基于電渦流原理的無損檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

摘 要：電渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理的一種常規(guī)無損檢測(cè)方法。從麥克斯韋方程出發(fā)，采用交流線圈為檢測(cè)工件提供激勵(lì)磁場(chǎng)，利用電磁感應(yīng)原理，分析缺陷附近電磁場(chǎng)變化，使用巨磁電阻在缺陷附近輸出電壓的變化，設(shè)計(jì)電渦流無損檢測(cè)方案。經(jīng)過Comsol進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該方法能較好的檢測(cè)金屬缺陷。

關(guān)鍵詞：電渦流；巨磁電阻；缺陷檢測(cè)

無損檢測(cè)（Nondestructive Testing，NDT）是采用各種方法，以不破壞被測(cè)對(duì)象完整性和整體功能為前提，檢測(cè)、定位、分類和定量評(píng)估完整性而進(jìn)行的檢測(cè)[1]。常用的探傷方法包括渦流探傷、射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷等方法[2]。超聲檢測(cè)需要耦合劑，較難辨識(shí)缺陷性質(zhì)和種類，需借助一定方法和技術(shù)，且難以對(duì)多層結(jié)構(gòu)試件內(nèi)缺陷進(jìn)行檢測(cè)；射線檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜、昂貴、便攜性差，對(duì)人體有害，檢測(cè)成本高；超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)需一定的檢測(cè)厚度，對(duì)于試件表面淺層距離內(nèi)的缺陷均難以識(shí)別；滲透檢測(cè)難于檢測(cè)內(nèi)部缺陷，通常內(nèi)部帶有支撐結(jié)構(gòu)，且被測(cè)試件厚度通常不超過10 mm[3]。

電渦流無損檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于其他無損檢測(cè)方法，由于其在檢測(cè)過程中不需要耦合劑，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量，工藝簡(jiǎn)單且成本低，操作容易，檢測(cè)過程具有快速性和安全性，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量較簡(jiǎn)單，在導(dǎo)電材料的無損檢測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的前景[4]。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)焊接缺陷的電渦流檢測(cè)熱點(diǎn)問題開展了大量研究。目前，在焊接過程監(jiān)測(cè)和焊縫裂紋檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，電渦流檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用。但是由于焊接缺陷的檢測(cè)過程中常常存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、干擾量多等因素，導(dǎo)致焊接缺陷的電渦流檢測(cè)過程十分困難，因此檢測(cè)靈敏度低，檢測(cè)可靠性不高。

1 電渦流檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)被測(cè)金屬中存在缺陷時(shí)，金屬內(nèi)部原有渦流和磁場(chǎng)的空間分布發(fā)生改變，進(jìn)而通過檢測(cè)渦流和磁場(chǎng)分布識(shí)別缺陷[5]。巨磁電阻（Giant Magneto Resistance GMR）傳感器的引入提高了低頻激勵(lì)條件下的檢測(cè)靈敏度，該傳感器利用GMR 效應(yīng)，指磁場(chǎng)材料的電阻率在外加磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電阻率變化的現(xiàn)象[6]。由于GMR傳感器還具有敏感軸特性，即與敏感軸平行方向磁場(chǎng)對(duì)其輸出影響大，而與敏感軸正交方向磁場(chǎng)對(duì)其輸出影響小，基本可忽略不計(jì)。根據(jù)這一特性，可分別檢測(cè)不同方向缺陷磁場(chǎng)強(qiáng)度。在實(shí)際檢測(cè)中，令GMR敏感軸正交于激勵(lì)磁場(chǎng)，因而無缺陷情況下GMR無輸出，而缺陷的存在改變導(dǎo)體內(nèi)部渦流分布，使得產(chǎn)生敏感軸方向二次磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)被GMR獲取并輸出，因而其輸出信號(hào)包含缺陷信息。因此，目前常用傳感器檢測(cè)方向?yàn)樗椒较蛘挥诩?lì)磁場(chǎng)（Hx方向）及豎直方向正交于激勵(lì)磁場(chǎng)（Hz方向）兩種。本文設(shè)計(jì)傳感器檢測(cè)方向Hz研究?jī)煞较蛘挥诩?lì)磁場(chǎng)（Hz方向），設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。巨磁電阻水平放置于激勵(lì)線圈內(nèi)部，使其與感生磁場(chǎng)方式垂直，可獲取更多缺陷信息。

2 電渦流檢測(cè)理論

麥克斯韋方程組（1-4）是電渦流檢測(cè)中，電磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)，利用交變的電場(chǎng)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)分布在被測(cè)試件區(qū)域，形成感應(yīng)電磁場(chǎng)，當(dāng)傳感器探頭接近感應(yīng)電磁場(chǎng)時(shí)，即在探頭上形成交變電場(chǎng)。

H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，J為電流面密度，D為導(dǎo)體表面電通量密度，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，q為電荷量。式（1）表示全電流方程，表明傳導(dǎo)電流及變化電場(chǎng)均能產(chǎn)生磁場(chǎng)。式（2）為推廣的電磁感應(yīng)定律，其表明變化磁場(chǎng)亦可產(chǎn)生電場(chǎng)。式（3）為磁通連續(xù)性原理，其表明磁力線是無頭無尾的閉合曲線。式（4）為高斯定理，其表明電荷以發(fā)散的方式產(chǎn)生電場(chǎng)。麥克斯韋方程組微分形式為：

3 缺陷電磁場(chǎng)機(jī)理分析及仿真

建立交流激勵(lì)線圈在金屬導(dǎo)體上的電磁場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型，分析金屬導(dǎo)體上缺陷有無缺陷時(shí)，磁場(chǎng)分布，為下一步GMR傳感器感生電場(chǎng)分析提供理論依據(jù)。在分析磁場(chǎng)模型之后，采用Comsol軟件建立電磁場(chǎng)模型如圖2所示。

3.1 無缺陷模型分析

4 GMR傳感器的電渦流檢測(cè)技術(shù)

GMR傳感器的敏感軸方向平行于圖6所示的y軸方向時(shí)，I1、I2都會(huì)產(chǎn)生平行于敏感軸方向的磁場(chǎng)分量，同時(shí)GMR傳感器芯片在線圈的中心位置，即渦流的中心位置，GMR 傳感器的輸出為渦流I1和I2在GMR傳感器所在位置磁場(chǎng)的疊加。

4.1 磁場(chǎng)分析

4.2 GMR傳感器輸出原理

GMR傳感器電路原理圖如圖8所示，R1、R2、R3、R4配置成惠斯通電橋，R2、R4兩個(gè)電阻被屏蔽，當(dāng)磁場(chǎng)變化是不受影響。R1、R3未被屏蔽，位于外部磁場(chǎng)時(shí)，巨磁電阻R1、R3輸出很小，位于缺陷周圍時(shí)，R1、R3阻值變化非常大，從而GMR芯片有輸出：Uout=k3By=k3k2I，k3為GMR傳感器的靈敏度系數(shù)。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)閉合導(dǎo)體回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流，GMR傳感器能夠直接對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量并且轉(zhuǎn)化成電壓值，所以在電渦流檢測(cè)過程中十分方便。使用常規(guī)線圈作為檢測(cè)傳感器時(shí)，根據(jù)法拉第定律，線圈的感應(yīng)電壓為：Vcoil=kc，kc為比例系數(shù)。在正弦激勵(lì)下，即B=sin（2πft+θ）時(shí)：

經(jīng)過仿真得到GMR傳感器輸出電壓變化如圖9所示，在缺陷的邊緣部分，輸出電壓迅速變化，在遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域，輸出電壓趨于平穩(wěn)。因此當(dāng)傳感器以用平掃方式經(jīng)過缺陷時(shí)，輸出電壓信號(hào)產(chǎn)生極性、相位、幅值的變化，為電渦流無損檢測(cè)的應(yīng)用研究提供了理論依據(jù)。

5 總結(jié)與展望

本文從電渦流檢測(cè)原理出發(fā)，使用交流矩形線圈做激勵(lì)，通過對(duì)麥克斯韋方程的解析，定量分析了缺陷周圍電磁場(chǎng)的變化，定性得到電磁場(chǎng)變化對(duì)GMR傳感器輸出的影響，得出電渦流無損檢測(cè)技術(shù)的理論可行性。使用Comsol軟件對(duì)激勵(lì)磁場(chǎng)、被測(cè)試件及缺陷信息分別建立模型，對(duì)缺陷周圍電磁場(chǎng)及GMR傳感器輸出電壓建模仿真，得出缺陷周圍電磁場(chǎng)傳感器輸出明顯變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了電渦流無損檢測(cè)方法對(duì)于金屬導(dǎo)體缺陷檢測(cè)的可行性。

本文初步分析了缺陷周圍電磁場(chǎng)變化理論，下一步應(yīng)從實(shí)驗(yàn)角度設(shè)計(jì)電渦流無損檢測(cè)裝置，采集缺陷數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，定量研究缺陷附近電磁場(chǎng)變化。同時(shí)，本文只對(duì)缺陷周圍電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，未涉及到缺陷的深度，在這方面應(yīng)進(jìn)一步深入研究。另外應(yīng)深入分析缺陷數(shù)據(jù)，以求得到更多缺陷信息并定量分析。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：趙治月，男，河北滄縣人，滄州師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院講師，工學(xué)碩士，研究方向：過程檢測(cè)與控制。