Page 63 - 无损检测2023年第九期
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任 毅, 等:
基于“八”字形激励的涡流探头设计与分析
性强、 检测高效、 不需要耦合剂等优点, 有很好的应 成的柔性线圈, 仿真和试验结果表明该线圈可有效
用前景 [ 5 ] 。 抑制感应电压中的提离噪声等共模分量, 提高对方
涡流检测技术在金属材料检测中已经有了大量 向性裂纹的检测灵敏度信噪比。
的研究及一定的应用。尤其近年来, 随着探头制作 虽然柔性线圈能够提高探头对缺陷的检测能
工艺的不断发展, 柔性平面涡流探头逐渐成为涡流 力, 但由于柔性线圈的能量较弱, 当提离比较大时,
检测技术的研究重点。基于柔性基底设计的涡流探 其检测能力普遍较差。基于此, 文章设计了一种能
头可检测具有复杂平面的结构, 适应性强, 同时可减 够在较大提离下使用的柔性探头, 并对其检测原理
小提离对信号的影响, 因此获得了越来越多的关注。 和性能进行了仿真和试验研究。
BURKE 等利用三维模型研究了矩形曲面 [ 6 ] 和圆形
曲面 [ 7 ] 柔性探头的线圈阻抗解析解, 为曲面线圈和 1 检测原理
曲面阵列探头的特性研究奠定了基础。丁华等 [ 8-10 ] 常用柔性涡流探头的检测原理与常规涡流检测
提出了一种花萼状柔性平面涡流阵列探头用于飞机 原理相同。柔性涡流探头检测原理如图1所示, 在
金属结构的疲劳监测, 该探头能够定量感知裂纹损 激励线圈中通入频率为 f 的正弦交变电流后, 会在
伤 径 向 尺 寸 和 裂 纹 损 伤 角 度。 MUKHOPA 空间中生成相同频率的一次磁场, 该磁场在试件表
[ 11 ] 研究了曲性、 网状和插指式平面电磁探 面感生出涡流; 试件表面涡流的变化会产生与一次
DHYAY
头, 该探头已成功应用于近表面材料、 电镀材料的电 磁场方向相反的磁场, 被称为二次磁场; 一次磁场和
导率测定和空洞的检测中。陈祥林等 [ 12 ] 基于柔性 二次磁场均在感应线圈两端产生感应电动势, 即检
印刷电路版工艺设计了 X 形分叉结构探头, 该探头 测信号。显然, 一次磁场直接耦合到接收线圈产生
有较高的灵敏度, 可满足大面积金属曲面部件位置 的信号U 0 与试件无关, 而二次磁场耦合到接收线
的实时监测。 XIE 等 [ 13 ] 设计了一种用于检测平面 圈中产生的信号 ΔU 包含构件缺陷信息, 是检测所
或复杂几何形状材料微小缺陷的新型柔性涡流探 需的信号。对于柔性涡流探头, 当激励与接收线圈
头, 由于该探头采用了4层结构, 提高了驱动绕组与 的结构采用上下层平行设计时( 接收线圈如图1中
传感元件之间的互感, 故其在小缺陷检测中具有较 红线所示), 直接耦合信号U 0 对检测信号的干扰较
高的信噪比, 精度优于1mm 。此外, 能减小共模干 大; 而当激励与接收线圈的结构采用左右设计时( 接
扰, 提 高 信 噪 比 的 探 头 结 构 也 得 到 了 研 究。 收线圈如图1中蓝线所示), 虽然直接耦合产生的干
[ 14-15 ] 提出了一种圆形的柔性探头用于检 扰较小, 但接收线圈与试件中涡流场区域的距离较
ROSADO
测搅拌摩擦焊接头的缺陷, 该探头具有抗干扰能力 大, 导致 Δ U 也较小, 从而降低了线圈的检测能力。
强、 能够抑制共模信号、 容易识别小信号等优点, 可 因此, 对于柔性线圈, 需要在减小直接耦合信号的同
检测深为 0.5 mm 、 宽为 400 mm 的缺陷。随后, 时保证线圈的检测能力。
ROSADO 在上述探头的基础上又提出了由2条正
交激励和4组接收线圈组成的新型差分结构柔性线
圈, 该线圈可以动态控制感应涡流, 解决了检测与激
励线 圈 对 垂 直 方 向 缺 陷 不 敏 感 的 问 题。 CAI
等 [ 16-17 ] 采用柔性印制电路板技术设计了一种带有
激励线和接收线的4层柔性卷绕, 并安装在直径为
28.6mm 的传感器支架上, 该传感器可有效抑制共
模信号从而提高灵敏度。 LIU 等 [ 18 ] 针对传统涡流
探头检测金属材料埋藏缺陷分辨率低的问题, 设计
图1 柔性涡流探头检测原理示意
了一种基于柔性 PCB 技术制造的零偏移平面涡流
对此, 文章设计了基于“ 八” 字形激励的柔性涡流
传感器阵列, 仿真和试验结果表明, 该探头可检测铝
探头, 如图2所示。其中, 接收线圈平行试件放置, 两
合金试件表面下 0.5mm 深度的埋藏缺陷, 将埋藏
个激励线圈呈“ 八” 字形放置在接收线圈上方。由于
缺陷的检测分辨率提高了1000倍以上。 LI等 [ 19 ]
激励线圈产生一次磁场的方向并非接收线圈的磁场
设计了一种由两个相互正交的“ 八” 字形接收线圈组
敏感方向, 因此该结构可减小直接耦合作用的影响;
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2023年 第45卷 第9期
无损检测
