基于“八”字形激勵的渦流探頭設計與分析

任 毅,王 晉,鄭 凱,張 卿,朱 力,范高廷,張 宏,陳璽名

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院,南京 210000;2.南京工業大學 電氣工程與控制科學學院,南京 211816;3.舍弗勒(南京)有限公司,南京 210000;4.南京航空航天大學 自動化學院,南京 211106)

無損檢測技術是在對被測對象不造成損傷的情況下,對被測對象的材料及性能進行探測和評估的技術。常用的無損檢測方法主要有超聲[1]、滲透[2]、磁粉[3]、射線[4]和渦流等。其中,渦流檢測是以電磁感應原理為基礎的檢測技術,其對被測對象表面和近表面的裂紋、夾雜物或腐蝕缺陷敏感,且具有通用性強、檢測高效、不需要耦合劑等優點,有很好的應用前景[5]。

渦流檢測技術在金屬材料檢測中已經有了大量的研究及一定的應用。尤其近年來,隨著探頭制作工藝的不斷發展,柔性平面渦流探頭逐漸成為渦流檢測技術的研究重點。基于柔性基底設計的渦流探頭可檢測具有復雜平面的結構,適應性強,同時可減小提離對信號的影響,因此獲得了越來越多的關注。BURKE等利用三維模型研究了矩形曲面[6]和圓形曲面[7]柔性探頭的線圈阻抗解析解,為曲面線圈和曲面陣列探頭的特性研究奠定了基礎。丁華等[8-10]提出了一種花萼狀柔性平面渦流陣列探頭用于飛機金屬結構的疲勞監測,該探頭能夠定量感知裂紋損傷徑向尺寸和裂紋損傷角度。MUKHOPA DHYAY[11]研究了曲性、網狀和插指式平面電磁探頭,該探頭已成功應用于近表面材料、電鍍材料的電導率測定和空洞的檢測中。陳祥林等[12]基于柔性印刷電路版工藝設計了X形分叉結構探頭,該探頭有較高的靈敏度,可滿足大面積金屬曲面部件位置的實時監測。XIE 等[13]設計了一種用于檢測平面或復雜幾何形狀材料微小缺陷的新型柔性渦流探頭,由于該探頭采用了4層結構,提高了驅動繞組與傳感元件之間的互感,故其在小缺陷檢測中具有較高的信噪比,精度優于1 mm。此外,能減小共模干擾,提高信噪比的探頭結構也得到了研究。ROSADO[14-15]提出了一種圓形的柔性探頭用于檢測攪拌摩擦焊接頭的缺陷,該探頭具有抗干擾能力強、能夠抑制共模信號、容易識別小信號等優點,可檢測深為0.5 mm、寬為400 mm 的缺陷。隨后,ROSADO在上述探頭的基礎上又提出了由2條正交激勵和4組接收線圈組成的新型差分結構柔性線圈,該線圈可以動態控制感應渦流,解決了檢測與激勵線圈對垂直方向缺陷不敏感的問題。CAI等[16-17]采用柔性印制電路板技術設計了一種帶有激勵線和接收線的4層柔性卷繞,并安裝在直徑為28.6 mm 的傳感器支架上,該傳感器可有效抑制共模信號從而提高靈敏度。LIU 等[18]針對傳統渦流探頭檢測金屬材料埋藏缺陷分辨率低的問題,設計了一種基于柔性PCB技術制造的零偏移平面渦流傳感器陣列,仿真和試驗結果表明,該探頭可檢測鋁合金試件表面下0.5 mm 深度的埋藏缺陷,將埋藏缺陷的檢測分辨率提高了1 000倍以上。LI等[19]設計了一種由兩個相互正交的“八”字形接收線圈組成的柔性線圈,仿真和試驗結果表明該線圈可有效抑制感應電壓中的提離噪聲等共模分量,提高對方向性裂紋的檢測靈敏度信噪比。

雖然柔性線圈能夠提高探頭對缺陷的檢測能力,但由于柔性線圈的能量較弱,當提離比較大時,其檢測能力普遍較差。基于此,文章設計了一種能夠在較大提離下使用的柔性探頭,并對其檢測原理和性能進行了仿真和試驗研究。

1 檢測原理

常用柔性渦流探頭的檢測原理與常規渦流檢測原理相同。柔性渦流探頭檢測原理如圖1所示,在激勵線圈中通入頻率為f的正弦交變電流后,會在空間中生成相同頻率的一次磁場,該磁場在試件表面感生出渦流;試件表面渦流的變化會產生與一次磁場方向相反的磁場,被稱為二次磁場;一次磁場和二次磁場均在感應線圈兩端產生感應電動勢,即檢測信號。顯然,一次磁場直接耦合到接收線圈產生的信號U0與試件無關,而二次磁場耦合到接收線圈中產生的信號ΔU包含構件缺陷信息,是檢測所需的信號。對于柔性渦流探頭,當激勵與接收線圈的結構采用上下層平行設計時(接收線圈如圖1中紅線所示),直接耦合信號U0對檢測信號的干擾較大;而當激勵與接收線圈的結構采用左右設計時(接收線圈如圖1中藍線所示),雖然直接耦合產生的干擾較小,但接收線圈與試件中渦流場區域的距離較大,導致ΔU也較小,從而降低了線圈的檢測能力。因此,對于柔性線圈,需要在減小直接耦合信號的同時保證線圈的檢測能力。

對此,文章設計了基于“八”字形激勵的柔性渦流探頭,如圖2所示。其中,接收線圈平行試件放置,兩個激勵線圈呈“八”字形放置在接收線圈上方。由于激勵線圈產生一次磁場的方向并非接收線圈的磁場敏感方向,因此該結構可減小直接耦合作用的影響;同時,根據磁場分布規律,試件中的渦流場區域主要位于“八”字形激勵線圈兩個腳的下方位置,而此區域與接收線圈距離較近,可保證探頭的檢測能力。

為進一步驗證上述對檢測原理的分析,利用有限元仿真軟件COMSOL MultiPhysical中的AC/DC模塊,對所設計的探頭進行電磁場頻域分析。其中,待測試塊的材料為碳鋼,厚度為4 mm;試件中的裂紋長度為15 mm,深度為2 mm,寬度為0.35 mm;單個激勵線圈和接收線圈的尺寸相同,其內邊長寬分別為2 mm 和1 mm,外邊長寬分別為6 mm 和5 mm(為減小計算量,仿真使用的線圈尺寸較小),匝數為14匝;兩個激勵線圈之間的夾角為80°;正弦激勵信號的頻率為100 k Hz,激勵電流大小為5 A。

探頭位于試件不同位置時,試件表面的渦流分布如圖3所示,可見,試件中的渦流場主要集中在“八”字形激勵線圈兩腳的位置,這和上述理論分析結論一致。此外,由于試件表面渦流場的分布特點,當探頭進入和走出裂紋時,其檢測信號更強;而當探頭處于缺陷正上方時,其檢測信號為0 V。該探頭的檢測信號如圖4所示,其中波峰和波谷對應的橫坐標分別表示探頭進入和走出缺陷。

圖3 探頭位于不同位置時,試件表面的渦流分布

2 試驗平臺搭建及試驗分析

2.1 試驗平臺搭建

為驗證探頭性能,搭建了如圖5所示的試驗平臺。該試驗平臺主要包括信號發生器、功率放大器、數據采集卡、信號調理電路、直流電源、掃查架、渦流探頭、碳鋼試件和計算機等。信號發生器產生兩路正弦信號,一路經功率放大器后輸送至探頭中的激勵線圈,一路送至調理電路中的移相器轉為正交的兩路參考信號;接收線圈產生的感應電壓信號經調理電路處理后輸出包含特征量信息的兩路直流信號;采集卡對數據同步采集并通過計算機中的上位機DAQ Express軟件進行讀取和存儲;直流電源為各部分電路進行集中供電。此外,為方便試驗,設計了探頭支架,以固定探頭,如圖5(b)所示,支架安裝在掃查架上。試驗中所用探頭激勵和接收線圈相同,其參數如下:長為30 mm,寬為20 mm,線徑為0.08 mm,線間距為0.18 mm,層數兩層,總匝數41匝。激勵電流頻率為100 k Hz;試件為碳鋼平板試件,其上有寬為0.5 mm,深度分別為5,4,3 mm 的貫穿型裂紋缺陷。

圖5 試驗平臺

2.2 探頭角度優化

考慮到改變“八”字形激勵線圈的角度會影響一次磁場與接收線圈的耦合以及試件感應的渦流場產生的二次磁場與接收線圈的耦合,進而影響檢測信號,因此,首先通過試驗對“八”字形激勵線圈的夾角進行優化。“八”字形激勵線圈的夾角從15°到90°變化時,探頭掃描通過寬為0.5 mm,深度為5 mm裂紋缺陷時的檢測信號如圖6所示。由圖6可知,基于“八”字形激勵的渦流探頭檢測信號呈正弦曲線形狀分布,且當探頭位于完好區域時,其信號幅值幾乎為0,與仿真結果一致。此外,信號的形態和信噪比隨線圈夾角的變化而變化。當“八”字形激勵線圈的夾角為60°時,信號信噪比最高。此外,信號的峰峰值隨激勵線圈角度的變化情況如圖7所示,可見,當“八”字形激勵線圈的夾角為60°時,信號的峰峰值最大。因此認為“八”字形激勵線圈的夾角為60°時,其性能最好。在后續的試驗中,均選用夾角為60°的激勵線圈。

2.3 探頭性能分析

使用優化后的探頭依次掃描通過深度分別為5,4,3 mm 裂紋缺陷時的檢測信號如圖8所示。由圖8可知,探頭可檢出所有缺陷,且信號信噪比較高。同時,信號峰值及峰峰值隨缺陷深度變化明顯,因此其可用作特征量來定量裂紋缺陷尺寸。

圖8 探頭檢測不同深度裂紋時的信號

此外,探頭提離為0～10 mm 時,探頭對寬為0.5 mm,深為5 mm 裂紋的檢測信號如圖9所示。由圖9可知,雖然信號的峰值及峰峰值隨著提離的增加而減小,但當提離為10 mm 時,探頭依然可檢出寬為0.5 mm,深為5 mm 的裂紋缺陷,且信號的信噪比較高。由此可證明,該探頭在較大的提離下依然有很好的檢測性能。

圖9 探頭在不同提離下的檢測信號

3 結語

文章提出了一種基于“八”字形激勵的渦流探頭結構。首先,通過理論分析發現,由于激勵線圈產生一次磁場的方向并非接收線圈磁場的敏感方向,因此該結構可減小直接耦合作用的影響;同時,試件中的渦流場區域主要位于“八”字形激勵線圈兩個腳的下方位置,而此區域與接收線圈距離較近,因此可保證探頭檢測能力。然后,搭建試驗臺,并通過試驗對探頭進行優化設計和性能分析。試驗結果表明:當兩個激勵線圈的夾角為60°時,其對碳鋼試件的檢測能力最強;所設計探頭能夠區分不同深度的裂紋缺陷,且能夠在10 mm 提離下對寬為0.5 mm,深為5 mm 的裂紋缺陷進行檢測,即該探頭對裂紋缺陷有很好的檢測性能。