跑道型差動(dòng)式渦流探頭設(shè)計(jì)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(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(yōu)點(diǎn)而被用于導(dǎo)電材料的缺陷檢測，在電力、鐵路、機(jī)械、航天、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-5］。渦流探頭的結(jié)構(gòu)形式較多，可以由1個(gè)線圈構(gòu)成，也可以由多個(gè)線圈構(gòu)成［10-14］。與其他常規(guī)的渦流探頭相比，差動(dòng)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(yīng)、外界溫度等因素的影響，因此被廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電材料的無損檢測中［15-17］。

傳統(tǒng)的差動(dòng)式渦流探頭常采用3個(gè)相同的線圈并列放置，中間線圈作為激勵(lì)線圈、兩側(cè)線圈作為差分感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，存在尺寸較大且檢測靈敏度較低的缺陷。筆者在傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能用于碳鋼板表面缺陷檢測的跑道型差動(dòng)式渦流探頭。利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立了跑道型差動(dòng)式渦流探頭模型，比較了跑道型差動(dòng)式渦流探頭與傳統(tǒng)差動(dòng)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(dòng)式渦流探頭和碳鋼板缺陷試件實(shí)物，并利用試驗(yàn)測試的方法比較跑道型差動(dòng)式渦流探頭和傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭的檢測靈敏度。

1 差動(dòng)式渦流探頭探傷原理

傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。3個(gè)相同型號的線圈依次排列，中間的一個(gè)線圈作為激勵(lì)線圈，兩邊的線圈反向連接作為差分感應(yīng)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(lì)線圈中，由于電磁感應(yīng)的作用，激勵(lì)線圈會(huì)在被檢測的金屬板中激勵(lì)出按照一定規(guī)律分布的渦流場。當(dāng)金屬板表面沒有缺陷時(shí)，由于感應(yīng)渦流場的對稱性，兩側(cè)感應(yīng)線圈感應(yīng)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(gè)感應(yīng)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(yīng)線圈的感應(yīng)電壓出現(xiàn)差異，由此產(chǎn)生并輸出一個(gè)差分感應(yīng)信號。

筆者在傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種跑道型差動(dòng)式渦流探頭，其結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。跑道型差動(dòng)式渦流探頭由1個(gè)形狀像跑道的大激勵(lì)線圈包裹著2個(gè)并列放置且反向連接的圓形小感應(yīng)線圈而構(gòu)成。當(dāng)對激勵(lì)線圈加載頻率和幅值一定的正弦交流信號時(shí)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的交變磁場會(huì)在被測件的近表面感應(yīng)出渦流場。由于對稱性，當(dāng)探頭平穩(wěn)掃過被測件完好無損的部位時(shí)，兩感應(yīng)線圈覆蓋區(qū)域的渦流場保持恒定且相等，差分感應(yīng)信號輸出為零；當(dāng)探頭掃過被測件的缺陷部位時(shí)，兩檢測線圈先后掃過缺陷區(qū)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(huì)在2個(gè)感應(yīng)線圈中依次感生出大小不同的電動(dòng)勢，產(chǎn)生并輸出一個(gè)對應(yīng)于缺陷的差分感應(yīng)信號。

圖1 差動(dòng)式渦流探頭的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)差動(dòng)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(dòng)式渦流探頭設(shè)計(jì)的可行性及其與傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭在檢測性能上的差異。建立跑道型差動(dòng)式渦流探頭的幾何模型，如圖2所示。跑道型差動(dòng)式渦流探頭的激勵(lì)線圈由2個(gè)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(yīng)線圈是2個(gè)半徑相同的圓形線圈。在仿真分析過程中，傳統(tǒng)和跑道型差動(dòng)式渦流探頭的參數(shù)設(shè)置見表1。

2.1 不同結(jié)構(gòu)差動(dòng)式渦流探頭的渦流場分布比較

為了分析跑道型差動(dòng)式渦流探頭與傳統(tǒng)差動(dòng)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(dòng)式渦流探頭均施加頻率為95 kHz、激勵(lì)電流為100 mA的正弦激勵(lì)信號，其他仿真參數(shù)見表1，得到如圖1所示的2種差動(dòng)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(lì)信號激勵(lì)下，跑道型差動(dòng)式渦流探頭感應(yīng)線圈④、⑥所覆蓋區(qū)域的有效渦流場面積和渦流密度都比傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流感應(yīng)線圈①、③的大。相比于傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，跑道型差動(dòng)式渦流探頭具有較緊湊的結(jié)構(gòu)以及較高的有效渦流場密度。

圖2 跑道型差動(dòng)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(dòng)式渦流探頭仿真參數(shù)設(shè)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(lì)電流為100 mA的正弦信號激勵(lì)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(shí)的輸出信號，如圖3所示，其中橫坐標(biāo)“0 mm”對應(yīng)缺陷中心位置。從圖3可以看出，對于同一缺陷，跑道型差動(dòng)式渦流探頭的缺陷響應(yīng)信號明顯大于傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭。圖1和圖3表明，筆者設(shè)計(jì)的跑道型差動(dòng)式渦流探頭不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且檢測靈敏度較高。

2.2 不同結(jié)構(gòu)差動(dòng)式渦流探頭對不同深度缺陷識(shí)別能力的比較

在被測件上預(yù)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(jié)構(gòu)差動(dòng)式渦流探頭垂直掃過同一缺陷時(shí)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(jié)構(gòu)差動(dòng)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(xiàn)增大的趨勢；當(dāng)缺陷深度達(dá)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(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是渦流的趨膚效應(yīng)［18-20］；在缺陷深度相同的情況下，跑道型差動(dòng)式渦流探頭的檢測靈敏度更高。

2.3 不同結(jié)構(gòu)差動(dòng)式渦流探頭在不同掃查角度下對缺陷識(shí)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(jié)果有較大的影響。

在被測試件上預(yù)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(jié)構(gòu)差動(dòng)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(nèi)，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(nèi)，跑道型差動(dòng)式渦流探頭檢測信號峰-峰值均大于傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭，其缺陷檢測靈敏度均大于傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的正確性，筆者制作了跑道型差動(dòng)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(dòng)式渦流探頭和碳鋼板缺陷試件實(shí)物圖Fig.6 Picture of runway-type differential eddy-current probe and carbon-steel plate defect specimens

2種差動(dòng)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(shí)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(dòng)式渦流探頭對碳鋼板上3種規(guī)格缺陷的響應(yīng)信號均大于傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭，表明跑道型差動(dòng)式渦流探頭相對于傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭具有更高的缺陷識(shí)別能力，且探頭的缺陷響應(yīng)信號隨缺陷深度的增加而增大。

圖7 相同掃查速度下差動(dòng)式渦流探頭輸出信號隨時(shí)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(jié) 論

筆者在傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種跑道型差動(dòng)式渦流探頭。利用COMSOL Multiphysics仿真軟件，分析、比較了跑道型差動(dòng)式渦流探頭與傳統(tǒng)差動(dòng)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(shí)別能力。制作了跑道型差動(dòng)式渦流探頭和碳鋼板缺陷試件實(shí)物，在90°最優(yōu)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(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)差動(dòng)式渦流探頭相比，跑道型差動(dòng)式渦流探頭不僅具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，還具有更高的檢測靈敏度，可用于導(dǎo)電材料的精密無損檢測。