基于電渦流原理的無損檢測方案設計

摘 要：電渦流檢測是基于電磁感應原理的一種常規無損檢測方法。從麥克斯韋方程出發，采用交流線圈為檢測工件提供激勵磁場，利用電磁感應原理，分析缺陷附近電磁場變化，使用巨磁電阻在缺陷附近輸出電壓的變化，設計電渦流無損檢測方案。經過Comsol進行仿真驗證，該方法能較好的檢測金屬缺陷。

關鍵詞：電渦流；巨磁電阻；缺陷檢測

無損檢測（Nondestructive Testing，NDT）是采用各種方法，以不破壞被測對象完整性和整體功能為前提，檢測、定位、分類和定量評估完整性而進行的檢測[1]。常用的探傷方法包括渦流探傷、射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷等方法[2]。超聲檢測需要耦合劑，較難辨識缺陷性質和種類，需借助一定方法和技術，且難以對多層結構試件內缺陷進行檢測；射線檢測設備復雜、昂貴、便攜性差，對人體有害，檢測成本高；超聲檢測和射線檢測需一定的檢測厚度，對于試件表面淺層距離內的缺陷均難以識別；滲透檢測難于檢測內部缺陷，通常內部帶有支撐結構，且被測試件厚度通常不超過10 mm[3]。

電渦流無損檢測技術相對于其他無損檢測方法，由于其在檢測過程中不需要耦合劑，能夠實現非接觸測量，工藝簡單且成本低，操作容易，檢測過程具有快速性和安全性，設計和實現工業自動化測量較簡單，在導電材料的無損檢測領域有著廣闊的前景[4]。長期以來，國內外學者針對焊接缺陷的電渦流檢測熱點問題開展了大量研究。目前，在焊接過程監測和焊縫裂紋檢測等技術領域，電渦流檢測技術已經實現了初步應用。但是由于焊接缺陷的檢測過程中常常存在結構復雜、干擾量多等因素，導致焊接缺陷的電渦流檢測過程十分困難，因此檢測靈敏度低，檢測可靠性不高。

1 電渦流檢測方案設計

當被測金屬中存在缺陷時，金屬內部原有渦流和磁場的空間分布發生改變，進而通過檢測渦流和磁場分布識別缺陷[5]。巨磁電阻（Giant Magneto Resistance GMR）傳感器的引入提高了低頻激勵條件下的檢測靈敏度，該傳感器利用GMR 效應，指磁場材料的電阻率在外加磁場的作用下產生電阻率變化的現象[6]。由于GMR傳感器還具有敏感軸特性，即與敏感軸平行方向磁場對其輸出影響大，而與敏感軸正交方向磁場對其輸出影響小，基本可忽略不計。根據這一特性，可分別檢測不同方向缺陷磁場強度。在實際檢測中，令GMR敏感軸正交于激勵磁場，因而無缺陷情況下GMR無輸出，而缺陷的存在改變導體內部渦流分布，使得產生敏感軸方向二次磁場，該磁場被GMR獲取并輸出，因而其輸出信號包含缺陷信息。因此，目前常用傳感器檢測方向為水平方向正交于激勵磁場（Hx方向）及豎直方向正交于激勵磁場（Hz方向）兩種。本文設計傳感器檢測方向Hz研究兩方向正交于激勵磁場（Hz方向），設計結構如圖1所示。巨磁電阻水平放置于激勵線圈內部，使其與感生磁場方式垂直，可獲取更多缺陷信息。

2 電渦流檢測理論

麥克斯韋方程組（1-4）是電渦流檢測中，電磁場分析的基礎，利用交變的電場產生交變的磁場，交變磁場分布在被測試件區域，形成感應電磁場，當傳感器探頭接近感應電磁場時，即在探頭上形成交變電場。

H為磁場強度，J為電流面密度，D為導體表面電通量密度，E為電場強度，q為電荷量。式（1）表示全電流方程，表明傳導電流及變化電場均能產生磁場。式（2）為推廣的電磁感應定律，其表明變化磁場亦可產生電場。式（3）為磁通連續性原理，其表明磁力線是無頭無尾的閉合曲線。式（4）為高斯定理，其表明電荷以發散的方式產生電場。麥克斯韋方程組微分形式為：

3 缺陷電磁場機理分析及仿真

建立交流激勵線圈在金屬導體上的電磁場分布的數學模型，分析金屬導體上缺陷有無缺陷時，磁場分布，為下一步GMR傳感器感生電場分析提供理論依據。在分析磁場模型之后，采用Comsol軟件建立電磁場模型如圖2所示。

3.1 無缺陷模型分析

4 GMR傳感器的電渦流檢測技術

GMR傳感器的敏感軸方向平行于圖6所示的y軸方向時，I1、I2都會產生平行于敏感軸方向的磁場分量，同時GMR傳感器芯片在線圈的中心位置，即渦流的中心位置，GMR 傳感器的輸出為渦流I1和I2在GMR傳感器所在位置磁場的疊加。

4.1 磁場分析

4.2 GMR傳感器輸出原理

GMR傳感器電路原理圖如圖8所示，R1、R2、R3、R4配置成惠斯通電橋，R2、R4兩個電阻被屏蔽，當磁場變化是不受影響。R1、R3未被屏蔽，位于外部磁場時，巨磁電阻R1、R3輸出很小，位于缺陷周圍時，R1、R3阻值變化非常大，從而GMR芯片有輸出：Uout=k3By=k3k2I，k3為GMR傳感器的靈敏度系數。

根據法拉第電磁感應原理，當閉合導體回路中的磁通量發生變化時，回路中就會產生相應的感應電動勢及感應電流，GMR傳感器能夠直接對磁場強度進行測量并且轉化成電壓值，所以在電渦流檢測過程中十分方便。使用常規線圈作為檢測傳感器時，根據法拉第定律，線圈的感應電壓為：Vcoil=kc，kc為比例系數。在正弦激勵下，即B=sin（2πft+θ）時：

經過仿真得到GMR傳感器輸出電壓變化如圖9所示，在缺陷的邊緣部分，輸出電壓迅速變化，在遠離缺陷區域，輸出電壓趨于平穩。因此當傳感器以用平掃方式經過缺陷時，輸出電壓信號產生極性、相位、幅值的變化，為電渦流無損檢測的應用研究提供了理論依據。

5 總結與展望

本文從電渦流檢測原理出發，使用交流矩形線圈做激勵，通過對麥克斯韋方程的解析，定量分析了缺陷周圍電磁場的變化，定性得到電磁場變化對GMR傳感器輸出的影響，得出電渦流無損檢測技術的理論可行性。使用Comsol軟件對激勵磁場、被測試件及缺陷信息分別建立模型，對缺陷周圍電磁場及GMR傳感器輸出電壓建模仿真，得出缺陷周圍電磁場傳感器輸出明顯變化，進一步驗證了電渦流無損檢測方法對于金屬導體缺陷檢測的可行性。

本文初步分析了缺陷周圍電磁場變化理論，下一步應從實驗角度設計電渦流無損檢測裝置，采集缺陷數據，并進行分析，定量研究缺陷附近電磁場變化。同時，本文只對缺陷周圍電磁場進行分析，未涉及到缺陷的深度，在這方面應進一步深入研究。另外應深入分析缺陷數據，以求得到更多缺陷信息并定量分析。

參考文獻

[1]林俊明.電磁（渦流）檢測技術在中國[J].無損檢測，2009（B12）：55-56.

[2]王自明.國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材， 編審委員會，無損檢測綜合知識[M].機械工業出版社，2005.

[3]林俊明.電磁無損檢測技術的發展與新成果[J].工程與試驗，2011， 51（1）：1-5+29.

[4]陳德智，趙玉清，盛劍霓，等.基于場量分析的渦流無損檢測技術[J].無損檢測，1999（6）：241-244.

[5]A. Jander， C. Smith， R. Schneider， Magneto resistive sensors for nondestructive evaluation in： Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering， USA， 2005： 1-13.

[6]A. Sophian， G. Y. Tian， D. Taylor， et al.， Electromagnetic and eddy current NDT： A review， Insight： Non-Destructive Testing and Condition Monitoring， 2001， 43 （5）： 302-306.

作者簡介：趙治月，男，河北滄縣人，滄州師范學院機械與電氣工程學院講師，工學碩士，研究方向：過程檢測與控制。