跑道型差動式渦流探頭設計及其性能研究

陳 濤，張 賽，肖小齊，宋小春，李冬林，廖春暉，涂 君

（湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068）

渦流無損檢測因檢測靈敏度高、檢測速度快、無接觸、無需耦合劑等優點而被用于導電材料的缺陷檢測，在電力、鐵路、機械、航天、航空等領域應用廣泛［1-5］。渦流探頭的結構形式較多，可以由1個線圈構成，也可以由多個線圈構成［10-14］。與其他常規的渦流探頭相比，差動式渦流探頭對提離高度、外界溫度等干擾因素不敏感，可以在一定程度上減小或消除提離效應、外界溫度等因素的影響，因此被廣泛應用于各種導電材料的無損檢測中［15-17］。

傳統的差動式渦流探頭常采用3個相同的線圈并列放置，中間線圈作為激勵線圈、兩側線圈作為差分感應線圈的結構設計，存在尺寸較大且檢測靈敏度較低的缺陷。筆者在傳統差動式渦流傳感器的基礎上，設計了一種能用于碳鋼板表面缺陷檢測的跑道型差動式渦流探頭。利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立了跑道型差動式渦流探頭模型，比較了跑道型差動式渦流探頭與傳統差動式渦流探頭在渦流場分布上的差異，并在不同缺陷深度、不同掃查角度下研究了兩者的檢測靈敏度。制作了跑道型差動式渦流探頭和碳鋼板缺陷試件實物，并利用試驗測試的方法比較跑道型差動式渦流探頭和傳統差動式渦流探頭的檢測靈敏度。

1 差動式渦流探頭探傷原理

傳統差動式渦流探頭的結構如圖1（a）所示。3個相同型號的線圈依次排列，中間的一個線圈作為激勵線圈，兩邊的線圈反向連接作為差分感應線圈。在檢測過程中，加載特定頻率和幅值的正弦信號于激勵線圈中，由于電磁感應的作用，激勵線圈會在被檢測的金屬板中激勵出按照一定規律分布的渦流場。當金屬板表面沒有缺陷時，由于感應渦流場的對稱性，兩側感應線圈感應出大小相同、極性相反的電壓信號，總輸出信號為零；如果金屬板表面存在缺陷，在2個感應線圈依次掃過缺陷的過程中，原渦流場的對稱性被打破，兩感應線圈的感應電壓出現差異，由此產生并輸出一個差分感應信號。

筆者在傳統差動式渦流探頭的基礎上，設計了一種跑道型差動式渦流探頭，其結構如圖1（b）所示。跑道型差動式渦流探頭由1個形狀像跑道的大激勵線圈包裹著2個并列放置且反向連接的圓形小感應線圈而構成。當對激勵線圈加載頻率和幅值一定的正弦交流信號時，激勵線圈產生的交變磁場會在被測件的近表面感應出渦流場。由于對稱性，當探頭平穩掃過被測件完好無損的部位時，兩感應線圈覆蓋區域的渦流場保持恒定且相等，差分感應信號輸出為零；當探頭掃過被測件的缺陷部位時，兩檢測線圈先后掃過缺陷區域，使原有渦流場分布的對稱性被打破。缺陷部位畸變渦流生成的交變磁場會在2個感應線圈中依次感生出大小不同的電動勢，產生并輸出一個對應于缺陷的差分感應信號。

圖1 差動式渦流探頭的結構及其渦流密度分布Fig.1 Structure and eddy-current density distribution of differential eddy-current probe

2 不同結構差動式渦流探頭檢測性能的有限元仿真

采用COMSOL Multiphysics多物理場建模仿真軟件研究跑道型差動式渦流探頭設計的可行性及其與傳統差動式渦流探頭在檢測性能上的差異。建立跑道型差動式渦流探頭的幾何模型，如圖2所示。跑道型差動式渦流探頭的激勵線圈由2個半徑相同的半圓和2段長為4.6 mm的直線段拼接而成，感應線圈是2個半徑相同的圓形線圈。在仿真分析過程中，傳統和跑道型差動式渦流探頭的參數設置見表1。

2.1 不同結構差動式渦流探頭的渦流場分布比較

為了分析跑道型差動式渦流探頭與傳統差動式渦流探頭在檢測性能上的差異，首先，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件分析2種探頭在被測碳鋼板表面渦流場的分布情況。對2種差動式渦流探頭均施加頻率為95 kHz、激勵電流為100 mA的正弦激勵信號，其他仿真參數見表1，得到如圖1所示的2種差動式渦流探頭在試件表面的渦流密度分布。從圖1可以看出，在頻率和幅值完全相同的正弦激勵信號激勵下，跑道型差動式渦流探頭感應線圈④、⑥所覆蓋區域的有效渦流場面積和渦流密度都比傳統差動式渦流感應線圈①、③的大。相比于傳統差動式渦流探頭結構設計，跑道型差動式渦流探頭具有較緊湊的結構以及較高的有效渦流場密度。

圖2 跑道型差動式渦流探頭的幾何模型Fig.2 Geometric model of runway-type differential eddy-current probe

表1 差動式渦流探頭仿真參數設置Table 1 Simulation parameter setting of differential eddy-current probe

接著，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件提取了在加載頻率為95 kHz、激勵電流為100 mA的正弦信號激勵下，探頭垂直掃過長×寬×深為30 mm×0.15 mm×0.5 mm的碳鋼板缺陷時的輸出信號，如圖3所示，其中橫坐標“0 mm”對應缺陷中心位置。從圖3可以看出，對于同一缺陷，跑道型差動式渦流探頭的缺陷響應信號明顯大于傳統差動式渦流探頭。圖1和圖3表明，筆者設計的跑道型差動式渦流探頭不僅結構緊湊，而且檢測靈敏度較高。

2.2 不同結構差動式渦流探頭對不同深度缺陷識別能力的比較

在被測件上預置長為30 mm，寬為0.15 mm，深依次為 0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 mm 的缺陷，利用COMSOL Multiphysics軟件分別仿真2種探頭掃查鋼板不同深度缺陷的過程，得到探頭檢測信號峰-峰值隨缺陷深度的變化曲線，如圖4所示。

圖3 不同結構差動式渦流探頭垂直掃過同一缺陷時的輸出信號Fig.3 Output signals of differential eddy-current probes with different structures sweeping through the same defect vertically

圖4 不同結構差動式渦流探頭檢測信號峰-峰值隨缺陷深度的變化曲線Fig.4 Curves of the detection signal peak-to-peak value of differential eddy-current probes with different structures varying with defect depth

從圖4可以看出：2種探頭檢測信號峰-峰值都隨缺陷深度的增加而呈現增大的趨勢；當缺陷深度達到2.0 mm后，2種探頭檢測信號峰-峰值的增大趨勢均變得緩慢，導致這種現象的原因是渦流的趨膚效應［18-20］；在缺陷深度相同的情況下，跑道型差動式渦流探頭的檢測靈敏度更高。

2.3 不同結構差動式渦流探頭在不同掃查角度下對缺陷識別能力的比較

在缺陷檢測過程中，探頭的掃查角度（即掃查路徑與缺陷中心的夾角）對檢測結果有較大的影響。

在被測試件上預置長為30 mm、寬為0.15 mm、深為1.0 mm的缺陷。探頭的掃查角度從0°開始，以15°為步長增至90°，利用COMSOL Multiphysics軟件分別仿真2種探頭掃查鋼板缺陷的過程，得到探頭檢測信號峰-峰值隨掃查角度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同結構差動式渦流探頭檢測信號峰-峰值隨掃查角度的變化曲線Fig.5 Curves of the detection signal peak-to-peak value of differential eddy-current probes with different structures varying with scan angle

從圖5可以看出：在0°～90°的掃查角度內，檢測信號峰-峰值均隨掃查角度增大而增大；在45°以后，隨著掃查角度的增大，檢測信號峰-峰值的增大趨勢均變得緩慢；在0°～90°的掃查角度內，跑道型差動式渦流探頭檢測信號峰-峰值均大于傳統差動式渦流探頭，其缺陷檢測靈敏度均大于傳統差動式渦流探頭。

3 試驗驗證

為了驗證仿真分析結果的正確性，筆者制作了跑道型差動式渦流探頭，并采用激光加工的方式在碳鋼板上刻出長為30 mm，寬為0.15 mm，深分別為0.5，1.0，2.0 mm的缺陷，如圖6所示。

圖6 跑道型差動式渦流探頭和碳鋼板缺陷試件實物圖Fig.6 Picture of runway-type differential eddy-current probe and carbon-steel plate defect specimens

2種差動式渦流探頭都在90°的掃查角度下具有最大的缺陷檢測靈敏度，因此，在測試過程中，均以90°的掃查角度、相同的速度掃查碳鋼板上的缺陷，得到如圖7所示的探頭輸出信號隨時間的變化曲線。從圖7可以看出，在90°的掃查角度下，跑道型差動式渦流探頭對碳鋼板上3種規格缺陷的響應信號均大于傳統差動式渦流探頭，表明跑道型差動式渦流探頭相對于傳統差動式渦流探頭具有更高的缺陷識別能力，且探頭的缺陷響應信號隨缺陷深度的增加而增大。

圖7 相同掃查速度下差動式渦流探頭輸出信號隨時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of output signal of differential eddycurrent probes with time at the same scanning speed

4 結 論

筆者在傳統差動式渦流探頭的基礎上，設計了一種跑道型差動式渦流探頭。利用COMSOL Multiphysics仿真軟件，分析、比較了跑道型差動式渦流探頭與傳統差動式渦流探頭的渦流場分布狀況、對不同深度缺陷及在不同掃查角度下對缺陷的識別能力。制作了跑道型差動式渦流探頭和碳鋼板缺陷試件實物，在90°最優掃查角度下比較了2種探頭對碳鋼板缺陷的檢測效果。試驗結果表明，與傳統差動式渦流探頭相比，跑道型差動式渦流探頭不僅具有更緊湊的結構，還具有更高的檢測靈敏度，可用于導電材料的精密無損檢測。