許 鵬 曾泓茗 朱晨露 王 平 耿 明 許 勇

1. 南京航空航天大學自動化學院，南京，211106 2. 工業(yè)和信息化部高速載運設(shè)施的無損檢測和監(jiān)控技術(shù)重點實驗室，南京，211106 3. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢，430063

0 引言

隨著社會不斷發(fā)展，我國鐵路運輸在里程和速度上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。而鋼軌在經(jīng)過長期使用之后會出現(xiàn)表面裂紋和內(nèi)部核傷，產(chǎn)生安全隱患。如果不能針對這種損傷采取措施，任其發(fā)展，最終會引發(fā)斷軌事故，甚至導致列車出軌、傾覆等重大事故發(fā)生。因此，對在役鋼軌采用無損檢測方法進行缺陷傷損檢測成為保證鐵道運輸安全的關(guān)鍵措施[1-2]。核傷是指鋼軌內(nèi)部疲勞裂紋，由鋼材的冶煉質(zhì)量不良和使用條件特殊2個因素引起，在應力作用下，傷損逐漸擴大，最終導致鋼軌斷裂，嚴重影響列車行車安全[3]。表面裂紋和內(nèi)部傷損的檢出是軌道檢測的重點。

渦流檢測具有無需耦合劑、檢測速度快、容易實現(xiàn)自動化的特點，適合應用于鐵軌的表面裂紋檢測[4-5]，但是，由于電流的趨膚效應[6]，渦流強度隨著深度增大而衰減、明顯地集中在導體表面，渦流檢測對內(nèi)部缺陷的檢測能力較為薄弱。增強磁場的渦流可以抑制趨膚效應，提高對埋藏缺陷的檢測能力。

在管道檢測中，常將磁場增強至磁飽和[7]，HEE等[8]分析了439不銹鋼管渦流探傷探頭的最佳磁通密度，設(shè)計了一種專用的磁飽和探頭；HAO等[9]分析計算了鐵磁管中增強磁場渦流檢測在磁飽和不足條件下的工作狀態(tài)；宋凱等[10]深入研究了增強磁場作用下，鋼管磁特性對渦流檢測的影響，指出現(xiàn)有評價手段的混亂。但管道檢測和軌道檢測中的增強磁場渦流的方法具有明顯的差別：①檢測速度不同——軌道檢測的檢測速度大于管道檢測的檢測速度，對檢測穩(wěn)定性有著更高的要求；②增強磁場的目的不同——管道檢測著眼于增強磁場對渦流檢測信噪比的提高，軌道檢測則意圖利用增強磁場提高渦流的內(nèi)部缺陷檢測能力；③施加激勵方式不同——鋼軌的形狀結(jié)構(gòu)與軌道的安全要求決定了軌道檢測不能采用管道檢測中常用的磁飽和結(jié)構(gòu)。

在以往對軌道檢測的研究中，對增強磁場渦流的檢測方法研究較少，如何施加直流激勵是一個重要問題。本文探索研究了一種結(jié)構(gòu)：在渦流線圈上增加一個U形磁軛，并對纏繞在上面的線圈施加直流激勵，通過磁軛傳導磁場到鋼軌，增強局部的磁場。這種軌道檢測方法與管道檢測方法不同的是，鋼軌中的渦流檢測磁場與增強磁場方向相切，而通常管道檢測中的渦流檢測方向與增強磁場方向相同。仿真和實驗結(jié)果證明了渦流線圈在局部增強磁場的環(huán)境下能夠提高對內(nèi)部傷損的檢測能力。

1 增強磁場渦流檢測原理

在磁場作用下，處于變化磁場中的導體內(nèi)部會形成渦流，渦流產(chǎn)生的焦耳熱又使電磁場的能量不斷損耗，因此在導體內(nèi)部的磁場是逐漸衰減的，表面的磁場強度大于深層的磁場強度。而渦流是由磁場感應產(chǎn)生的，所以導體內(nèi)磁場強度的遞減性導致了渦流的遞減性。這種電流隨著深度的增大而衰減、明顯地集中在導體表面的現(xiàn)象稱為趨膚效應。

隨著深度的增大，金屬內(nèi)的磁場強度和渦流密度均呈指數(shù)衰減，一般規(guī)定磁場強度和渦流密度降至表面值的1/e處的深度，稱為滲透深度，用字母δ表示，則滲透深度可表示為

(1)

式中，δ為滲透深度，m；f為頻率，Hz；μ為磁導率，H/m；σ為電導率，S/m。

在渦流探傷中，δ是一個很重要的參數(shù)，缺陷的檢出靈敏度與缺陷處的渦流密度有關(guān)。金屬表面的渦流密度最大，具有較高的檢出靈敏度；當深度超過滲透深度δ時，渦流密度衰減至很小，檢出靈敏度就較低。由式(1)可知，減小鐵磁性材料的磁導率μ，能夠使?jié)B透深度δ增大。

Steel-1008是與鋼軌磁性類似的材料[11]，以此材料為例進行分析。圖1是Steel-1008鋼材料的B-H曲線與μr-H曲線。其中，當磁場強度為Hm時，相對磁導率μr最大，當磁場強度為H0時，相對磁導率與磁場強度為0時的相對磁導率相等。故當0H0時，磁導率隨著H增大而減小，且隨著磁飽和趨于常數(shù)，在這個區(qū)間，磁導率要小于初始磁導率。所以，增強磁場的目的就是使鋼軌處于H>H0區(qū)間，減小鋼軌磁導率，增加渦流檢測時渦流滲透深度。

圖1 Steel-1008材料磁化曲線Fig.1 Magnetization curve of Steel-1008

圖2所示為本文使用的增強磁場渦流檢測結(jié)構(gòu)，磁軛上纏繞激勵線圈，通入直流電流后，磁軛傳導磁場到被檢鋼軌，增強磁軛下方的鋼軌部分的磁場強度，減小鋼軌的磁導率。同時，在磁軛下放置差分渦流線圈，通入交流電流，在渦流線圈下方形成電渦流。因為鋼軌磁導率減小的緣故，電渦流的滲透深度增大。將磁軛和渦流線圈作為一個整體同時沿著鋼軌移動，可以檢測鋼軌的表面裂紋和埋藏缺陷。

圖2 增強磁場渦流檢測結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of enhanced magnetic field eddy current testing

2 增強磁場渦流檢測仿真研究

采用有限元仿真軟件ANSYS建立磁場增強渦流檢測模型[12-13]，建立2D仿真模型如圖3所示。模型采用瞬態(tài)場仿真，于纏繞在磁軛的線圈上以電流密度形式施加直流激勵，于渦流探頭的線圈上以時間函數(shù)形式施加交流激勵。分別仿真渦流探頭下方不同深度處的電流密度和距離缺陷不同距離處的線圈兩端電壓。

圖3 增強磁場渦流檢測有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model of eddy current testing with enhanced magnetic field

渦流線圈直徑為20 mm，高為12 mm，在其上施加頻率為50 kHz的電流激勵。磁軛線圈和渦流線圈的材料設(shè)為copper，鋼軌材料為Steel-1008，磁軛材料為ferrite，渦流線圈磁芯材料相對磁導率為2000，渦流線圈屏蔽層材料相對磁導率為150。缺陷寬1 mm，深4 mm。

渦流滲透深度δ反映了渦流檢測方法對內(nèi)部缺陷的檢測能力。仿真計算時，在渦流探頭下方作一條深度為2 mm的檢測線，計算出不同深度處的電流密度有效值，當某一深度處的電流密度為表面電流密度的1/e時，這一深度記為渦流滲透深度。

渦流線圈的電壓幅值相位變化量直觀反映了實際檢測時的信號大小。分別改變模型中磁軛的提離l與間距d，對不同磁軛提離l和磁軛間距d時電渦流的渦流滲透深度、線圈經(jīng)過缺陷時的電壓幅值變化量進行比對，可得出磁軛參數(shù)對檢測結(jié)果的影響。

2.1 改變磁軛提離

保持渦流檢測探頭不變，磁軛間距d保持為80 mm，只改變磁軛的提離l，分別為1，2，3，4，5，10，15，20 mm，研究渦流探頭下方鋼軌內(nèi)部電渦流的滲透深度、經(jīng)過缺陷時線圈兩端的電壓與磁軛提離l之間關(guān)系。如圖4所示，當磁軛提離l增大時，渦流的滲透深度呈現(xiàn)減小趨勢，磁軛提離l<5 mm時，渦流的滲透深度減小速度較快；磁軛提離l>5 mm后，渦流的滲透深度減小速度放緩，并且趨近于無增強磁場時的渦流滲透深度(0.058 mm)。

圖4 不同磁軛提離時渦流滲透深度Fig.4 Eddy current penetration dept with different yoke lift off

由此可以得到，增強磁場渦流可以有效增大渦流的滲透深度δ，提高電渦流檢測方法檢測鋼軌深處缺陷的能力，同時，該檢測能力隨著磁軛提離l的增大而減小，若想得到最好的內(nèi)部缺陷檢測效果，需要盡量使磁軛靠近鋼軌。

如圖5所示，當磁軛提離l從1 mm開始增大時，線圈電壓幅值變化量增大；當磁軛提離l達到4 mm時，電壓幅值變化量達到最大；當磁軛提離l繼續(xù)增大時，電壓幅值變化量先迅速下降，后趨于平穩(wěn)，接近無增強磁場時渦流檢測的-0.01 V。

圖5 不同磁軛提離時線圈電壓幅值變化Fig.5 Variation of coil voltage amplitude with different yoke lift off

在較小提離l(l<10 mm)下，增強磁場渦流可增大線圈電壓幅值變化量，電壓幅值變化量在提離為4mm附近達到最大值，擁有最好的表面缺陷檢測效果。隨著提離l增大，線圈電壓幅值變化量趨近無增強磁場時的變化量。由此可以得出：磁軛提離的較小增大即可增加檢測電壓信號的幅值，提高信噪比。

2.2 改變磁軛間距

保持渦流檢測探頭不變，磁軛提離l保持為1 mm，只改變磁軛的間距d，分別為70、80、90、100、110、120 mm，研究渦流探頭下方鋼軌內(nèi)部電渦流的滲透深度δ、經(jīng)過缺陷時線圈兩端的電壓與磁軛間距d之間關(guān)系。如圖6所示，提離l固定為1 mm，當磁軛間距d增大時，渦流的滲透深度δ呈現(xiàn)緩慢減小趨勢，整體仍處于0.57～0.67 mm內(nèi)，沒有達到提離為2 mm時的0.54 mm。

圖6 不同磁軛間距下渦流滲透深度Fig.6 Eddy current penetration depth with different yoke spacing

當磁軛提離l固定時，間距d越大，渦流滲透深度δ緩慢變小，但渦流滲透深度δ始終處于一個區(qū)間，所以，若想更好地檢測出內(nèi)部埋藏檢測，應選用間距d較小的磁軛，以增大渦流滲透深度δ。

圖7 不同磁軛間距下線圈電壓幅值變化Fig.7 Variation of coil voltage amplitude with different yoke spacing

提離l固定為1 mm時，增大磁軛間距d，線圈電壓幅值變化量緩慢增大，整體處于0.15～0.19 V之間，沒有達到提離為2 mm時的0.27 V。

磁軛提離l固定時，間距d越大，渦流線圈經(jīng)過缺陷時的檢測信號幅值越大，實際檢測時獲得的檢測信號越大，適用于表面缺陷檢測。

磁軛的提離l和間距d會對檢測結(jié)果造成影響，且提離l變化帶來的影響遠大于間距d的影響。提離l變大，渦流的滲透深度δ變小，不利于鋼軌內(nèi)部的檢測效果，且較小的提離l能夠增大線圈經(jīng)過缺陷時的電壓幅值變化量，提高渦流信號的信噪比；磁軛的間距d變化相較磁軛提離來說，對檢測結(jié)果的影響較小，在由提離決定的一定區(qū)間內(nèi)，磁軛的間距d越小，渦流的滲透深度δ越大，線圈經(jīng)過缺陷時電壓變化量越小，渦流信號的信噪比減小。

3 增強磁場渦流高速轉(zhuǎn)臺實驗

3.1 實驗平臺介紹

使用高速巡檢實驗平臺對上述仿真過程進行驗證。在轉(zhuǎn)盤式鋼軌樣件上，依據(jù)常見鋼軌裂紋損傷，人為加工了一系列不同類型的表面裂紋和埋藏盲孔。其中，埋藏盲孔m1～m9的示意圖和相關(guān)參數(shù)如圖8和表1所示。

圖8 高速轉(zhuǎn)臺埋藏盲孔示意圖Fig.8 Schematic diagram of buried blind hole of high speed turntable

表1 埋藏盲孔相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relevant parameters of buried blind hole

實驗系統(tǒng)分為交流勵磁部分、直流勵磁部分和信號處理部分。在高速轉(zhuǎn)輪的相切位置放置差分渦流檢測探頭[14]，同時保證兩個線圈對轉(zhuǎn)臺的提離值相近，約為2 mm，以模擬在直軌上的檢測。應用DDS(direct digital synthesizer)電路產(chǎn)生交流激勵信號，通過功率放大器放大后通入差分渦流線圈，經(jīng)過交流電橋[15]產(chǎn)生電渦流信號；在渦流探頭的正上方放置磁軛，在磁軛線圈中通入不同大小的直流電流，以施加直流磁場，磁化鋼軌。差分渦流探頭輸出檢測信號，由采集卡采集激勵信號Ui與檢測信號U0，交由上位機對檢測信號進行解調(diào)，得到缺陷信息。

(a) 高速轉(zhuǎn)臺實驗系統(tǒng)示意圖

(b) 高速轉(zhuǎn)臺實驗系統(tǒng)實物圖圖9 高速轉(zhuǎn)臺實驗系統(tǒng)示意圖與實物圖Fig.9 Schematic diagram and physical diagram of high speed turntable experimental system

采用IQ正交解調(diào)的方法對檢測信號進行解調(diào)。首先對帶通濾波器設(shè)置合適參數(shù)，濾除檢測信號U0中的直流成分和高頻噪聲，同時對激勵信號Ui作相同處理，保證兩者的相位不發(fā)生變化。濾波后兩信號相乘，另將激勵信號移相90°后同樣相乘，低通濾波得到I路信號I(t)和Q路信號Q(t)，最后得到線圈電壓的幅值信號和相位信號。

圖10 IQ正交解調(diào)Fig.10 IQ quadrature demodulation

3.2 檢測實驗結(jié)果分析

在上述實驗平臺上進行實驗，交流激勵頻率為10 kHz，激勵峰峰值為10 V。分別在不施加直流激勵、施加50 V直流激勵、施加100 V直流激勵三種情況下進行轉(zhuǎn)臺實驗。

圖11所示為速度20 km/h時，三種直流激勵條件下轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動一個周期的實驗結(jié)果。探頭經(jīng)過每個缺陷可以解調(diào)得到一個雙峰的差分信號，信號的峰峰值與缺陷的尺寸相關(guān)，選取渦流幅值信號進行對比。由圖11可以看出，不施加直流激勵時難以檢出埋藏缺陷；施加50 V直流激勵的情況下能夠從中辨識出m1、m8、m9三個埋藏缺陷，其他埋藏缺陷則淹沒在噪聲之中；施加100 V直流激勵的情況下能夠較明顯地分辨出m1、m2、m3、m4、m7、m8、m97個埋藏缺陷，并且m1、m8、m9埋藏缺陷的信號幅值要大于50 V直流激勵的情況，更易于區(qū)分。

(a) 無直流激勵

(b) 50 V直流激勵

(c) 100 V直流激勵圖11 不同直流激勵條件下的渦流信號Fig.11 Eddy current signals under different DC excitation conditions

無直流激勵、50 V直流激勵、100 V直流激勵信號峰峰值對比如圖12所示。分析開口裂紋信號的峰峰值可知，在增加直流激勵后，開口缺陷的雙峰信號中的負峰值會顯著增大，并且100 V直流激勵下的增大量要高于50 V直流激勵下的增大量。直流激勵磁軛能夠顯著增大開口缺陷信號峰峰值，并且直流激勵越大，峰峰值提高越大。

圖12 無直流激勵、50 V直流激勵、100 V直流激勵信號峰峰值對比Fig.12 The peak to peak comparison of signal under no DC excitation, 50 V DC excitation, 100 V DC excitation

總結(jié)以上實驗現(xiàn)象可知，當系統(tǒng)僅有交流激勵時，渦流檢測對于埋深1 mm以下的埋藏盲孔檢測困難；增加50 V的直流激勵后，能夠檢出埋深1 mm處，孔徑3 mm以上的埋藏缺陷，較之無直流激勵的情況，開口裂紋的信號峰峰值更大，提高了信噪比；增加100 V的直流激勵后，最深可以檢測到埋深4 mm，孔徑3 mm的m4號埋藏盲孔，并且較之50 V直流激勵，進一步增大了開口缺陷峰峰值，提高了信噪比。因此，采用磁飽和技術(shù)的渦流軌道檢測技術(shù)可以顯著提升對埋藏缺陷的檢出能力，提高缺陷信號信噪比。

4 結(jié)論

(1)提出了一種使用U形電磁鐵給渦流檢測施加直流磁場的結(jié)構(gòu)，增強磁場渦流檢測可以有效提高渦流滲透深度，檢測內(nèi)部埋藏缺陷，同時提高開口缺陷的信噪比。

(2)建立了ANSYS有限元仿真模型，分析了增強磁場對渦流滲透深度δ和渦流檢測信號的影響。增強磁場渦流檢測可以顯著增大渦流滲透深度，并且增大線圈電壓幅值變化量。

(3)進行了增強磁場渦流檢測實驗，證實在高速檢測條件下，增強磁場渦流檢測的檢測效果。成功檢出了埋藏缺陷，增大了開口缺陷的信號幅值。