渦流陣列檢測技術的研究進展現狀分析

張衛民，岳明明，龐煒涵，徐民東，陳國龍

(北京理工大學 機械與車輛學院 北京 100081)

0 引言

渦流陣列傳感器檢測技術，亦屬于渦流傳感器技術新興發展方向之一。因為這種檢測技術既有渦流檢測技術非接觸、在實際檢測中便于應用的優勢，又有陣列傳感器檢測大型工件效率高的特點，在檢測零件表面損傷研究方面，具有獨特優勢，是一種結合計算機技術、自動控制技術、多傳感器融合技術、智能信號處理技術的綜合技術，目前雖不夠成熟、穩定、在檢測實踐中應用也不多，但無礙于這種技術的發展。

1 渦流陣列檢測技術的研究進展

國際上，最初的渦流陣列傳感器由繞制的線圈單元構成。1988年，Krampfner和Johnson將印制電路板技術用于渦流陣列傳感器的設計，巧妙解決了人工繞制線圈一致性較差的問題[1]。2009年，加拿大Eddyfi公司開發出各種結構柔性陣列渦流檢測傳感器(如圖1、圖2所示)，并由Matrix公司在國內負責銷售，檢測效果較好，適應于各種曲面零件的檢測，但價格較高，用戶不多。2004年，CODECI傳感器問世，該傳感器將陣列排布的線圈單元和CCD結合，能檢測各種導電材料的表面缺陷，是陣列傳感技術的重要進展。

圖1 加拿大Eddyfi公司研制的柔性陣列式渦流探頭

圖2 加拿大Eddyfi公司的試樣和檢測結果

此外，還有各種新型原理的陣列傳感器方案，如基于SQUID效應的陣列傳感器[2]、基于MWM的陣列傳感器[3]、霍爾元件陣列傳感器[4]、GMR陣列傳感器等[5]。但這些傳感器由于受到各種條件限制，都沒有線圈式陣列傳感器在實踐中應用廣泛。

國內關于渦流陣列傳感器研究較早的是清華大學陳祥林、丁天懷等人，采用柔性印刷電路板工藝研制了一種新型接近式電渦流傳感器及測試系統，可以實現大面積曲面間微小間隙的實時監測[6]，在陣列傳感器方面進行過較深入研究的是長沙國防科技大的劉波、羅飛路等人[7]，劉波對渦流陣列檢測技術的理論和實驗都進行了深入、系統的研究。西安交通大學、北京航空航天大學、華中理工大學、吉林大學、南昌航空大學、中國石油大學、中國民航大學、北京航空材料研究院、上海材料研究所、上海飛機設計研究所等多家單位，也先后開展了渦流陣列檢測技術研究，并各自推出了傳感器結構方案，解決了一些實際問題[8-10]。

2 渦流陣列檢測技術的應用現狀

渦流陣列傳感器的實際應用之一是用于重要機械結構的疲勞損傷在位監測。值得注意的是，用于損傷發展在位監測的一種新型平面電渦流傳感器結構，可用于螺栓孔附近疲勞裂紋發展監測[11]。激勵線圈從中心圓處呈輻射狀向四周螺旋展開，在激勵線圈的螺旋線間隔內分布著環狀感應線圈，激勵線圈中通以激勵電流，在傳感器監測空間內產生激勵磁場，環狀感應線圈用于感應激勵磁場在監測空間內的反射場，而反射場跟傳感器監測空間內的電磁特性和空間邊界條件緊密相關，結構損傷伴隨結構電磁特性參數和邊界條件的改變，引起傳感器輸出特性變化。某研究組針對該結構進行了深入的理論和實驗研究[12]，此后類似研究尚不多見。

本文作者在博士點基金、自然科學基金、國防預研基金資助下，針對實際裂紋走向呈隨機性分布、而普通差動式渦流傳感器[13]、方向性渦流傳感器檢測時存在盲區的問題，提出了利用旋轉渦流場的十字交叉激勵新型結構。所謂十字交叉激勵，即采用兩個十字交叉導線激勵和阿基米德螺線接收線圈接收方式，組成電渦流傳感器平面結構。在十字交叉導線上分別通以相位相差90°的正余弦交流電，則會在試件上產生一強度均勻，方向旋轉的方向性電磁場。與傳統的常規圓柱型渦流探頭相比，由于這種結構具有瞬時方向性，更有利于集中瞬時能量，用于檢測各向異性性質的殘余應力等物理量，由于方向是均勻旋轉的，則對方向隨機分布的裂紋，均有較好的檢測靈敏度。目前研究成果已投寄國際權威雜志，引起業內專家的興趣與注意。幾乎就在提出十字交叉激勵等新結構同時已申請專利。國際權威雜志NDT&E International，2015 年70卷29-37頁上發表了Lius S和Telmo G等人的論文“，“A new dual driver planar eddy current probe with dynamically controlled induction pattern”[14]，文中所提結構和本課題新裝置或派生結構十分相似，有異曲同工之妙，如圖3所示。這也從一個側面說明，本研究確有先進性，且應刻不容緩開展研究。

圖3 兩種結構對比

計劃在下一步開展基于陣列傳感器研究，屆時不僅可以監測到疲勞裂紋產生程度，而且對位置也可以監測到。圖4是作者設想的一種結構，用于監測焊縫處疲勞裂紋，激勵線圈有兩條導線，交叉處形成旋轉磁場，監測線圈是獨立的，不僅可以檢測到疲勞裂紋的出現，還可以檢測到疲勞裂紋的位置。

圖4 新型電磁在位監測機構

3 一種可用于小曲率曲面零件表面損傷的渦流陣列檢測技術的研制

該裝置由柔性陣列式檢測渦流探頭、氣囊式裝置、步進電機、多通道信號采集裝置、計算機組成。柔性陣列渦流傳感器由30組剛性線圈等間距固定在柔性橡膠墊上制成，每個單元線圈結構都是一致的。橡膠墊具有一定柔性，可以滿足小曲率曲面零件的檢測需求。檢測時氣囊式裝置充氣，將陣列式渦流探頭壓緊在零件表面上，步進電機驅動則可保證裝置在任何地方實現檢測。多通道信號采集裝置最多可采集48路信號，在計算機中進行成像處理。整個實驗裝置如圖5所示。檢測時，充氣氣囊將傳感器線圈緊壓在被測零件表面上，這種結構對小曲率曲面零件也有一定適應性，步進電機將傳感器結構送到需要檢測位置，從而實現檢測。

這種結構對檢測微小損傷未必有什么明顯優勢，其主要特點是檢測效率高，發揮了陣列探頭優點。實驗中選用一鋁合金小曲率曲面零件，在上面用機械方法加工出尺寸為(長×寬×深)10mm×2mm×3mm較大的裂紋狀缺陷，如圖6所示。

圖5 渦流陣列檢測實驗裝置

圖6 裂紋狀缺陷

將陣列傳感器移動至缺陷位置，在缺陷位置可觀測到信號幅值發生突變，將信號通過低通濾波器等進一步處理，即可清晰提取出缺陷信號，如圖7所示，裂紋缺陷信號為圖中黑色部分。

圖7 缺陷信號

4 結語

分析了目前陣列渦流傳感器技術的研究和應用現狀，指出陣列渦流傳感器技術是渦流檢測技術的一個新的發展方向。回顧了國內外研制現狀，提出了一種新型陣列渦流傳感器結構方案。

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[14] Luis S.Rosado，TelmoG.Santos，PedroM.Ramosetal.A new dual driver planar eddy current probe with dynamically controlled induction pattern[J]. NDT&E International，2015, 70:29-37.