基于磁通門磁強計的順磁性金屬深層缺陷渦流檢測

(中國工程物理研究院 材料研究所，江油 621908)

渦流檢測技術是一項應用廣泛的無損檢測技術，可檢測導體(主要是金屬)的缺位、縫隙、腐蝕、裂紋等缺陷[1-3]。渦流檢測的原理為:激勵線圈產生交變磁場，在導體中激發渦旋電流，導體中的缺陷會使渦流發生改變，從而引起磁場的變化，通過磁傳感器可以檢測出缺陷的信息。由于趨膚效應，高頻電磁場的穿透深度很淺，感應線圈的低頻靈敏度較差，高頻靈敏度較好，適合檢測表面或亞表面缺陷；低頻電磁場的穿透深度較深，因此低頻靈敏度較高的磁傳感器適用于深層渦流檢測。

磁通門磁強計在直流至幾千赫茲的頻率范圍內都具有較高的靈敏度，目前廣泛應用于地磁場測量、空間磁場測量、深層渦流檢測[4-5]及其他弱磁場測量領域。根據趨膚效應，穿透深度可用式(1)表示。

δ=[ρ/(πμf)]1/2

(1)

式中:ρ為導體的電阻率；μ為磁導率;f為激勵頻率。

304不銹鋼(典型的奧氏體不銹鋼)的電阻率約為7.2×10-7Ω·m，相應地其在1 kHz下的穿透深度約為14 mm。因此，當激勵頻率在1 kHz左右或更低時，適合檢測奧氏體不銹鋼10 mm左右深度的缺陷。磁通門磁強計在1 kHz頻率下的理論噪聲可以達到10-11T的量級或更低，可以實現10 mm以上深度的渦流檢測。

除了磁通門磁強計，巨磁阻(GMR)傳感器[6]、巨磁阻抗(GMI)傳感器、超導量子干涉儀(SQUID)及其他在低頻下具有高靈敏度的磁傳感器也具備通過渦流檢測導體深層缺陷的能力，且靈敏度越高，檢測深度也越深。在千赫茲頻率下，GMR/GMI傳感器的磁場白噪聲通常與磁通門磁強計的相似，但在100 Hz以下，磁通門磁強計的白噪聲通常更低[7]。上述磁傳感器中，SQUID的靈敏度最高[8-9]，但其需要工作在低溫下以維持超導電性，制冷成本更高，設備整體體積更大，而且其魯棒性不如磁通門磁強計、GMR/GMI傳感器等可以工作在常溫下的傳感器。有文獻報道了GMR/GMI傳感器在渦流檢測領域中的多種應用，如可檢測導體表面或深層缺陷，被測材料包括鋁、鋁合金[10-11]、不銹鋼[12]等。

筆者研制了一套基于磁通門磁強計的深層渦流檢測裝置，在此前的工作中，實現了對6061鋁合金深層缺陷的檢測，檢測深度達到14 mm，與GMR傳感器的檢測深度相當，大幅優于文獻[13]中磁通門磁強計渦流檢測的結果。該裝置的優點為：通過激勵線圈中軸線與磁強計測量方向相互垂直的配置方式，測量樣品渦流磁場平行于樣品表面的分量，當激勵磁場增強時，提高了渦流信號的幅度，平行分量不會超過磁強計的量程，在保證測量穩定的同時能夠提升信噪比。

文章使用該深層渦流檢測裝置，通過增加測量點數并用快速傅里葉變換(FFT)的方法來降低噪聲，并研究渦流磁場幅度與激勵頻率的關系，測量缺陷位于不同深度下的最佳激勵頻率以提升有效信號幅度，以此提高信噪比和檢測深度，提高圖像的分辨率。同時，通過對照最佳激勵頻率與缺陷深度關系曲線，來估測未知缺陷的深度。

1 試驗方法

基于磁通門磁強計的深層渦流檢測裝置由磁通門探頭、磁通門磁強計主機、激勵線圈、線圈位置調節裝置、測量架、二維位移臺、信號發生器、鎖相放大器、計算機組成。樣品放置于二維位移臺上，可沿xy方向進行掃描，磁通門探頭位于樣品上方，測量平行于樣品表面的磁場分量，即圖中的z方向，激勵線圈法線朝向y方向。線圈與磁通門探頭的相對位置可以沿z方向進行調節，使磁通門測量中心盡量接近激勵線圈法線，使磁通門磁強計的讀數置零(在無樣品的情況下)。該裝置的框圖如圖1所示。

圖1 基于磁通門磁強計的深層渦流檢測裝置框圖

當上述渦流檢測裝置置零后，磁通門測量中心基本位于激勵線圈法線上，根據對稱性，如果下方樣品是無限大金屬板，那么測得的渦流磁場平行分量為零，而當樣品存在缺陷時，缺陷附近渦流的幅度和方向都會發生改變，使渦流磁場的平行分量不為零，從而能測出缺陷的存在。

上述裝置中，磁通門探頭是Bartington Mag-13三分量傳感器，這里只需要用到其Bz分量，其在1 Hz下的磁場白噪聲均方根幅值為4X10-12T·Hz-1/2，工作頻率范圍是直流至3 kHz。信號發生器的型號為Tektronix AFG3022B。磁通門磁強計主機輸出的模擬信號經過Zurich HF2鎖相放大器的傅里葉變換后，將相應頻率的信號幅值輸入計算機，由計算機進行采集。計算機通過步進電機控制器控制二維位移臺，使樣品進行xy方向掃描。激勵線圈的直徑為25 mm，電阻為120 Ω，電感約為40 mH。

測試的樣品包括預制缺陷的304不銹鋼和6061鋁合金板，上方覆蓋了多層金屬平板，模擬位于一定深度下的缺陷，樣品結構如圖2所示。

圖2 測試樣品的結構示意

試驗時，將兩塊金屬板拼接起來以模擬較細的裂紋，這是因為寬度10 μm左右的細縫較難加工，而拼接縫與裂紋在阻擋渦流的作用上比較相似。圖2(a)中304不銹鋼板的縫隙尺寸(長×高×寬)為180 mm×5 mm×15 μm，圖2(c)中6061鋁合金板的縫隙尺寸為180 mm×5 mm×1 μm(光學顯微鏡測量縫寬)。圖2(b)和(d)中的不銹鋼槽和鋁合金槽用于安裝拼接的金屬板并固定，保持縫隙寬度。圖2(e)是預制十字形缺陷的304不銹鋼板，其厚度為2 mm，十字形缺陷的長寬均為80 mm，縫隙寬度為1 mm。圖2(a)，(c)，(e)樣品上方覆蓋多層厚度為2 mm的金屬板(與樣品材料相同)，模擬缺陷處于深層的情況，因此當覆蓋N層金屬板時，缺陷的深度為2Nmm。304不銹鋼的電阻率約為7.3×10-7Ω·m，對應的電導率為1.37×106S·m-1；6061不銹鋼的電阻率約為4.0×10-7Ω·m，對應的電導率為2.5×106S·m-1，二者的磁導率均為μ0。

2 理論分析

根據趨膚效應公式，在柱坐標下，激勵線圈在無限大金屬板內產生的渦流密度分布可以用式(2)表示。

(2)

式中：σ為材料的電導率;I為激勵線圈電流;g(r,φ)為金屬板表面渦流的分布函數;δ為相應頻率下的渦流穿透深度；z為距材料表面的垂直深度。

文中的信號發生器近似為恒壓源，因此激勵線圈電流由電壓與阻抗決定，如式(3)所示。

(3)

式中：U為信號發生器的電壓；R為激勵線圈與導線的電阻之和；L為線圈的電感。

當缺陷深度為z0時，存在一定的頻率f0使缺陷附近的渦流產生的磁場達到極大值。由于電磁波在從激勵線圈產生-進入導體-到達缺陷-反射-檢測的過程中，穿過材料兩次，因此在計算渦流磁場幅度的過程中，趨膚效應的因子應為exp(-2z/δ)。根據式(1)(3)可對頻率求偏導，得到缺陷深度為z0時，位于該深度的渦流所產生的磁場達到極大值時的頻率f0，結果如式(4)所示。

(4)

上述模型將信號發生器近似看成恒壓源，只考慮激勵線圈的電感，并假設缺陷厚度Δz為零，將激勵磁場簡化為平面波，因此與試驗結果有差異，但缺陷深度與頻率關系的趨勢與試驗結果是一致的，即式(4)能定性描述不同深度缺陷對應的最優頻率的關系。

3 結果與討論

首先在304不銹鋼縫隙樣品[見圖2(a)]上覆蓋不同厚度的鋼板，改變激勵磁場頻率，得到渦流磁場平行分量隨頻率的變化曲線，分析磁場分量幅度達到極大值時的最優頻率與缺陷深度之間的關系,得到的磁場分量幅度與激勵頻率的關系曲線如圖3所示。

圖3 304不銹鋼縫隙樣品位于不同深度時渦流磁場幅度與激勵頻率的關系曲線

由圖3可見，當缺陷位于一定深度時，存在一定的激勵頻率f0使渦流磁場幅度達到極大值。當頻率過低時，渦流密度太小，導致渦流磁場幅度也較低；當頻率過高時，由于趨膚效應，渦流集中于導體表面，深層渦流密度減小，使得渦流磁場幅度下降。注意到圖3中z0=0時，隨著激勵頻率的提高，渦流磁場幅度達到極大值后也略有下降。理論上頻率越高，表面渦流密度也越大，聯立式(2)，(3)可知，頻率趨于無限大時，磁場-頻率曲線應當接近一條直線，但這里出現了極大值，過了極值點后有所下降，這可能是因為缺陷厚度Δz不為零，激勵頻率過高時，缺陷頂部的渦流密度雖然增大，但缺陷底部的渦流密度下降了，使得渦流磁場幅度不如最優頻率下的幅度。

圖3表明，隨著缺陷深度的增加，頻率f0逐漸下降，將f0-z0的關系繪制成曲線(見圖4)，并將材料參數代入式(4)，與式(4)的理論曲線進行對比。

圖4 f0-z0關系曲線的實測值與理論值對比

根據式(4)可知，隨著缺陷深度的增加，最優檢測頻率是單調下降的，實測值中深度016 mm范圍內的曲線也驗證了這個趨勢。然而，缺陷深度在1620 mm內時，隨著缺陷深度的下降，最優檢測頻率反而有所上升。注意到圖3中磁場幅度-頻率曲線受噪聲干擾而產生了波動，因而影響了最優頻率的確定，從曲線上可以估計磁場幅度的測量誤差約為0.5 nT，如式(5)所示。最優頻率的位置是曲線一階導數為零的位置，故可以通過曲線的二階導數來確定頻率的誤差。

B(f0+Δf)-B(f0)≈B′(f0)Δf+

(5)

式中：B為渦流磁場的磁感應強度的幅度；Δf為頻率的誤差；B′為磁場對頻率的一階導數；B″為磁場對頻率的二階導數；ΔB為磁場的誤差。

由式(5)可以估計頻率的誤差約為30 Hz(深度為2 mm時)，根據此式繪制出誤差條，從圖4中可以看出，16 mm以上深度的異常趨勢包含在誤差范圍內。實際上在深度較深時，由缺陷引起磁場分量的變化已經很小，磁場-頻率曲線比較平緩，對缺陷的測量已經基本接近儀器的檢測極限，這可能是異常趨勢產生的原因。圖4中，f0-z0曲線的實測值定性反映了理論值的變化趨勢，在深度較小的情況下，由于式(5)假設缺陷厚度為0，深度接近零的情況下最優頻率趨近無窮大，這是缺陷深度較小時出現偏差的主要原因。實際上對表面或亞表面缺陷而言，激勵頻率提高到一定程度，再提高頻率對磁場幅度和檢測靈敏度的貢獻不大。盡管上述理論計算采用了很多近似處理方法，理論曲線與實測曲線有所偏差，但仍能反映最優檢測頻率隨缺陷深度增加而下降的趨勢。根據這個規律，可以通過測量最優檢測頻率的方法來估計未知缺陷的深度。

文獻[6]中，Fujita研究組的試驗也證明了缺陷深度越大，幅度峰值對應的激勵頻率越低的規律，與文章結果一致。對304不銹鋼而言，筆者選擇729 Hz的激勵頻率，可以檢測深達20 mm的缺陷，而對于淺層缺陷，信號幅度總是大于深層缺陷的，因此激勵頻率應當根據深層缺陷的需求來確定。在該頻率下，渦流的穿透深度約為15.9 mm，測得激勵線圈電流的有效值為19.9 mA。對6061鋁合金而言，由于電導率較高，最優激勵頻率低于文中鎖相放大器能夠穩定鎖定的頻率，因此無法用現有設備測試最優頻率，這里只能選擇能鎖定的最低頻率72 Hz，該頻率下6061鋁合金的穿透深度為11.8 mm，此時激勵線圈的電流為20.7 mA。

根據以上的結果，對304不銹鋼選擇729 Hz的激勵頻率，對圖2(a)中的樣品進行檢測，其上方覆蓋1020 mm的304不銹鋼板，以模擬深層裂紋的檢測，測得渦流磁場Bz分量的xy分布圖(見圖5)。

由圖5可見，裂縫的渦流磁場分布圖具有線型波峰和波谷的特征，其等高線基本是一條直線，該結果與文獻[11,13]中裂紋缺陷樣品的渦流磁場分布圖一致。由于趨膚效應，當缺陷的深度不斷增加時，渦流磁場的幅度會不斷下降，邊緣效應、噪聲等干擾因素的影響會逐漸增大。圖5(f)中，樣品上方覆蓋了20 mm厚的鋼板，雖然圖像有些模糊，但仍能從等高線上分辨出裂縫缺陷的特征，表明該裝置具備對304不銹鋼20 mm的檢測深度。

圖5 304不銹鋼縫隙樣品在1020 mm深度下的渦流磁場二維分布

同樣對圖2(c)中的6061鋁合金縫隙樣品進行深層渦流檢測，激勵頻率為72 Hz，與之前的工作相比，試驗降低了噪聲并提高了檢測深度，結果如圖6所示。可見，鋁合金的結果與不銹鋼的類似，裂縫缺陷的渦流磁場圖像擁有波峰和波谷，等高線基本是直線。圖6(a)中缺陷深度為10 mm，圖像非常清晰，很容易分辨缺陷的形狀;圖6(b)中缺陷深度達到16 mm，渦流磁場信號已經大幅削弱，圖像較為模糊，但仍能分辨裂縫缺陷的基本特征。

將樣品換成圖2(e)中的304不銹鋼十字形缺陷，激勵頻率仍為729 Hz，得到的渦流磁場圖像如圖7所示。

由圖7可見，十字形缺陷的渦流磁場圖像形貌是呈“X”形的等高線，其原因是當激勵線圈靠近十字線時，金屬板上的渦流受到缺陷的阻擋而發生改變，此時的改變量最大，因此呈現波峰或波谷，當激勵線圈位于十字線的角平分線上時，渦流受到缺陷的阻擋效應最小，改變量最小。圖7所示的圖像與筆者此前的工作是一致的[13]，文中針對304不銹鋼采用最優激勵頻率，增加了數據點，用FFT的方法降低噪聲，提高了信噪比，因此圖像的平滑程度與信噪比均優于此前的工作。圖7(f)中，盡管缺陷的深度已經達到20 mm，但“X”形等高線仍然非常清晰。

上述結果表明，基于磁通門磁強計的深層渦流檢測系統通過測量渦流磁場平行于樣品表面的分量、采用優化的激勵頻率、增加測量點數并通過FFT方法降低噪聲，可實現對304不銹鋼20 mm深層缺陷的檢測及6061鋁合金16 mm深層缺陷的檢測，檢測深度與文獻及筆者此前的工作相比得到了提高。并且，通過測量未知缺陷的渦流磁場幅度-頻率關系曲線，可以大致確定未知缺陷的深度。該檢測方法應當能推廣至其他順磁性金屬材料的檢測中，相應的最優激勵頻率需要根據具體材料的電阻率而確定。

圖7 304不銹鋼十字形缺陷樣品在1020 mm深度下的渦流磁場二維分布

4 結語

使用自行研制的基于磁通門磁強計的深層渦流檢測裝置，通過優化激勵頻率、增加數據點與快速傅里葉變換法降低噪聲，提升了對鋁合金與奧氏體不銹鋼的檢測深度，使其分別達到16 mm與20 mm，超過文獻中磁通門、GMR探頭等傳感器的檢測結果。不同的激勵頻率下，深層缺陷導致的渦流磁場的變化幅值也不同，通過分析頻率-磁場幅度曲線的極大值位置，可以估算未知缺陷的深度。基于磁通門磁強計的深層渦流檢測技術在順磁性金屬材料的檢測中具有良好的應用前景。