(中國工程物理研究院 材料研究所，江油 621908)

渦流檢測技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的無損檢測技術(shù)，可檢測導(dǎo)體(主要是金屬)的缺位、縫隙、腐蝕、裂紋等缺陷[1-3]。渦流檢測的原理為:激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，在導(dǎo)體中激發(fā)渦旋電流，導(dǎo)體中的缺陷會使渦流發(fā)生改變，從而引起磁場的變化，通過磁傳感器可以檢測出缺陷的信息。由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場的穿透深度很淺，感應(yīng)線圈的低頻靈敏度較差，高頻靈敏度較好，適合檢測表面或亞表面缺陷；低頻電磁場的穿透深度較深，因此低頻靈敏度較高的磁傳感器適用于深層渦流檢測。

磁通門磁強(qiáng)計在直流至幾千赫茲的頻率范圍內(nèi)都具有較高的靈敏度，目前廣泛應(yīng)用于地磁場測量、空間磁場測量、深層渦流檢測[4-5]及其他弱磁場測量領(lǐng)域。根據(jù)趨膚效應(yīng)，穿透深度可用式(1)表示。

δ=[ρ/(πμf)]1/2

(1)

式中:ρ為導(dǎo)體的電阻率；μ為磁導(dǎo)率;f為激勵頻率。

304不銹鋼(典型的奧氏體不銹鋼)的電阻率約為7.2×10-7Ω·m，相應(yīng)地其在1 kHz下的穿透深度約為14 mm。因此，當(dāng)激勵頻率在1 kHz左右或更低時，適合檢測奧氏體不銹鋼10 mm左右深度的缺陷。磁通門磁強(qiáng)計在1 kHz頻率下的理論噪聲可以達(dá)到10-11T的量級或更低，可以實(shí)現(xiàn)10 mm以上深度的渦流檢測。

除了磁通門磁強(qiáng)計，巨磁阻(GMR)傳感器[6]、巨磁阻抗(GMI)傳感器、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)及其他在低頻下具有高靈敏度的磁傳感器也具備通過渦流檢測導(dǎo)體深層缺陷的能力，且靈敏度越高，檢測深度也越深。在千赫茲頻率下，GMR/GMI傳感器的磁場白噪聲通常與磁通門磁強(qiáng)計的相似，但在100 Hz以下，磁通門磁強(qiáng)計的白噪聲通常更低[7]。上述磁傳感器中，SQUID的靈敏度最高[8-9]，但其需要工作在低溫下以維持超導(dǎo)電性，制冷成本更高，設(shè)備整體體積更大，而且其魯棒性不如磁通門磁強(qiáng)計、GMR/GMI傳感器等可以工作在常溫下的傳感器。有文獻(xiàn)報道了GMR/GMI傳感器在渦流檢測領(lǐng)域中的多種應(yīng)用，如可檢測導(dǎo)體表面或深層缺陷，被測材料包括鋁、鋁合金[10-11]、不銹鋼[12]等。

筆者研制了一套基于磁通門磁強(qiáng)計的深層渦流檢測裝置，在此前的工作中，實(shí)現(xiàn)了對6061鋁合金深層缺陷的檢測，檢測深度達(dá)到14 mm，與GMR傳感器的檢測深度相當(dāng)，大幅優(yōu)于文獻(xiàn)[13]中磁通門磁強(qiáng)計渦流檢測的結(jié)果。該裝置的優(yōu)點(diǎn)為：通過激勵線圈中軸線與磁強(qiáng)計測量方向相互垂直的配置方式，測量樣品渦流磁場平行于樣品表面的分量，當(dāng)激勵磁場增強(qiáng)時，提高了渦流信號的幅度，平行分量不會超過磁強(qiáng)計的量程，在保證測量穩(wěn)定的同時能夠提升信噪比。

文章使用該深層渦流檢測裝置，通過增加測量點(diǎn)數(shù)并用快速傅里葉變換(FFT)的方法來降低噪聲，并研究渦流磁場幅度與激勵頻率的關(guān)系，測量缺陷位于不同深度下的最佳激勵頻率以提升有效信號幅度，以此提高信噪比和檢測深度，提高圖像的分辨率。同時，通過對照最佳激勵頻率與缺陷深度關(guān)系曲線，來估測未知缺陷的深度。

1 試驗(yàn)方法

基于磁通門磁強(qiáng)計的深層渦流檢測裝置由磁通門探頭、磁通門磁強(qiáng)計主機(jī)、激勵線圈、線圈位置調(diào)節(jié)裝置、測量架、二維位移臺、信號發(fā)生器、鎖相放大器、計算機(jī)組成。樣品放置于二維位移臺上，可沿xy方向進(jìn)行掃描，磁通門探頭位于樣品上方，測量平行于樣品表面的磁場分量，即圖中的z方向，激勵線圈法線朝向y方向。線圈與磁通門探頭的相對位置可以沿z方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，使磁通門測量中心盡量接近激勵線圈法線，使磁通門磁強(qiáng)計的讀數(shù)置零(在無樣品的情況下)。該裝置的框圖如圖1所示。

圖1 基于磁通門磁強(qiáng)計的深層渦流檢測裝置框圖

當(dāng)上述渦流檢測裝置置零后，磁通門測量中心基本位于激勵線圈法線上，根據(jù)對稱性，如果下方樣品是無限大金屬板，那么測得的渦流磁場平行分量為零，而當(dāng)樣品存在缺陷時，缺陷附近渦流的幅度和方向都會發(fā)生改變，使渦流磁場的平行分量不為零，從而能測出缺陷的存在。

上述裝置中，磁通門探頭是Bartington Mag-13三分量傳感器，這里只需要用到其Bz分量，其在1 Hz下的磁場白噪聲均方根幅值為4X10-12T·Hz-1/2，工作頻率范圍是直流至3 kHz。信號發(fā)生器的型號為Tektronix AFG3022B。磁通門磁強(qiáng)計主機(jī)輸出的模擬信號經(jīng)過Zurich HF2鎖相放大器的傅里葉變換后，將相應(yīng)頻率的信號幅值輸入計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行采集。計算機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制二維位移臺，使樣品進(jìn)行xy方向掃描。激勵線圈的直徑為25 mm，電阻為120 Ω，電感約為40 mH。

測試的樣品包括預(yù)制缺陷的304不銹鋼和6061鋁合金板，上方覆蓋了多層金屬平板，模擬位于一定深度下的缺陷，樣品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測試樣品的結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)時，將兩塊金屬板拼接起來以模擬較細(xì)的裂紋，這是因?yàn)閷挾?0 μm左右的細(xì)縫較難加工，而拼接縫與裂紋在阻擋渦流的作用上比較相似。圖2(a)中304不銹鋼板的縫隙尺寸(長×高×寬)為180 mm×5 mm×15 μm，圖2(c)中6061鋁合金板的縫隙尺寸為180 mm×5 mm×1 μm(光學(xué)顯微鏡測量縫寬)。圖2(b)和(d)中的不銹鋼槽和鋁合金槽用于安裝拼接的金屬板并固定，保持縫隙寬度。圖2(e)是預(yù)制十字形缺陷的304不銹鋼板，其厚度為2 mm，十字形缺陷的長寬均為80 mm，縫隙寬度為1 mm。圖2(a)，(c)，(e)樣品上方覆蓋多層厚度為2 mm的金屬板(與樣品材料相同)，模擬缺陷處于深層的情況，因此當(dāng)覆蓋N層金屬板時，缺陷的深度為2Nmm。304不銹鋼的電阻率約為7.3×10-7Ω·m，對應(yīng)的電導(dǎo)率為1.37×106S·m-1；6061不銹鋼的電阻率約為4.0×10-7Ω·m，對應(yīng)的電導(dǎo)率為2.5×106S·m-1，二者的磁導(dǎo)率均為μ0。

2 理論分析

根據(jù)趨膚效應(yīng)公式，在柱坐標(biāo)下，激勵線圈在無限大金屬板內(nèi)產(chǎn)生的渦流密度分布可以用式(2)表示。

(2)

式中：σ為材料的電導(dǎo)率;I為激勵線圈電流;g(r,φ)為金屬板表面渦流的分布函數(shù);δ為相應(yīng)頻率下的渦流穿透深度；z為距材料表面的垂直深度。

文中的信號發(fā)生器近似為恒壓源，因此激勵線圈電流由電壓與阻抗決定，如式(3)所示。

(3)

式中：U為信號發(fā)生器的電壓；R為激勵線圈與導(dǎo)線的電阻之和；L為線圈的電感。

當(dāng)缺陷深度為z0時，存在一定的頻率f0使缺陷附近的渦流產(chǎn)生的磁場達(dá)到極大值。由于電磁波在從激勵線圈產(chǎn)生-進(jìn)入導(dǎo)體-到達(dá)缺陷-反射-檢測的過程中，穿過材料兩次，因此在計算渦流磁場幅度的過程中，趨膚效應(yīng)的因子應(yīng)為exp(-2z/δ)。根據(jù)式(1)(3)可對頻率求偏導(dǎo)，得到缺陷深度為z0時，位于該深度的渦流所產(chǎn)生的磁場達(dá)到極大值時的頻率f0，結(jié)果如式(4)所示。

(4)

上述模型將信號發(fā)生器近似看成恒壓源，只考慮激勵線圈的電感，并假設(shè)缺陷厚度Δz為零，將激勵磁場簡化為平面波，因此與試驗(yàn)結(jié)果有差異，但缺陷深度與頻率關(guān)系的趨勢與試驗(yàn)結(jié)果是一致的，即式(4)能定性描述不同深度缺陷對應(yīng)的最優(yōu)頻率的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

首先在304不銹鋼縫隙樣品[見圖2(a)]上覆蓋不同厚度的鋼板，改變激勵磁場頻率，得到渦流磁場平行分量隨頻率的變化曲線，分析磁場分量幅度達(dá)到極大值時的最優(yōu)頻率與缺陷深度之間的關(guān)系,得到的磁場分量幅度與激勵頻率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 304不銹鋼縫隙樣品位于不同深度時渦流磁場幅度與激勵頻率的關(guān)系曲線

由圖3可見，當(dāng)缺陷位于一定深度時，存在一定的激勵頻率f0使渦流磁場幅度達(dá)到極大值。當(dāng)頻率過低時，渦流密度太小，導(dǎo)致渦流磁場幅度也較低；當(dāng)頻率過高時，由于趨膚效應(yīng)，渦流集中于導(dǎo)體表面，深層渦流密度減小，使得渦流磁場幅度下降。注意到圖3中z0=0時，隨著激勵頻率的提高，渦流磁場幅度達(dá)到極大值后也略有下降。理論上頻率越高，表面渦流密度也越大，聯(lián)立式(2)，(3)可知，頻率趨于無限大時，磁場-頻率曲線應(yīng)當(dāng)接近一條直線，但這里出現(xiàn)了極大值，過了極值點(diǎn)后有所下降，這可能是因?yàn)槿毕莺穸圈不為零，激勵頻率過高時，缺陷頂部的渦流密度雖然增大，但缺陷底部的渦流密度下降了，使得渦流磁場幅度不如最優(yōu)頻率下的幅度。

圖3表明，隨著缺陷深度的增加，頻率f0逐漸下降，將f0-z0的關(guān)系繪制成曲線(見圖4)，并將材料參數(shù)代入式(4)，與式(4)的理論曲線進(jìn)行對比。

圖4 f0-z0關(guān)系曲線的實(shí)測值與理論值對比

根據(jù)式(4)可知，隨著缺陷深度的增加，最優(yōu)檢測頻率是單調(diào)下降的，實(shí)測值中深度016 mm范圍內(nèi)的曲線也驗(yàn)證了這個趨勢。然而，缺陷深度在1620 mm內(nèi)時，隨著缺陷深度的下降，最優(yōu)檢測頻率反而有所上升。注意到圖3中磁場幅度-頻率曲線受噪聲干擾而產(chǎn)生了波動，因而影響了最優(yōu)頻率的確定，從曲線上可以估計磁場幅度的測量誤差約為0.5 nT，如式(5)所示。最優(yōu)頻率的位置是曲線一階導(dǎo)數(shù)為零的位置，故可以通過曲線的二階導(dǎo)數(shù)來確定頻率的誤差。

B(f0+Δf)-B(f0)≈B′(f0)Δf+

(5)

式中：B為渦流磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅度；Δf為頻率的誤差；B′為磁場對頻率的一階導(dǎo)數(shù)；B″為磁場對頻率的二階導(dǎo)數(shù)；ΔB為磁場的誤差。

由式(5)可以估計頻率的誤差約為30 Hz(深度為2 mm時)，根據(jù)此式繪制出誤差條，從圖4中可以看出，16 mm以上深度的異常趨勢包含在誤差范圍內(nèi)。實(shí)際上在深度較深時，由缺陷引起磁場分量的變化已經(jīng)很小，磁場-頻率曲線比較平緩，對缺陷的測量已經(jīng)基本接近儀器的檢測極限，這可能是異常趨勢產(chǎn)生的原因。圖4中，f0-z0曲線的實(shí)測值定性反映了理論值的變化趨勢，在深度較小的情況下，由于式(5)假設(shè)缺陷厚度為0，深度接近零的情況下最優(yōu)頻率趨近無窮大，這是缺陷深度較小時出現(xiàn)偏差的主要原因。實(shí)際上對表面或亞表面缺陷而言，激勵頻率提高到一定程度，再提高頻率對磁場幅度和檢測靈敏度的貢獻(xiàn)不大。盡管上述理論計算采用了很多近似處理方法，理論曲線與實(shí)測曲線有所偏差，但仍能反映最優(yōu)檢測頻率隨缺陷深度增加而下降的趨勢。根據(jù)這個規(guī)律，可以通過測量最優(yōu)檢測頻率的方法來估計未知缺陷的深度。

文獻(xiàn)[6]中，F(xiàn)ujita研究組的試驗(yàn)也證明了缺陷深度越大，幅度峰值對應(yīng)的激勵頻率越低的規(guī)律，與文章結(jié)果一致。對304不銹鋼而言，筆者選擇729 Hz的激勵頻率，可以檢測深達(dá)20 mm的缺陷，而對于淺層缺陷，信號幅度總是大于深層缺陷的，因此激勵頻率應(yīng)當(dāng)根據(jù)深層缺陷的需求來確定。在該頻率下，渦流的穿透深度約為15.9 mm，測得激勵線圈電流的有效值為19.9 mA。對6061鋁合金而言，由于電導(dǎo)率較高，最優(yōu)激勵頻率低于文中鎖相放大器能夠穩(wěn)定鎖定的頻率，因此無法用現(xiàn)有設(shè)備測試最優(yōu)頻率，這里只能選擇能鎖定的最低頻率72 Hz，該頻率下6061鋁合金的穿透深度為11.8 mm，此時激勵線圈的電流為20.7 mA。

根據(jù)以上的結(jié)果，對304不銹鋼選擇729 Hz的激勵頻率，對圖2(a)中的樣品進(jìn)行檢測，其上方覆蓋1020 mm的304不銹鋼板，以模擬深層裂紋的檢測，測得渦流磁場Bz分量的xy分布圖(見圖5)。

由圖5可見，裂縫的渦流磁場分布圖具有線型波峰和波谷的特征，其等高線基本是一條直線，該結(jié)果與文獻(xiàn)[11,13]中裂紋缺陷樣品的渦流磁場分布圖一致。由于趨膚效應(yīng)，當(dāng)缺陷的深度不斷增加時，渦流磁場的幅度會不斷下降，邊緣效應(yīng)、噪聲等干擾因素的影響會逐漸增大。圖5(f)中，樣品上方覆蓋了20 mm厚的鋼板，雖然圖像有些模糊，但仍能從等高線上分辨出裂縫缺陷的特征，表明該裝置具備對304不銹鋼20 mm的檢測深度。

圖5 304不銹鋼縫隙樣品在1020 mm深度下的渦流磁場二維分布

同樣對圖2(c)中的6061鋁合金縫隙樣品進(jìn)行深層渦流檢測，激勵頻率為72 Hz，與之前的工作相比，試驗(yàn)降低了噪聲并提高了檢測深度，結(jié)果如圖6所示?？梢姡X合金的結(jié)果與不銹鋼的類似，裂縫缺陷的渦流磁場圖像擁有波峰和波谷，等高線基本是直線。圖6(a)中缺陷深度為10 mm，圖像非常清晰，很容易分辨缺陷的形狀;圖6(b)中缺陷深度達(dá)到16 mm，渦流磁場信號已經(jīng)大幅削弱，圖像較為模糊，但仍能分辨裂縫缺陷的基本特征。

將樣品換成圖2(e)中的304不銹鋼十字形缺陷，激勵頻率仍為729 Hz，得到的渦流磁場圖像如圖7所示。

由圖7可見，十字形缺陷的渦流磁場圖像形貌是呈“X”形的等高線，其原因是當(dāng)激勵線圈靠近十字線時，金屬板上的渦流受到缺陷的阻擋而發(fā)生改變，此時的改變量最大，因此呈現(xiàn)波峰或波谷，當(dāng)激勵線圈位于十字線的角平分線上時，渦流受到缺陷的阻擋效應(yīng)最小，改變量最小。圖7所示的圖像與筆者此前的工作是一致的[13]，文中針對304不銹鋼采用最優(yōu)激勵頻率，增加了數(shù)據(jù)點(diǎn)，用FFT的方法降低噪聲，提高了信噪比，因此圖像的平滑程度與信噪比均優(yōu)于此前的工作。圖7(f)中，盡管缺陷的深度已經(jīng)達(dá)到20 mm，但“X”形等高線仍然非常清晰。

上述結(jié)果表明，基于磁通門磁強(qiáng)計的深層渦流檢測系統(tǒng)通過測量渦流磁場平行于樣品表面的分量、采用優(yōu)化的激勵頻率、增加測量點(diǎn)數(shù)并通過FFT方法降低噪聲，可實(shí)現(xiàn)對304不銹鋼20 mm深層缺陷的檢測及6061鋁合金16 mm深層缺陷的檢測，檢測深度與文獻(xiàn)及筆者此前的工作相比得到了提高。并且，通過測量未知缺陷的渦流磁場幅度-頻率關(guān)系曲線，可以大致確定未知缺陷的深度。該檢測方法應(yīng)當(dāng)能推廣至其他順磁性金屬材料的檢測中，相應(yīng)的最優(yōu)激勵頻率需要根據(jù)具體材料的電阻率而確定。

圖7 304不銹鋼十字形缺陷樣品在1020 mm深度下的渦流磁場二維分布

4 結(jié)語

使用自行研制的基于磁通門磁強(qiáng)計的深層渦流檢測裝置，通過優(yōu)化激勵頻率、增加數(shù)據(jù)點(diǎn)與快速傅里葉變換法降低噪聲，提升了對鋁合金與奧氏體不銹鋼的檢測深度，使其分別達(dá)到16 mm與20 mm，超過文獻(xiàn)中磁通門、GMR探頭等傳感器的檢測結(jié)果。不同的激勵頻率下，深層缺陷導(dǎo)致的渦流磁場的變化幅值也不同，通過分析頻率-磁場幅度曲線的極大值位置，可以估算未知缺陷的深度。基于磁通門磁強(qiáng)計的深層渦流檢測技術(shù)在順磁性金屬材料的檢測中具有良好的應(yīng)用前景。