Page 58 - 无损检测2023年第十期
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王 晋, 等:

   基于双切向涡流的阵列探头设计及仿真

   在带涂层设备检测中具有很好的应用前景。                               1 检测原理
       目前, 涡流检测技术已经在带涂层设备缺陷检
   测中有了大量的研究及一定的应用。彭旭钊等                      [ 1 ] 采  1.1 切向涡流基本原理
   用差动式线圈对钢管孔类缺陷进行检测。李正龙                               对于一般的涡流检测探头, 磁场直接耦合产生
   等 [ 2 ] 采用互感式涡流传感器完成了对飞机多层结构                      的U 0 ( 激励与接收线圈有接耦合产生的电压信号)
   腐蚀情况的检测。此外, 科研人员围绕涡流探头的                           信号幅值比 ΔU ( 激光与接收线圈通过试件间接耦
   优化也做了大量研究工作。张雯等                [ 3-4 ] 研究了“ 8 ” 字  合产生的电压信号, 包含试件信息) 大, 且U 0                容易
   型聚焦线圈的特性, 发现相比于平行于导体表面放                           受到提离、 线圈轴心距等信号的影响, 从而降低探头
   置的线圈,“ 8 ” 字形线圈激励的涡流能量分布更集                        的检测性能, 因此, 需尽量减少直接耦合磁场 H 1                  对
   中, 更有利于磁场聚焦。 ZHOU 等            [ 5 ] 利用矩形线圈       接收线圈的影响。在此基础上, 笔者采用了切向涡
   脉冲涡流检测三维有限元模型研究了线圈尺寸对信                            流探头, 其检测原理如图1所示。首先, 将激励线圈
   号的影响, 为不同检测情况下探头的设计和选择提                           和接收线圈正交放置, 同时保证激励线圈的轴线与
   供了指导。何赟泽等          [ 6-7 ] 设计了一种三维脉冲涡流            试件表面平行, 则由于激励线圈产生的一次磁场
   探头, 该探头由一个矩形激励线圈和三个接收线圈                           H 1  主要集中在其轴线方向, 而接收线圈对此方向
                  、          三个方向上的磁场曲               的磁场变化不敏感, 故可减小一次磁场对检测信号
   组成, 可获取 B x B y     与 B z
   线, 并提出使用三维蝶形图对缺陷进行识别, 为实现                         的影响。其次, 试件中感应出的涡流场具有一定的
   飞机机身缺陷的成像提供了参考。 YUSA 等                    [ 8 ] 改  方向性, 如图1中的蓝线所示。考虑到该类涡流场
   变了 TR 探头( 双晶直探头) 中接收线圈的位姿, 使                      对某一方向的裂纹缺陷不敏感, 因此为消除检测盲
   其与构件表面相切, 结果表明利用这种传感器结构                           区, 采用两个相互正交的激励线圈作为激励, 同时保
   能够检测到趋肤深度以下的缺陷。徐帅                   [ 9 ] 将这种平    证两个激励线圈的轴线均与试件表面平行。由于正
   切型探头结构用于碳纤维复合材料( CFPR ) 生产过                       交且切向放置的激励线圈会在试件表面产生正交的
   程中的缺陷检测, 效果良好。 ONA 等               [ 10 ] 对 TR 探  涡流场, 如图1中的蓝色和黄色线所示, 则双切向涡
   头进行了仿真和研究, 发现线圈间隙和提离均会影                           流探头不仅可消除直接耦合信号的影响, 还可以检测
                                                     任何角度的缺陷, 不存在检测盲区, 从而提高对缺陷
   响探头的灵敏度, 并提出了在给定提离时优化 TR
                                                     的检测能力。
   探头结构来减小提离效应、 提高检测灵敏度。同时,
   YE等   [ 11 ] 设计了一种用于检测多层铆钉结构的新型
   传感器, 其由正交激励线圈和线性差分 GMR ( 巨磁
   阻传感器) 阵列所构成, 可以有效消除背景干扰噪声
   的影响, 但该传感器整体为刚性结构不适用于复杂
   结构的检测。 XIE 等       [ 12 ] 提出了一种新型磁力传输
   涡流阵列式分离探头, 该探头不仅可以有效识别管
                                                                 图1 切向涡流探头检测原理
   道内缺陷的轴向位置和圆周位置, 并可以解决管道
                                                     1.2 仿真分析
   内缺陷信号饱和的问题。 DAURA 等                [ 13 ] 首次提出
                                                        为 进 一 步 验 证 探 头 设 计 的 可 行 性, 利 用
   了采用无线能量传输方法的双共振响应柔性涡流线
                                                     COMSOLMultiPh y sical 有限元仿真软件中的 AC /
   圈阵列探头, 其具有多个共振频率, 可通过扫描频率
                                                     DC ( 交流 / 直流) 模块对所设计探头的单个阵列单元
   激励获取管道曲面缺陷深度的信息。                                  进行电磁场频域分析, 单个探头阵列单元的几何模
       文章在上述研究的基础上提出了一种基于双切                          型如图2所示。其中, 待测试块的材料为碳钢, 厚度
   向涡流的阵列探头, 并对其检测原理、 性能和阵列结                         为4mm ; 试件中裂纹长度为15mm , 深度为2mm ,



   构展开研究。首先, 分析了双切向涡流的结构特点和                          宽度为0.35mm ; 阵列单元中, 激励线圈1的外半径

   检测原理; 其次, 通过仿真对探头阵列单元的性能进                         为3.8mm , 内半径为2.8mm ; 激励线圈2的外半径




   行分析; 最后对整个阵列涡流探头的结构进行设计。                          为2.5mm , 内半径为 0.5mm ; 接收线圈为矩形线
   试验结果表明, 该探头能够同时实现对不同长度和不                          圈, 其 内 边 长 宽 均 为 1.6 mm , 外 边 长 宽 均 为


   同角度裂纹的定量分析, 进而提高裂纹的检测精度。                          6.6mm ; 激励电流为3A 。
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          2023年 第45卷 第10期
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