Pulsed eddy current probe based on rotating blade-shaped excitation coils
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摘要:
脉冲涡流检测裂纹时,微裂纹在感应涡流中产生的扰动微弱,检测信号的信噪比低；另一方面,单向扫查下的常规脉冲涡流探头难以获得多向裂纹检测的最大灵敏度和判断裂纹方向。提出一种采用机电旋转脉冲涡流激励线圈的检测方法,实现了多方向微裂纹的高灵敏度检测。刀片式激励线圈具有明显的聚磁性与方向性,机电旋转激励线圈后可以获得不同转角下的接收信号,将该接收信号与基准信号进行差分,提取出微小的峰值变化量,得到角度与峰值变化量之间的图谱。试验验证与测试结果表明：基于刀片式激励线圈在空心接收线圈内旋转的脉冲涡流探头不仅具有亚毫米级裂纹深度区分的检测能力,且能有效分辨裂纹方向,误差为±5°。
Abstract:When using pulsed eddy current for crack detection, the disturbances generated by microcracks in the induced eddy currents are weak, resulting in a low signal-to-noise ratio in the detection signal. On the other hand, when scanning cracks in multiple directions with a conventional pulsed eddy current probe, it is difficult to achieve maximum sensitivity and determine the crack orientation. This paper proposed a detection method using a mechatronic rotating pulse eddy current probe, which achieved high-sensitivity detection of microcracks in multiple directions. The blade-shaped excitation coil exhibited significant magnetization and directionality. After the mechatronic high-speed rotation of the excitation coil, detection and receiving signals were obtained at different angles. These received signals were then differentially compared with a reference signal to extract small peak variations, creating a map of the relationship between angle position and peak variation. The results of experiment verification and testing indicated that the probe based on the blade-shaped excitation coil rotating within a hollow receiving coil not only had the capability to distinguish crack depths at the sub-millimeter level but also can determine the orientation of cracks with an error of ±5°.
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钢板广泛应用于国民经济的各个领域,是机械、化工、桥梁、建筑、船舶与车辆制造以及航天等领域中不可或缺的工业原材料[1]。生产过程中的残余应力与使用过程中的疲劳会导致钢板表面形成各类型缺陷[2]。涡流检测广泛应用于石化、航天等行业的表面缺陷检测,然而自然裂纹常以复杂形式存在,裂纹扰动涡流产生的磁通量密度会叠加在一起,而难以准确评估[3]；同时,一些涡流检测探头对裂纹方向不敏感[4]。因此,提升裂纹检测精度,检测裂纹方向是涡流检测发展的难点[5]。脉冲涡流检测是一种基于常规涡流检测发展起来的电磁无损检测技术,在检测裂纹缺陷方面已有相关研究与应用。与传统涡流正弦波激励不同,脉冲涡流以方波为激励源,通过方波的上升沿或下降沿激励,激励线圈中的瞬时功率更高。
脉冲涡流检测一般通过信号处理与探头结构设计两种策略来提升检测灵敏度。赵莹等[6]研究了激励信号对裂纹检测的影响,仿真结果显示50%的占空比和更短的上升时间有利于裂纹缺陷检测灵敏度的提升。周德强等[7]通过提取脉冲涡流检测信号中的峰值与峰值时间两个特征值,应用了主成分分析法将表面裂纹、亚表面裂纹与腐蚀裂纹进行分类。然而传统线圈受自身结构所限,对微裂纹检测灵敏度较低,此问题仅通过信号处理的方法难以解决。在探头结构设计上,一方面可提升单探头灵敏度；另一方面通过探头之间的差动联接来提升探头灵敏度。矩形探头具有方向性,其产生的感应涡流比圆形探头的更加均匀[8],张玉华等[9]基于近似均匀的场分布对缺陷尺寸和形状变化敏感的特性,研究脉冲涡流中三维磁场的缺陷特征,进一步使用矩形脉冲涡流传感器对缺陷进行评估。周德强等[10]通过设计矩形差分探头,提升对缺陷的检测能力。上述研究主要针对裂纹缺陷的检测灵敏度进行提升,而对于裂纹缺陷方向的判断,在脉冲涡流检测中却少有研究与提及。
针对裂纹缺陷方向特征,当前主要是基于涡流的电磁场旋转和基于交流电磁场检测(ACFM)的电场旋转进行判断。陈涛等[11]设计了一种立方体式的旋转涡流探头,通过不同的激励信号相位,能够在0.3~1.2 mm的提离内识别焊缝缺陷方向；郭庆等[12]基于U形ACFM探头的涡流效应,设计了一种星形磁芯的旋转探头,并发现采样点处磁场信号的By-Bx曲线长轴的倾斜角度与裂纹方向呈线性关系,但是,ACFM检测方法受探头结构尺寸的限制,测试时的灵活性也受到探针尺寸的限制[13-14]。BARRARAT等[5]设计了一种新的旋转均匀涡流（RUEC）探头,该探头保证了旋转涡流的均匀性；殷晓康等[15]设计了一种外穿式旋转电磁场涡流检测系统,对金属管进行旋转覆盖检测。无论是裂纹缺陷检测,还是裂纹缺陷方向判断,其缺陷尺寸多为毫米级及以上,对亚毫米级裂纹检测的研究较少。
文章在脉冲涡流检测技术的基础上,对检测多向微裂纹进行研究。首先设计了一种刀片式旋转脉冲涡流探头,其结构简单、体积小巧；进一步地设计了机械旋转刀片式探头,通过激励端在内部转动激励,接收端在外部静止接收；最后通过试验对不同方向的裂纹缺陷进行检测,验证了该旋转探头的检测能力。
1. 刀片式激励线圈旋转脉冲涡流探头
脉冲涡流检测以方波为激励源,根据电磁感应原理,交变电场会瞬间产生一个快速变化的脉冲磁场,即一次磁场,进而感生出涡流,由涡流产生的二次磁场与一次磁场叠加在一起,其中二次磁场能间接反映试件的参数与特征,其检测原理如图1所示。
旋转探头的激励端由刀片式铁芯与线圈组成。激励端的线圈相当于多匝矩形环流,结合毕奥-萨伐尔定律和叠加原理,可得到z方向上的磁感应强度的矢量和为
(1) 式中:B1z,B2z,B3z,B4z分别表示矩形线圈四条边对空间点产生的z方向上的磁感应强度,其强度叠加示意如图2所示[16]。
当线圈长度一定时,减小其宽度,B1z,B2z,B3z,B4z均增加。在保证线圈参数与激励参数一定的情况下,刀片式激励线圈具有的结构窄薄特点,能够有效聚集激励磁场,感应涡流将汇聚在较小的范围内,同时刀片式铁芯能够增强线圈周围的磁场强度,所以在保证探头检测能力不变的前提下,可以减小线圈的体积,降低激励线圈所需的功率,提高能量利用率[17]。铁芯在激励线圈内可以产生聚集的脉冲强磁场,增大一次磁场,降低涡流损耗,提高检测灵敏度[18]。与圆形线圈、矩形线圈产生的感应涡流不同,刀片式线圈产生的感应涡流向两端汇聚；同时铁芯也为刀片式结构,传统圆柱形铁芯的几何形状对磁场方向不敏感,而刀片式铁芯长边上的磁场线更容易通过铁芯,铁芯聚磁具有方向性。平行于探头的裂纹与垂直裂纹的涡流密度分布绝然不同。
基于上述原理,为了检测亚毫米级微裂纹并对裂纹缺陷进行方向判别。文章设计了一种基于脉冲涡流检测的旋转探头,其结构如图3所示。该旋转探头外层为圆筒形接收线圈,内层为激励线圈和铁芯。刀片式激励端以方波为激励源,与传统的涡流正弦波激励不同,其瞬时功率更高。针对微裂纹检测,其检测精度取决于对涡流自身流动模式的扰动程度[19]。刀片式激励端具有聚磁性,能够提升探头在微裂纹检测中的灵敏度。由于刀片式激励端窄薄的结构特征,其产生的感应涡流均匀且具有方向性。与正弦波不同,方波在相位相差的情况下叠加,不会产生旋转电磁场,所以文章采用机械旋转方式将检测幅值与机械转动角度直接关联,以高分辨率地判断裂纹方向。与电磁旋转探头比较,脉冲涡流旋转探头仅需一个激励源,探头整体结构简单、体积小巧。
2. 刀片式激励端仿真与参数优化
为了验证刀片式旋转探头设计的可行性,根据上述原理,旋转探头的激励端具有聚磁性与方向性两种性质。采用COMSOL Multiphysics 6.0软件进行仿真模型的建立与分析,构建的三维仿真模型如图4所示。刀片式激励线圈材料为铜,长度为3.5 mm,宽度为1.0 mm,高度为3.6 mm；圆筒形接收线圈材料为铜,内径为3.9 mm,外径为4.5 mm,高度为3.6 mm；铁芯材料为硅钢,磁导率取7 000,长度为3.0 mm,宽度为0.2 mm,高度为6.0 mm；试件材料为钢,相对磁导率取400,宽度为20.0 mm,厚度为3.0 mm,缺陷尺寸宽度为0.5 mm,深度为0.5 mm。
采用电压为5 V、频率为200 Hz,占空比为50 %的方波激励。选择COMSOL仿真软件中的磁场作为物理场,研究步骤为瞬态求解,直接对模型进行求解计算。分析线圈下感应涡流密度的分布情况：有铁芯的激励线圈产生的感应涡流为无铁芯激励线圈产生的感应涡流的数倍,有铁芯的激励线圈两端的涡流密度更高,其涡流密度分布如图5所示。刀片式激励端能够有效使感应涡流汇聚。
在试件上通过差集加入裂纹缺陷后,将激励端分别旋转0°,45°,90°来分析试件上感应涡流的分布情况（见图6）,其中角度代表激励端与裂纹缺陷的夹角度数。虽然激励端与裂纹缺陷夹角不同,但激励磁场激发的感应涡流方向一致,总是聚集于两端。裂纹缺陷在感应涡流中的扰动不同,使得同一缺陷在不同方向下的检测具有差异性。
脉冲涡流的工作模态是激励-接收形式,可以通过优化激励端,进一步提升探头的检测性能。根据上述刀片式激励端的聚磁原理,对于相同参数的裂纹缺陷,不同宽度的刀片式激励端的激励效果不同。即研究0.1~1.0 mm亚毫米级裂纹对应的最优铁芯厚度。相关参数与上述一致,仅改变激励端宽度与缺陷宽度。设定缺陷宽度为0.1~1.0 mm（步长为0.1 mm）,深度为0.5 mm。选择COMSOL仿真软件中的磁场作为物理场,研究步骤为参数化扫描与瞬态求解,直接对模型进行求解计算。在激励端铁芯厚度为0.1~1.0 mm的情况下,分析缺陷处磁场强度分布情况,对缺陷处磁通密度B积分后取平均,定义为缺陷处等效磁通密度Bz,如图7所示。由图7可见,随着缺陷宽度增加,对应最大Bz的铁芯厚度也在增加；当铁芯厚度一定时,缺陷宽度近似等于铁芯厚度,缺陷处Bz较大。厚度为0.2~0.3 mm的铁芯在各缺陷宽度下与最大值相差较小,为最优厚度范围。同时,厚度大于0.2 mm的铁芯在实际应用中易加工且耐用性更好。
根据上述激励端聚磁性与方向性的仿真分析验证,选取圆筒形线圈作为接收端。由于圆筒形线圈无方向性,故接收端的信号幅值仅与磁通量变化量有关,进一步,与激励端和裂纹缺陷的相对位置有关。探头优化后的参数如表1所示。后续试验使用该参数下的旋转探头进行。
Table 1. 旋转探头参数表项目 参数值 激励线圈尺寸（长×宽×高） 3.5×1.0×3.6 接收线圈内径 3.9 接收线圈外径 4.5 线圈线径 0.1 铁芯厚度 0.25 3. 试验验证
3.1 试验平台
脉冲涡流检测装置由脉冲激励电路、数据采集电路、功率放大电路、探头等组成。其中脉冲激励电路用来产生激励方波信号,方波信号的电压为5 V,频率为200 Hz,占空比为50 %。检测试件为刻伤槽钢板,伤槽长度为20 mm,深度分别为0.3,0.5,0.8 mm。试验平台实物如图8所示。
为了验证该旋转探头对多向微裂纹的检测能力,探头激励端通过机械臂连接转动,可保证转动稳定,外部接收端保持静止（见图9）。由于脉冲涡流检测信号中包含一次磁场与二次磁场,但裂纹缺陷信号主要由二次磁场引起,一次磁场产生的信号为材料与空气的背景信号,为了直观显示微细裂纹缺陷信号,文章采用自差分检测方式。即,机械臂开始运行时,在无缺陷处对旋转探头进行激励并获取接收信号,将其作为基准信号；在检测过程中,将接收信号与基准信号进行差分,获取差分信号,再提取差分信号峰值。旋转探头扫查示意如图10所示。定义探头激励端与机械臂移动的平行方向为0°方向,与该方向平行的裂纹方向角度为0°角。探头旋转方向为顺时针旋转,速度为2 rad·s-1。
3.2 刀片旋转探头检测试验
将旋转探头先放置于试件无缺陷处取得基准信号,在旋转状态下依次获取伤槽的旋转信号。以旋转角度0°为例,提取0°角度接收信号与基准信号；将接收信号与基准信号进行差分,如图11所示。
依次提取不同旋转角度的差分信号峰值,与转动角度对应,数据处理后绘制图谱,x轴为转动角度,y轴为差分信号峰值,如图12所示,可见,随着裂纹深度增加,不同角度区分度增加。由于旋转的对称性,试验只旋转180°。1~3刻伤槽的旋转检测信号如图13所示,可知在0°到180°旋转检测中,0°与180°时差分峰值最小,0°~90°与90°~180°的变化趋势相反；由于旋转探头存在扫查误差,图谱中信号不能完全对称,而是呈现相对对称的趋势。可得其检测信号与实际裂纹角度方向误差在±5°。
将获得的缺陷处旋转信号峰值进行平均,定义为裂纹缺陷的等效深度h,对应3组伤槽深度分别为h1,h2,h3。3组伤槽深度差异能够有效被等效深度区分。不同裂纹缺陷旋转检测信号及等效深度如图14所示,可见,不同裂纹缺陷旋转信号幅值平均值不同,即等效深度h不同,随着裂纹缺陷深度增加,等效深度h值更小,表明旋转探头能够有效区分不同裂纹深度。
4. 结论
基于刀片式线圈与铁芯,设计了一种脉冲涡流旋转探头,通过仿真构建模型验证了探头的聚磁性与方向性,并优化了旋转探头激励端参数,最后,搭建试验平台对旋转探头进行了试验测试,得出以下结论。
（1）刀片式线圈与铁芯能够有效汇聚感应涡流,提升检测灵敏度。针对亚毫米级（0.1~1.0 mm）的裂纹,选取厚度为0.25 mm的铁芯能够有效聚集激励磁场,增大裂纹在感应涡流中的扰动程度。同时该探头具有方向性,能够在不同方向裂纹上保持感应涡流方向的一致性。
（2）钢板刻伤槽旋转接触试验表明,旋转角度与差分信号峰值可以一一对应,能够在高分辨率下判断裂纹方向,误差控制在±5°；通过等效深度可有效区分不同深度裂纹。
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