11th International Conference on Electronic Measurement & Instruments,Harbin:Chinese Institute of Electronics,2013:1052-1056.

Effect of defect direction on eddy current defect testing based on GMR*

WANG Chao， WANG Li-bin， CONG Zheng， WANG Kai

(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Due to the single direction incentive mode is mostly used in eddy current defect detection and defects direction in real detection is unknown,resulting in detection sensitivity is uncertain.Aiming at this case,adetecting probe with rectangular coil exciting based on GMR is designed,and rectangular defects are selected as research target.Through the qualitative quantitative simulation and comparison variation of magnetic induction intensity under the same incentive direction and defects in different directions,the defect direction parallel to axis of exciting coil can reflect defect better.On this basis,scanning experiment is carried out in different directions,scanning curves of test data are compared,it suggests that the defects parallel to the axis of the exciting coil has higher peak value and more significant peak position,which is more applicable to reflect defect information.

defect direction; eddy current detection; giant magneto resistance(GMR); rectangular coil

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0020—03

2015—11—13

國家自然科學基金資助項目(61072101)

TP 212.13

A

1000—9787(2016)09—0020—03

王超(1973-)，男，河北唐山人，博士生導師，教授，主要研究方向為電磁無損檢測、電學層析成像、單相和多相流測量技術及生物阻抗檢測。