王闖龍， 武美先， 張東利，姜 祿，佟 宇

(北方民族大學 a.電氣信息工程學院;b.化學與化學工程學院;c.機電工程學院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

渦流檢測(eddy current testing，ECT)是一種重要的無損檢測方法[1-3]，其原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，當材料表面存在缺陷時，渦流流動受到擾動，渦流傳感器檢測到含有裂紋的合成場(由初級場和次級場產(chǎn)生)信息[4-6]。由于存在集膚效應(yīng)，當激勵線圈在較高頻率工作時，渦流主要集中在導電試件表面流動，這種效應(yīng)使渦流傳感器對淺裂縫檢測較靈敏，但對深層裂紋的識別能力較低[7-11]。國內(nèi)外許多學者提出了改進方法。文獻[12]設(shè)計了新型缺陷探測系統(tǒng)，可提高檢測的穩(wěn)定性。文獻[13]通過增加磁環(huán)，制作了新型探頭，提高了檢測能力。文獻[14]設(shè)計了基于數(shù)字信號處理的渦流檢測系統(tǒng)，提高了檢測的抗干擾能力。文獻[15-16]用磁通門磁強計設(shè)計新型渦流線圈，提高了滲透深度。但傳統(tǒng)渦流檢測線圈滲透深度的影響因素問題并未得到徹底解決。文獻[17]提出渦流密度不僅與渦流線圈激勵頻率有關(guān)，還與線圈尺寸等其他因素有關(guān)。

本文使用ANSYS有限元軟件，分析線圈外徑、高度、匝數(shù)、提離以及激勵頻率等因素對渦流密度的影響，提取沿試件厚度方向的渦流密度。以試件表面渦流密度為基準值，對提取的渦流密度進行歸一化處理，進一步分析了各個因素對渦流滲透深度的影響。

1 數(shù)值計算模型

試件渦流密度值降低到表面密度的1/e(37%)時的滲透深度為標準滲透深度[7]，在仿真計算過程中，通過提取試件內(nèi)渦流密度變化曲線，可以得到相應(yīng)的滲透深度。為了方便獲取渦流密度曲線對應(yīng)的標準滲透深度值，將渦流密度曲線進行歸一化(歸一化渦流密度曲線是指將渦流密度曲線上的所有數(shù)據(jù)除以其最大值得到的曲線)，歸一化渦流密度曲線橫坐標值是0.37時所對應(yīng)的縱坐標值為渦流的標準滲透深度。

如圖1所示，建立參數(shù)化模型，分析滲透深度的影響因素。將線圈放置在SUS304不銹鋼制成的試件(200 mm×200 mm×50 mm)上方。線圈的外徑為Ro，內(nèi)徑為Ri，高度為hc，匝數(shù)為N,提離為D。

2 滲透深度的影響因素

普通圓形渦流線圈在實際使用過程中，通常加載正弦交流電流。合適的激勵頻率可以有效準確地識別并分離出各種影響因素，當頻率增高時，集膚效應(yīng)也隨之明顯，線圈識別缺陷的靈敏性會急劇降低，因此，合適的激勵頻率對檢測缺陷至關(guān)重要。渦流線圈結(jié)構(gòu)尺寸對渦流場的影響具體表現(xiàn)為:線圈外徑影響周圍磁場的分布；線圈匝數(shù)影響線圈電感量的大??；線圈高度與檢測系統(tǒng)的靈敏度、分辨率有關(guān)；提離效應(yīng)影響線圈阻抗的大小。

圖1 參數(shù)化模型

2.1 線圈外徑的影響

如圖1所示，線圈的提離D=0.5 mm，激勵頻率f=10 kHz。保持線圈的內(nèi)半徑Ri=8 mm不變，外半徑Ro分別為10 mm、15 mm和20 mm，線圈匝數(shù)N=140匝，線圈高度hc=8 mm,研究線圈外徑的影響。

圖2為歸一化前后渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系。圖2中，試件厚度為沿板厚方向的厚度。如圖2a所示，保持線圈內(nèi)徑不變，當線圈外徑逐漸增大時，渦流密度增大。如圖2b所示，線圈外徑越大，其滲透深度越大。

(a) 歸一化前渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系 (b) 歸一化后渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系

圖2 歸一化前后渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系

2.2 線圈高度的影響

選擇內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm的線圈進行仿真計算，并分析其結(jié)果。取線圈高度hc為5～15 mm，分析其對滲透深度的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以觀察到線圈高度和渦流密度之間的比例關(guān)系，歸一化密度曲線也較為密集。由圖3可知：渦流的滲透深度較為接近，線圈高度對滲透深度的影響較小。

2.3 線圈匝數(shù)的影響

研究線圈匝數(shù)對滲透深度的影響，匝數(shù)分別為60匝、140匝和200匝。Ri和Ro分別為8 mm和15 mm。其他參數(shù)設(shè)定值與2.1節(jié)相同。圖4為歸一化前后渦流密度與線圈匝數(shù)N的關(guān)系。如圖4所示，滲透深度不受線圈匝數(shù)變化的影響。

2.4 提離的影響

提離是指線圈底部到試件表面的距離，在渦流檢測中是一個重要的影響因素。在仿真分析過程中，保持其他參數(shù)不變，線圈提離分別為0.5 mm、和2.0 mm和5.0 mm。圖5為歸一化前后渦流密度與線圈提離D的關(guān)系。如圖5所示，當線圈提離增大時，激勵線圈在試件表面產(chǎn)生的渦流密度減小，但是并不能改變其滲透深度；較大提離在試件內(nèi)部產(chǎn)生的渦流密度越來越小。在實際應(yīng)用中，很少采用較大提離，因為較大提離會使檢測信號顯著下降、信噪比降低。

2.5 激勵頻率的影響

為了研究激勵頻率對滲透深度的影響，激勵線圈的激勵頻率分別取5 kHz、10 kHz和100 kHz，其他參數(shù)配置與上文相同。圖6為歸一化前后渦流密度與線圈激勵頻率f的關(guān)系。由圖6可知：當激勵頻率明顯降低時，滲透深度發(fā)生顯著的變化。在較高頻率激勵時，渦流主要集中在密度極大的試樣表面附近，并沿試件厚度方向急劇降低；與此相反，在較低頻率激勵時，盡管表面的渦流密度較小，但在試件內(nèi)部的渦流密度衰減較慢。因此，低頻條件有利于檢查導電材料中的較深裂縫。

3 滲透深度影響因素的驗證

3.1 試驗系統(tǒng)

為了驗證不同因素對滲透深度的影響，設(shè)計加工了SUS304不銹鋼試件，如圖7a所示，不銹鋼尺寸為1 350 mm×350 mm×200 mm，電導率為σ=1.43×106S/m，相對磁導率為μr=1。在不銹鋼試件上均勻加工3道通槽，寬度均為1 mm，深度分別為5 mm、10 mm和15 mm。

渦流檢測系統(tǒng)如圖7b所示，為了保證檢測的準確性，將渦流線圈(檢測線圈和激勵線圈)安裝在三維掃查臺的掃查臂上，保持檢測探頭與試件上表面水平且提離固定。三維掃查臺以恒定速度在不銹鋼試件表面垂直于裂紋分布方向進行掃描。接收端使用愛德森渦流檢測儀EEC-2004作為采集系統(tǒng)，常規(guī)圓形渦流傳感器作為采集端和激勵端，對分布在不銹鋼試件上不同滲透深度的人工裂紋依次進行檢測。

3.2 結(jié)果驗證

為了充分驗證有限元仿真結(jié)果的正確性，試驗中使用的參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

3.2.1 線圈外徑的影響

試驗使用激勵線圈內(nèi)徑Ri=8 mm；外徑分別為Ro1=10 mm，Ro2=15 mm；激勵頻率為f=10 kHz；提離為D=1 mm；匝數(shù)N=140匝。

圖8為線圈外徑與阻抗的關(guān)系。圖8a為在不同外徑時仿真計算不同深度的人工通槽產(chǎn)生的阻抗結(jié)果，當人工通槽深度相同時，線圈外徑越大，阻抗越大；當線圈外徑相同時，人工通槽深度越大，阻抗越大。 圖8b為與仿真計算相同參數(shù)下試驗所得結(jié)果(下同),由圖8b可知：試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。分別提取激勵線圈外徑不同時檢測線圈在通槽為5 mm、10 mm和15 mm對應(yīng)阻抗的最大值Z0、Z1和Z2，并計算10 mm和15 mm相對于5 mm人工通槽阻抗變化倍數(shù)Z1/Z0、Z2/Z0。由試驗和仿真計算結(jié)果可得：當人工通槽深度相同時，線圈外徑越大，檢測結(jié)果的阻抗越大；當線圈外徑相同時，人工通槽深度越深，所產(chǎn)生的阻抗結(jié)果越大。因此，線圈內(nèi)徑相同，外徑越大，檢測線圈的阻抗變化越大，有利于深裂紋的檢測。

3.2.2 線圈匝數(shù)的影響

試驗使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度hc=8 mm，線圈匝數(shù)分別為140匝和250匝，其他參數(shù)保持不變。圖9是線圈匝數(shù)與阻抗的關(guān)系。由圖9a可知：線圈匝數(shù)相同時，人工通槽深度越大，檢測線圈產(chǎn)生的阻抗越大；但人工通槽深度相同時，線圈匝數(shù)的變化幾乎不影響檢測線圈阻抗信號的大小。圖9b是仿真參數(shù)相對應(yīng)的試驗結(jié)果,與仿真計算結(jié)果一致。因此，線圈匝數(shù)基本不影響渦流的滲透深度，對檢測線圈的阻抗影響較小。

(a) 不同深度人工通槽仿真計算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗阻抗變化

圖9 線圈匝數(shù)與阻抗的關(guān)系

3.2.3 線圈高度的影響

試驗使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度分別為hc1=8 mm和hc2=15 mm，其他參數(shù)保持不變。由于激勵線圈的高度發(fā)生變化，為了減小線圈匝數(shù)對結(jié)果造成的影響，線圈的繞制匝數(shù)分別為140匝和250匝。圖10為線圈高度與阻抗的關(guān)系。如圖10a所示，線圈高度越大，檢測線圈的阻抗信號越大；線圈高度相同，人工通槽深度越大，檢測線圈阻抗越大；但是，通過提取人工通槽處阻抗的最大值Z0、Z1和Z2，并計算阻抗變化倍數(shù)Z1/Z0、Z2/Z0，得出相同深度人工通槽在線圈高度不同時，阻抗的變化倍數(shù)是相同的。圖10b為仿真參數(shù)相對應(yīng)的試驗結(jié)果,其變化規(guī)律、阻抗變化倍數(shù)結(jié)果與仿真計算結(jié)果一致。因此，激勵線圈高度改變檢測信號的阻抗大小，但是對滲透深度的影響較小。

(a) 不同深度人工通槽仿真計算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗阻抗變化

圖10 線圈高度與阻抗的關(guān)系

3.2.4 提離的影響

試驗使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度hc=8 mm，提離D1=1 mm、D2=5 mm，其他參數(shù)保持不變。圖11為線圈提離與阻抗的關(guān)系。如圖11a所示，線圈提離增大時，檢測線圈的阻抗信號急劇減小；相同提離時，人工通槽深度越大，阻抗越大。圖11b是與仿真計算參數(shù)相同時的試驗結(jié)果，其變化規(guī)律與仿真計算結(jié)果一致。但是在實際檢測過程中當提離增大時，阻抗信號的信噪比也會降低，由于這種現(xiàn)象會造成渦流線圈對裂紋的識別度顯著下降，所以在實際應(yīng)用中提離變化對檢測結(jié)果的準確性有很大影響。

3.2.5 激勵頻率的影響

試驗使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度hc=8 mm，激勵頻率分別為f1=1 kHz,f2=10 kHz，其他參數(shù)保持不變。圖12為激勵頻率與阻抗的關(guān)系。分別提取激勵頻率為1 kHz和10 kHz時，各個裂紋處的最大阻抗值Z0、Z1和Z2，并計算阻抗的變化倍數(shù)Z1/Z0、Z2/Z0。由圖12a可知：同一激勵頻率，不同深度的裂紋產(chǎn)生的阻抗變化不同，裂紋深度越深，阻抗越大；同一深度裂紋，激勵頻率越高，阻抗越大；通槽的深度變化相同時，激勵頻率越低，阻抗變化倍數(shù)越大。圖12b是與仿真計算參數(shù)相同時的試驗結(jié)果，其變化規(guī)律同仿真計算結(jié)果一致。較低激勵頻率有利于識別深層裂紋缺陷，但是激勵頻率太低時，檢測信號的阻抗幅值會急劇下降，不利于檢測，因此，選擇合適的激勵頻率對渦流檢測至關(guān)重要。

(a) 不同深度人工通槽仿真計算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗阻抗變化

圖11 線圈提離與阻抗的關(guān)系

(a) 不同深度人工通槽仿真計算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗阻抗變化

圖12 激勵頻率與阻抗的關(guān)系

4 結(jié)束語

通過仿真計算與試驗驗證，激勵頻率和線圈外徑有助于提高滲透深度，提離影響渦流線圈的信噪比，其他因素對滲透深度影響較小。本文可為渦流線圈設(shè)計和導電材料深層裂紋的檢測提供指導。