Page 78 - 无损检测2025年第一期

刘永生，等：

锆合金包壳氧化膜厚度涡流检测探头仿真优化与设计

为探究线圈高度对氧化膜检测探头的影响，绘 幅值和相位的影响曲线，如图10所示。由图10可知，
制检测20 μm厚氧化层，线圈中径和宽度为默认值 随着线圈高度增加，阻抗变化的幅值逐渐减小，相位
时，5~9 mm（步进为1 mm）线圈高度对阻抗变化的 基本不变。

图 10 激励频率、阻抗变化的幅值和相位与线圈高度的关系曲线
通过检测机理可知，采用涡流探头检测氧化膜
厚度时，解析模型中Z 1 , Z 2 的变化，主要与提离效应
相关。尽管根据仿真结果，在对氧化膜进行检测时，
激励频率应越大越好，但当频率增大后，线圈和电路
中的寄生电容会成为主要影响因素，因此文章选择
1. 6 MHz的激励频率。在线圈尺寸中，对线圈检测
能力起主要影响作用（按影响程度排序）的是：线圈
的匝数、中径和高度。线圈匝数越多，灵敏度越大；
图 11 氧化膜检测探头实物
线圈的中径越大，灵敏度越大，线性度越好；线圈的
高度越大，灵敏度越小，线性度越好。因此，在制作 表1 线圈参数
线圈时，建议增大线圈中径，减小线圈高度，提高线 线圈内 线圈外 线圈 线圈 线圈
半径/mm 半径/mm 宽度/mm 高度/mm 匝数/匝
圈匝数。但需要注意的是，当检测圆管时，小径线
1.5 3.5 2 5 100
圈与圆管具有更好的耦合作用，因此在燃料棒氧化
膜探头设计过程中宜综合考虑检测灵敏度和耦合程 表2 非导电膜片的厚度
度，从而选择合适的线圈中径。 参数 1号膜片 2号膜片 3号膜片 4号膜片
厚度值/μm 24.8 51.6 77.1 123.9
3 氧化膜检测探头试验结果分析
膜探头（3 m线缆）安装于简易的稳定夹持工装中，
利用仿真结果，考虑线圈的匝数、中径和高度等 防止探头在测量过程中倾斜，然后将探头与锆合金

影响因素，设计制作氧化膜检测探头，实物如图11 平板上的非导电膜片稳定贴合，利用不同厚度的非
所示。选取以下的优化参数：线圈中径为5 mm，线 导电膜片完成探头的标定，建立标准膜片厚度与幅
圈高度为5 mm，其他参数如表1所示。为了减少高 值曲线；随后再次检测上述不同膜片厚度，每张膜
频噪声干扰，涡流仪检测频率选择为1. 6 MHz，用于 片测量10次，并与标定值进行比较，验证测量精度。
处理专用探头获取的氧化膜厚度信号，并通过专用 试验装置结构示意如图 12 所示，试验现场如图 13
软件将数据直接显示在计算机上。被检试件选择与 所示。
燃料棒相同材料的锆合金板材，氧化膜厚度层采用 标准膜片测量标定试验结果如表3所示，氧化
不同厚度的非导电膜片（厚为0~100 μm），具体膜片 膜测量标定曲线如图14所示。由图14可知，膜片厚
厚度值如表2所示。 度值与涡流采集信号的电压值基本呈线性关系。不
在空气环境中，采取手动方式将新研制的氧化 同非导电膜片测量偏差曲线如图15所示，可知在无

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2025 年 第 47 卷 第 1 期
无损检测