鐵磁性材料深層缺陷檢測的渦流探頭仿真優(yōu)化與設(shè)計(jì)*

嚴(yán)宇昂，胡明慧

(華東理工大學(xué)承壓與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

在工業(yè)領(lǐng)域中，導(dǎo)電導(dǎo)磁材料被大量應(yīng)用于高鐵軌道、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、油氣運(yùn)輸管道等重要構(gòu)件的制造中。在長期服役的過程中，惡劣的工況極易使這些構(gòu)件發(fā)生失效和損傷。因此，定期對構(gòu)件實(shí)施在役無損檢測和評估是十分必要的[1]。

電磁渦流檢測因其檢測速度快、檢測效率高、與試件無接觸等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電導(dǎo)磁材料表面及深層缺陷的檢測中。但是受限于集膚效應(yīng)，感應(yīng)渦流在試件中的穿透深度相當(dāng)有限[2]。當(dāng)被檢材料為鐵磁性材料時(shí)，材料較高的磁導(dǎo)率使得感應(yīng)渦流幾乎全部集中于材料表面，難以對深層缺陷進(jìn)行檢測。對材料進(jìn)行局部磁化是解決方法的一種[3]，但該方法對被檢對象要求較高，操作復(fù)雜，不適合在大多數(shù)情況下使用。另一種方法是使用超聲檢測，但超聲檢測對復(fù)雜缺陷的檢測能力較為有限，由于后續(xù)實(shí)驗(yàn)將會(huì)對復(fù)雜缺陷進(jìn)行檢測，因此本文選擇渦流檢測方法來對鐵磁性材料深層缺陷進(jìn)行檢測。

針對這些問題，國內(nèi)外許多學(xué)者從差分探頭的設(shè)計(jì)出發(fā)，在深層缺陷檢測方面展開了許多研究。Liu L H等[4]設(shè)計(jì)了一款柔性陣列渦流探頭，對檢測線圈進(jìn)行差分，探頭靈敏度較高，同時(shí)柔性設(shè)計(jì)帶來了更廣的適用范圍。安寅等[5]設(shè)計(jì)了一種圓形同軸雙線圈差分探頭，圓形探頭的對稱設(shè)計(jì)大大簡化了差分探頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，對鋁合金材料螺栓孔埋深缺陷有較好的檢測效果。Liu Z H等[6]在圓形同軸差分探頭的基礎(chǔ)上對屏蔽殼和磁芯的效果進(jìn)行了研究，對比了多種屏蔽殼和磁芯材料，強(qiáng)調(diào)了屏蔽殼和磁芯對線圈磁場的集聚作用。Ye C F等[7]通過雙矩形差分探頭和TMR磁場傳感器的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了鋁板深層缺陷的高靈敏度檢測。Zhang N等[8]設(shè)計(jì)了一種三相差分線圈，通過在三角形布置的三個(gè)激勵(lì)線圈內(nèi)通以三相電流，使中心處信號得到完全差分，提高了對深層缺陷的檢測靈敏度，克服了線圈方向性的問題。Zhang D L等[9]通過雙激勵(lì)線圈構(gòu)造了局部差分探頭，通過檢測線圈來拾取阻抗信號，可以有效擴(kuò)大探頭對非鐵磁性材料的檢測深度。

如何對缺陷信號進(jìn)行分類識別是渦流檢測的重點(diǎn)問題之一。在眾多處理方法中，深度學(xué)習(xí)憑借可直接學(xué)習(xí)二維圖像、較短的圖像預(yù)處理過程、無需人工提取特征等優(yōu)點(diǎn)，成為了較高效的識別方法之一[10]。Saeed Ramezani等[11]利用深度學(xué)習(xí)對金屬構(gòu)件上由AMR探頭測得的缺陷信息進(jìn)行識別，得到了較傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更高的識別準(zhǔn)確度。劉力哲等[12]研究了一種基于全卷積分塊檢測的缺陷識別算法，將分塊檢測的思想引入ResNet全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，具有更強(qiáng)的泛化能力和對微小缺陷的檢測能力。Jiang Q S等[13]將基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法用于金屬軸表面缺陷的識別與分類。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可進(jìn)一步用于工程實(shí)踐并可推廣到其他高光表面劃痕缺陷的檢測上。

本文在前人的基礎(chǔ)上，利用TMR磁傳感器的高靈敏度[14]設(shè)計(jì)了一種可對鐵磁性材料深層缺陷進(jìn)行檢測的雙激勵(lì)電磁渦流探頭，通過調(diào)節(jié)感應(yīng)渦流在試件內(nèi)部的差分情況，提高一定深度下的感應(yīng)渦流密度，使缺陷引起的磁場擾動(dòng)得到放大，配合低頻激勵(lì)的較大穿透能力，可有效克服集膚效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)對鐵磁性平板深層缺陷的識別。

1 新型雙激勵(lì)電磁渦流探頭原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈被賦予交變激勵(lì)時(shí)，將會(huì)在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，使附近導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生對應(yīng)的感應(yīng)渦流，同時(shí)反過來形成新的交變磁場，對原磁場產(chǎn)生擾動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部存在缺陷時(shí)，其內(nèi)部感應(yīng)渦流的分布會(huì)產(chǎn)生異常的不均勻情況[15]，如圖1所示，進(jìn)而引起周圍磁場的變化，可經(jīng)磁場傳感器捕捉后得到缺陷信息。

圖1 缺陷給附近渦流帶來的擾動(dòng)

由畢奧薩伐爾定律可知，感應(yīng)磁場強(qiáng)度與電流大小成正比:

式中:I為線圈電流；μ0為真空磁導(dǎo)率；r為電流源點(diǎn)與觀測點(diǎn)之間的距離。因此，對于由缺陷存在而引起的磁場波動(dòng)而言，缺陷附近渦流密度越大則周圍磁場變化越顯著。本文所設(shè)計(jì)的探頭通過對深度方向上的渦流進(jìn)行局部差分，提高目標(biāo)深度下的渦流密度，使對應(yīng)深度下因缺陷引起的磁場擾動(dòng)得以放大，進(jìn)而提高該深度下缺陷的檢測效果。

具體方法是通過在兩個(gè)激勵(lì)線圈中通以同頻但不同大小的電流，使試件內(nèi)部的感應(yīng)渦流得到局部差分。由式(2)可知，由探頭線圈所激發(fā)的感應(yīng)渦流密度在試件內(nèi)部的分布會(huì)隨深度快速遞減[16]。

試件內(nèi)渦流密度:

式中:

式中:J為渦流密度，μ0為真空磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，I為電流的有效值，f為激勵(lì)頻率，σ為試件的電導(dǎo)率，R為電流線半徑，z為試件內(nèi)深度，h為提離高度，L為線圈長度。而差分后渦流分布的特點(diǎn)是在試件表面處雙渦流得到較多的差分，而在試件深層處得到較少的差分。整體曲線如圖2所示，雙激勵(lì)探頭的渦流分布具體表現(xiàn)為試件內(nèi)部渦流密度隨著深度的增加先增大后減小，從試件表面處的2 700 A/m2先增大到3 mm深處的5 300 A/m2，再逐漸減小，使渦流密度能在一定深度下仍保持一個(gè)較大量，有效克服集膚效應(yīng)的影響。

圖2(b)中的橫線代表在該線下側(cè)區(qū)域電流密度小于表面電流密度的1/e，低于該曲線部分可能較難檢出，可在該曲線下粗略判斷探頭的可檢測深度大小。顯然，新型探頭的可檢測深度至少是常規(guī)渦流探頭的兩倍多。

圖2 不同激勵(lì)下試件內(nèi)部的渦流分布情況

另一方面，由于試件內(nèi)部的磁場主要是由線圈激勵(lì)所直接激發(fā)的，其分布遵循畢奧薩伐爾定律，如圖3所示，試件內(nèi)部磁場強(qiáng)度隨著深度的增大快速降低。而局部渦流密度的增大帶來的相應(yīng)區(qū)域磁場的變化要遠(yuǎn)小于線圈本身，其主要作用在于:當(dāng)試件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，因缺陷的存在使周圍渦流發(fā)生擾動(dòng)所引起的磁場變化因渦流密度的增大而得到增強(qiáng)。因此宏觀上來看，缺陷信號大小仍然與深度呈負(fù)相關(guān)，但雙激勵(lì)差分后探頭對缺陷的靈敏度將得到較大幅度的提高。

圖3 不同激勵(lì)下試件內(nèi)部磁場分布情況

2 探頭設(shè)計(jì)及有限元分析

2.1 探頭設(shè)計(jì)步驟

新型雙激勵(lì)電磁渦流探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體步驟如下:①對雙線圈探頭進(jìn)行有限元建模，完成網(wǎng)格劃分及材料定義。②根據(jù)對應(yīng)的模擬結(jié)果確定雙線圈的相對位置關(guān)系，確定探頭的整體布局。③確定探頭的外部尺寸，對雙線圈分別進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。④對磁屏蔽殼和探頭外殼進(jìn)行設(shè)計(jì)制作、組裝。⑤對探頭性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.2 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

探頭整體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)圓形的激勵(lì)線圈以及磁屏蔽外殼組成，根據(jù)雙線圈不同的高度關(guān)系設(shè)置了三種結(jié)構(gòu):A型:雙線圈水平布置；B型:小線圈在大線圈上側(cè)；C型:小線圈在大線圈下側(cè)，圖4為三種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的模型。對比分析的對象主要為探頭經(jīng)過缺陷時(shí)的幅值變化量以及該變化量的大小在所激發(fā)的背景磁場中的占比，前者主要反映探頭對缺陷的敏感程度，后者主要考慮到后續(xù)實(shí)驗(yàn)所使用的2905型TMR磁場傳感器，雖然靈敏度達(dá)到了50 mV/V/Oe，但是其量程僅有±10 Oe，較為有限，需在有限的量程范圍內(nèi)獲得盡可能大的信號變化量。模擬過程中的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置于大小線圈中心連線的延長線上，緊貼小線圈側(cè)屏蔽殼外處，以盡量貼合后續(xù)實(shí)驗(yàn)的布置。

圖4 探頭整體結(jié)構(gòu)

2.3 探頭結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.3.1 線圈相對位置關(guān)系分析

由于整個(gè)探頭的主體是一大一小兩個(gè)獨(dú)立的激勵(lì)線圈，因此兩個(gè)激勵(lì)線圈的不同位置關(guān)系自然會(huì)對探頭整體的檢測效果產(chǎn)生極大的影響。在將大線圈的位置參數(shù)固定后，由于圓形的對稱性，小線圈的位置只有在水平面內(nèi)移動(dòng)或在豎直方向上移動(dòng)兩個(gè)自由度。本節(jié)首先模擬分析了水平方向上小線圈的位置參數(shù)對探頭檢測效果的影響，針對同一缺陷，對比分析探頭的信號變化量大小及信號變化量在背景磁場中的占比。

將大線圈的參數(shù)固定后，在滿足渦流形成局部差分的條件下，調(diào)整小線圈的水平位置參數(shù)。三個(gè)模型的具體輸入?yún)?shù)如下:大線圈外徑40 mm，高度1 mm，80匝，激勵(lì)電流0.5 A；小線圈內(nèi)徑3 mm，高度1.4 mm，260匝，激勵(lì)電流1.7 A～2.0 A；整體提離高度0.3 mm；缺陷長度8 mm，寬1 mm，高2 mm。其中小線圈的激勵(lì)電流需適配各參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。屏蔽殼材料選擇為硅鋼，模型中材料的電磁參數(shù)見表1。

表1 仿真材料參數(shù)

模擬結(jié)果如圖5所示，三種結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出相似的規(guī)律:隨著小線圈水平參數(shù)的增大，三種結(jié)構(gòu)的信號變化量分別從2 mV增大到23 mV，9 mV，11 mV，增速在接近最大值處逐漸放緩；變化量占比的變化規(guī)律與之相似，分別從0.001增大到0.016，0.007，0.008，在接近最大值處時(shí)趨于水平。顯然，理想情況下小線圈應(yīng)在不影響整體線圈結(jié)構(gòu)的情況下盡可能選取更大的水平位置參數(shù)，即更靠外側(cè)。

圖5 小線圈水平位置變化

基于小線圈水平位置參數(shù)的模擬結(jié)果，對三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，使A型探頭的雙線圈更緊湊，B型、C型探頭在俯視圖下雙線圈呈內(nèi)切關(guān)系，優(yōu)化后的探頭結(jié)構(gòu)見圖4。

對比優(yōu)化后的A、B、C三型探頭，模擬結(jié)果如圖6所示，顯然A型探頭無論是信號變化量還是變化量占比都更有優(yōu)勢，在3 mm深處仍能達(dá)到7.5 mV和0.005；其次為B型探頭，分別達(dá)到2.5 mV和0.001 5；C型探頭在3 mm深度下效果較為有限。

圖6 三種結(jié)構(gòu)對比

經(jīng)過分析，造成該結(jié)果的原因可分為兩方面，一是線圈的提離效應(yīng)[17]，二是雙線圈中心點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)之間的距離差距較大。提離效應(yīng)對渦流檢測的影響是比較重要的，其直接關(guān)系到探頭能量的逸散問題，而低頻渦流檢測本身線圈能量就較小，提離效應(yīng)的影響不能被忽視。B、C兩型探頭都有一個(gè)線圈有較大的提離，但其中小線圈中心距離監(jiān)測點(diǎn)為9.9 mm，而大線圈中心距離監(jiān)測點(diǎn)為22.5 mm，顯然距離更遠(yuǎn)的大線圈所受提離影響會(huì)更大，因此C型探頭的檢測效果并不理想。而A型探頭中雙線圈在一個(gè)水平面，提離高度均為預(yù)設(shè)的0.3 mm，提離的影響均較小。由此可見，雖然A型探頭的小線圈水平位置參數(shù)無法像B、C型一樣取到與大線圈內(nèi)切，但提離效應(yīng)的影響顯然更為重要。根據(jù)上述結(jié)果，本文中探頭結(jié)構(gòu)選擇為A型。

2.3.2 大線圈外徑模擬分析

對于本探頭，大線圈的外徑直接決定了探頭的整體尺寸，其參數(shù)的選擇對探頭性能有著極其重要的意義。一般而言，線圈半徑越大，其對缺陷信號的反饋也就越大，但對微小缺陷的檢測能力會(huì)下降，而且過大的探頭結(jié)構(gòu)還會(huì)影響探頭的適用范圍[18-19]。本節(jié)對比分析了不同大線圈外徑下探頭的檢測效果變化，將大線圈外徑從30 mm增大到50 mm，缺陷深度為2 mm，其余參數(shù)與上節(jié)一致，結(jié)果如圖7所示。信號變化量隨大線圈外徑的增大迅速上升，從外徑30 mm時(shí)的7 mV上升至外徑50 mm時(shí)的18 mV；而信號變化量占比則隨大線圈外徑增大而單調(diào)減小，從外徑30 mm時(shí)的0.015 5下降至外徑50 mm時(shí)的0.006 3。理論上對于同一缺陷，信號變化量越大則檢測效果越明顯，且信號變化量與激勵(lì)電流大小呈正比關(guān)系，但是受限于TMR磁場傳感器的量程以及檢測條件不允許過大的探頭結(jié)構(gòu)等因素，背景磁場和探頭外徑大小不宜過大，綜合各方面因素后，新型探頭的大線圈外徑定為40mm。

圖7 不同外徑的大線圈對比

2.3.3 雙激勵(lì)新型探頭與常規(guī)探頭的比較

圖8為雙激勵(lì)新型探頭與常規(guī)單一大、小線圈探頭對不同深度下缺陷檢測效果的對比，可見新型探頭可以極大程度增強(qiáng)對深層缺陷的檢測能力，無論是表面缺陷亦或是深層缺陷都可獲得較理想的檢測效果，而單一線圈作用下的探頭僅能在1 mm深度以內(nèi)檢測到較小的波動(dòng)。優(yōu)化后的雙激勵(lì)新型探頭對0.6 mm深的缺陷信號變化量為5.4 mV，而傳統(tǒng)探頭僅為0.4 mV，提高了13.5倍；對3 mm深的缺陷信號變化量為0.73 mV，而傳統(tǒng)探頭僅為0.16 mV，提高了4.6倍。

圖8 三種探頭對不同深度缺陷檢測結(jié)果對比

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證上述的結(jié)論，對雙激勵(lì)新型探頭進(jìn)行了制作及實(shí)驗(yàn)。檢測試件如圖9所示。實(shí)驗(yàn)對象為兩塊鐵磁性板件，材料分別為Q235和45鋼，其電磁參數(shù)見表2，圖9中展示的是Q235板的背面(缺陷面)和45鋼板的正面(光面)。板件上設(shè)置的缺陷深度范圍為1 mm～3 mm，長度范圍為10 mm～20 mm。

表2 實(shí)驗(yàn)材料電磁參數(shù)

圖9 實(shí)驗(yàn)板件

探頭成品如圖10所示，外部加裝了3D打印的骨架用于固定TMR傳感器，保證探頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。TMR傳感器設(shè)置于靠近小線圈側(cè)的屏蔽殼外部，使用熱熔膠將其與探頭固定。探頭按照圖示方向進(jìn)行移動(dòng)檢測。

圖10 探頭以及TMR磁場傳感器

實(shí)驗(yàn)中對探頭雙線圈通以同相且頻率為10 Hz的正弦激勵(lì)，大線圈激勵(lì)電壓為0.5 V，小線圈激勵(lì)電壓為3 V。數(shù)據(jù)信號經(jīng)過功放、濾波器濾波，然后再施加30 dB增益后由數(shù)據(jù)采集卡NI9775采集輸入電腦，整體實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置

當(dāng)保持缺陷深度不變，缺陷長度發(fā)生變化時(shí)，如圖12所示，探頭檢測信號均與缺陷長度呈正相關(guān)，缺陷參數(shù)的變化可以從信號的波形上有直觀的感受。缺陷深度為1 mm，長度為5 mm時(shí)，45鋼和Q235的檢測信號分別為0.014 V和0.017 V；缺陷深度為3 mm，長度為10 mm時(shí)，45鋼和Q235的檢測信號仍能達(dá)到0.02 V和0.022 V。

當(dāng)保持缺陷長度不變，缺陷深度發(fā)生變化時(shí)，如圖13所示，探頭檢測信號均與缺陷深度呈負(fù)相關(guān)，深度增大帶來的信號衰弱雖然顯著，但探頭對3 mm深下的缺陷仍有一定的檢測能力。缺陷長度為20 mm，深度3 mm時(shí)，45鋼和Q235的檢測信號分別為0.038 V和0.04 V；缺陷長度為10 mm，深度為3 mm時(shí)，45鋼和Q235的檢測信號分別為0.02 V和0.022 V。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，信號幅值同時(shí)包含了缺陷的長度、深度信息，為進(jìn)一步分析兩者的區(qū)別，可從兩者曲線的擾動(dòng)范圍進(jìn)行分析。對比圖12(b)和圖13(d)，缺陷長度的增大不僅帶來了幅值的增大，缺陷信號的擾動(dòng)范圍也隨之?dāng)U大:當(dāng)缺陷長度從5 mm變化到20 mm時(shí)，擾動(dòng)范圍從13 mm增加到了27 mm。而缺陷深度的增大對擾動(dòng)范圍擴(kuò)大的影響則較為有限:當(dāng)缺陷深度從1 mm變化到3 mm時(shí)，擾動(dòng)范圍僅從24 mm變化到20 mm，其變化主要以幅值大小的增減為主。

圖12 缺陷長度變化

圖13 缺陷深度變化

而由于實(shí)驗(yàn)試件材料電磁參數(shù)的不同，根據(jù)模擬結(jié)果，如圖14所示，在實(shí)驗(yàn)所用的激勵(lì)參數(shù)下經(jīng)過缺陷處時(shí)，45鋼的缺陷曲線主要表現(xiàn)為幅值先降低后增大，而Q235的缺陷曲線主要表現(xiàn)為幅值的異常增大，該特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)曲線相互吻合。

圖14 兩種材料模擬下的檢測曲線

此外，由于實(shí)驗(yàn)過程中可以對輸出信號施加一定的增益，因此只要背景磁場不超出TMR傳感器的量程，就可以在后續(xù)信號增益倍數(shù)上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，對探頭的輸出信號進(jìn)行適當(dāng)放大，故探頭對更大深度及更大磁導(dǎo)率材料的檢測仍有較大的空間。

4 結(jié)論

本文針對鐵磁性材料深層缺陷檢測，設(shè)計(jì)了一種新型雙激勵(lì)平面渦流探頭。通過有限元模擬，分析了多種不同結(jié)構(gòu)探頭對缺陷的檢測情況，確定了較優(yōu)的探頭結(jié)構(gòu)。制作了新型探頭，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了探頭對鐵磁性材料深層缺陷渦流檢測的可行性。主要得出了以下結(jié)論:

(1)在保證雙線圈所激發(fā)的感應(yīng)渦流得到適當(dāng)局部差分的情況下，小線圈應(yīng)盡量靠近大線圈外沿布置，雙線圈位于同一水平面內(nèi)，從而減小探頭的提離效應(yīng)。

(2)將新型雙激勵(lì)探頭與傳統(tǒng)單線圈探頭對比，新型探頭對近表面缺陷檢測效果提高了13倍，對深層缺陷檢測效果提高了4倍。

(3)新型探頭分別檢測45鋼和Q235上深度為3 mm，長度為10 mm的缺陷，檢測信號電壓峰值分別為0.02 V和0.022 V，初步驗(yàn)證了探頭對鐵磁性材料深層缺陷的檢測能力。