電渦流檢測之脈沖渦流線圈的初步研究

杜紅亮李合欣王延波李春霞

（山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250102）

電渦流檢測之脈沖渦流線圈的初步研究

杜紅亮李合欣王延波李春霞

（山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250102）

摘要：隨著電磁理論及其實驗的不斷發(fā)展與完善，促進了渦流檢測等無損檢測與評估技術的不斷發(fā)展。在理論上，分析了脈沖渦流線圈中電渦流強度與檢測距離以及電渦流強度和輸入頻率之間的關系。通過試驗，分析了激勵脈沖的頻率、占空比因素對脈沖渦流檢測系統(tǒng)的影響。對采集得到的數據進行分析，可以發(fā)現感應電壓信號的面積差與檢測距離有密切的關系，證明了采用脈沖渦流技術檢測的可行性。

脈沖渦流檢測；脈沖渦流線圈；頻率；占空比

電渦流檢測是近年來發(fā)展快速的一項無損檢測技術。它與射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測并稱為五大無損檢測技術。在傳統(tǒng)渦流檢測手段中，以連續(xù)的信號作為激勵信號，其激勵線圈在工作過程中一直有電流流過，因此功耗大，線圈有嚴重的發(fā)熱現象，脈沖渦流的激勵線圈工作在脈沖形式的激勵下，因此瞬時功率大而平均功耗卻很小。

1.脈沖渦流線圈的工作原理

脈沖渦流線圈采用的是感應電渦流原理。當帶有交變電流的線圈靠近被測金屬時，線圈上的交變電流所產生的交變電磁場便在金屬表面上產生感應電流，電磁學上稱之為電渦流。如果在交變磁場的有效范圍內沒有金屬導體靠近時，則磁場能量就會全部損失；當金屬導體靠近這一磁場時，則在此金屬導體表面產生電渦流。

隨著探頭線圈和金屬導體之間距離x的變化，探頭線圈的阻抗Z、電感L和品質因數Q將會隨探頭線圈和金屬導體之間的互感系數M的變化而變化?？傻贸鎏筋^線圈的阻抗Z、電感L和品質因數Q都可用以x、μ、ρ和f為自變量的函數來表示。因此有：Z，L，Q=f（x，μ，ρ，f）。式中：x為探頭線圈和金屬導體之間距離；μ為金屬導體的磁導率；ρ為金屬導體的電阻率；f為探頭線圈中電流的頻率。假設被測金屬導體是固定的，則μ和ρ都是常數，激勵頻率f設置好后也是常數，則探頭線圈的阻抗Z、電感L和品質因數Q僅是檢測距離x的函數，即：Z，L，Q=f（x）。

根據渦流傳感器的基本原理，可有3種不同的輸出量，即阻抗Z、電感L、品質因數Q。它們之間是相互關聯的，通過設計不同的測量電路，可以直接反映阻抗Z、電感L、品質因數Q的變化，將其轉化為位移x和電壓V的特性曲線，在一定檢測距離范圍內中間一段是線性關系，傳感器線性范圍的大小、靈敏度的高低不僅與阻抗Z、電感L、品質因數Q有直接關系，還與探頭線圈的尺寸和形狀有密切關系。

電渦流強度與檢測距離之間的關系：

當探頭線圈輸入的激勵頻率、被測金屬導體的材料和探頭線圈的材料一定時，在一定檢測范圍內，不同檢測距離下得到的探頭線圈阻抗的實部和虛部是呈線性變化的，且隨著檢測距離的增大，品質因數Q變大，即電渦流強度減弱。

電渦流強度與輸入頻率之間的關系：

當檢測距離、被測金屬導體材料和探頭線圈的材料一定時，隨著輸入頻率的增大，品質因數Q變大，即電渦流強度減弱。

2.脈沖渦流線圈的初步研究

渦流線圈是20世紀70年代興起的一種以電磁感應為原理的無損、非接觸位移、振動檢測裝置，具有靈敏度高、抗干擾能力強、不受介質影響、結構簡單等優(yōu)點。

本文設計的脈沖渦流線圈是以提離為檢測量的傳感器，希望有較大的線性范圍和較高的靈敏度。

下面對矩形柱和圓柱線圈的軸線磁場分布進行分析。

3.矩形柱和圓柱線圈的模型

圖1　線圈形狀及幾何參數

圖2　圓柱狀的探頭線圈模型

本文研究的線圈形狀以及相關參數如圖1（a）、圖1（b）所示。線圈形狀包括圓柱線圈和矩形柱線圈。對于圓柱線圈，幾何參數包括線圈高度h、內半徑Ra和外半徑Rb；對于矩形柱線圈，主要包括線圈高度h、長b、寬c和e。

（1）矩形柱線圈軸線上的磁場分布

矩形柱線圈，可以想象成很多個單匝矩形線圈疊加而成。設線圈底面中心的坐標為（0，y，0），線圈的匝數為N，線圈的截面積為A，線圈匝數密度為D（D=N/A）。當線圈中流過電流I時，電流密度Δi為DI。此時計算微面dx′dy′和dz′dy′上的電流密度分別為（NI/eh）dx′dy′和（NI/eh）dz′dy′。參考文獻[2]，可以推導出具有矩形截面的矩形柱線圈對稱軸（Y）上任一點的磁感應強度為：

由于含有二重積分而且被積函數較復雜，導致矩形柱線圈對稱軸線上任意一點上的磁場分布不易獲得。

（2）圓柱線圈軸線上的磁場分布

文獻[4]推導出具有矩形截面的圓柱線圈對稱軸上的磁感應強度為：

式中：Ra為圓柱線圈的內徑，Rb為圓柱線圈的外徑，h為圓柱線圈的厚度，C=（y+h）/2。

只要提離高度y給定，即可獲得圓柱對稱軸上任一點的磁場分布。

可得到如下結論：

①線圈厚度越薄，BP越大，傳感器的靈敏度越高，但線性范圍窄。

②線圈外徑越小，BP越大，傳感器的靈敏度越高，線性范圍窄；線圈外徑越大，BP越小，渦流損耗越小，線性范圍寬，但傳感器的靈敏度低。

③改變線圈的內徑對傳感器的特性影響不大，只是在x=0時，靈敏度稍有變化。

通過有限元分析可知，圓柱線圈作用下的傳感器的磁感應強度和被測體中的渦流強度都大于矩形柱線圈作用下的磁感應強度和渦流強度。由此可知，在相同條件下，圓柱線圈的磁場作用更強。

根據上面的理論分析，本文初步采用了圓柱狀的探頭線圈，具體模型如圖2所示。這兩個線圈是串聯的，且電流方向是相反的。線圈的尺寸：匝數216匝，內半徑12mm，外半徑15mm，高度15mm，銅導線的直徑0.31mm。

4.試驗結果及分析

試驗進行了占空比20%、25%、30%、35%、40%情況下，不同頻率對線圈電壓變化量的影響，如圖3所示。

由以上各圖的分析，我們可以得出：脈沖激勵的占空比和頻率的變化都會影響線圈電壓變化，而且同一占空比下，頻率太高或太低線圈電壓變化都會減小。通過對比不同占空比和頻率下線圈電壓的變化可知：在占空比為20%，頻率在700Hz～900Hz之間線圈電壓的變化是最大的。

圖3　不同占空比情況下，頻率—線圈電壓變化量曲線圖

結語

本文對設計的方案進行試驗研究，并驗證了理論的正確性和方案的可行性。有以下結論：脈沖激勵的占空比和頻率的變化都會影響線圈電壓變化，而且同一占空比下，頻率太高或太低線圈電壓變化量都會減小。通過對比不同占空比和頻率下線圈電壓的變化可知：在占空比為20%，頻率在700Hz～900Hz之間線圈電壓的變化是最大的。

[1]任吉林，林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學出版社，2008.

[2] GARCIA A, CARRASCO JA, SOTO JF, etal. A method for calculating themagnetic field produced by a coil ofany shape. Sensors and Actuators A, 2001（91）: 230-232.

[3]徐可北，周俊華.渦流檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]張寶裕，劉恒基.磁場的產生[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

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