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(中國工程物理研究院 材料研究所，江油 621908)

渦流檢測技術起源于19世紀，現在是常用的無損檢測方法之一，適用于檢測導體表面或近表面的宏觀缺陷[1]。但是，由于電磁場的趨膚效應，用常規(guī)的感應線圈法難以檢查出導體深層的缺陷，這是因為隨著電磁場頻率的降低，趨膚效應穿透深度增加，但感應線圈的靈敏度卻隨之下降。因此，新的用于檢測導體深層缺陷的渦流檢測法選用巨磁阻(Giant Magneto-Resistive, GMR)探頭[2-4]、超導量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)[5-9]、磁通門磁強計(Flux-Gate Magnetometer)[10-11]等低頻靈敏度更高的磁場測量工具。經典電磁場理論表明，平面電磁波趨膚效應的穿透深度為

(1)

式中：ρ為電阻率；μ為磁導率；f為電磁場頻率。

如果激勵場為平面波，那么其在無限大導體平板內部的渦流按exp(-z/δ)因子指數衰減，其中z為導體內部深度。在實際的渦流檢測中，激勵線圈產生的電磁場更接近于磁偶極場而不是電磁場平面波，趨膚效應的指數因子疊加上偶極場的距離衰減因子，實際上電磁場衰減得更快，有效穿透深度比式(1)更小[12]。用平面波模型計算，對于電阻率約為4.0×10-8Ω·m的6061鋁合金，10 kHz電磁場的穿透深度約為1 mm，100 Hz電磁場的穿透深度約為10 mm。對于電阻率約為7.2×10-7Ω·m的不銹鋼，傳統渦流檢測(使用感應線圈)的典型檢測頻率是200 kHz，對應的穿透深度約為1 mm，因此想用渦流檢測法檢測幾毫米以上深度的缺陷，必須大幅降低檢測頻率。

SMITH等[2]用GMR陣列檢測鋁板底部的缺陷，檢測頻率為8 kHz～20 kHz，其優(yōu)點是GMR做成陣列之后集成在芯片上，可以同時得到多個點的渦流信息，檢測速度大幅提高，但其選擇的檢測頻率偏高，檢測深度為1.6～2 mm。DOGARU等[3]用GMR探頭檢測了鋁板緊固孔周邊的裂紋式缺陷，這類缺陷是緊固孔周圍常見的缺陷，容易導致部件破損甚至發(fā)生事故，其采用了自指零的檢測方法(即將無缺陷樣品上的檢測信號作為零點，將有缺陷樣品上的檢測信號用差分法減去無缺陷樣品的信號，即可凸顯缺陷的信號)，用圓周掃描的方式檢測緊固孔周邊的裂紋缺陷，檢測頻率為200 Hz，可以檢測到深達13 mm的裂紋缺陷。但這種圓周掃描法只適用于預先知道孔中心位置的情況，如果孔的上方覆蓋了鋁板，不知道缺陷的具體位置，就只能用線性掃描的方法檢測一列10個孔，以成功分辨出有缺陷的孔，孔上方可覆蓋厚度為3.2 mm的鋁板，檢測深度為4.8 mm。NAIR等[4]采用同相正交法用GMR探頭快速檢測了飛機結構，檢測深度雖然只有2.5 mm，但同相正交法能快速處理數據，實現連續(xù)掃描，檢測速度達到10 mm·s-1，摒棄了傳統掃描方法必須逐點掃描，并且在每一個點上停留足夠時間的缺點，同時該方法能提高圖像分辨率，適用于飛機檢測這種場合。GMR探頭在渦流檢測中的優(yōu)點是探頭體積小、可以集成陣列和檢測速度快。

SQUID在渦流檢測中的優(yōu)點是磁場靈敏度高、檢測深度大。ZHONG等[5]直接利用掃描SQUID顯微鏡(低溫SQUID)平臺，并未針對渦流檢測進行優(yōu)化，僅僅增加了激勵線圈，對鋁板的檢測深度就能很容易地達到4.2 mm，得到磁場幅值的一維分布曲線，其中檢測頻率為350 Hz。NAGENDRAN等[6]同樣使用了低溫SQUID，但同時使用了軸向梯度計，其檢測頻率在33～853 Hz之間調節(jié)，針對不同的檢測深度進行優(yōu)化，鋁板的檢測深度可達14 mm，同樣得到磁場幅值的一維分布曲線。KAWANO等[7-8]利用高溫SQUID平面梯度計，優(yōu)化了梯度計的基線長度，調節(jié)了檢測頻率，在基線長度為1 mm，檢測頻率為200 Hz時，鋁板的檢測深度可達20 mm，當基線長度為8.5 mm，檢測頻率為35 Hz時，檢測深度達到了38 mm，但其對缺陷的檢測仍是基于得到磁場幅值的一維分布曲線進行的。SQUID的優(yōu)點是檢測深度大，缺點是需要使用液氮甚至液氦，且必須在磁屏蔽室內工作(高溫SQUID)或使用具備磁屏蔽功能的軸向梯度計(低溫SQUID)，設備比較龐大，使用不方便。

磁通門磁強計的靈敏度略高于GMR探頭的靈敏度，而且磁通門磁強計體積較小(遠小于使用液氮、液氦的SQUID設備整體，但大于GMR探頭)，無需磁屏蔽，但其在渦流檢測中的應用相對比較冷門，發(fā)展水平也不如GMR和SQUID，因此需要更深入的研究。VERTESY等[10]設計了一種磁通門探頭，并將其用于渦流檢測，檢測頻率為千赫茲級別，檢測材料為鎳基合金Inconel600，檢測深度為1.25 mm。磁通門磁強計采用二維掃描的方法，得到了磁場幅值的二維分布圖。雖然其檢測深度看似較小，但被測材料為航空發(fā)動機的鎳基合金，具有較高的應用價值，而且鎳基合金的磁導率較高，也會大幅削減渦流穿透深度。FUJITA等[13]利用磁通門探頭對鐵磁性的SS400鋼板進行檢測，檢測頻率為40 Hz～2 kHz，其同樣受限于鐵磁材料的磁導率對渦流穿透深度的削減作用，最大檢測深度為2 mm。由于類似磁性鋼板的日常應用十分廣泛，所以該研究比較有應用價值。GASPARICS等[11]利用磁通門探頭檢測渦流磁場的水平分量(通常都是檢測垂直于被測平面的分量)，被測樣品為波音公司的標準樣品NDT396，該樣品的總厚度為1.8 mm，看似不厚，但卻直接應用于航空領域，具有廣泛的前景。根據該樣品的厚度，文獻采用了1 kHz的檢測頻率，得到了比較清晰的磁場平行分量幅值的二維分布圖像。

磁通門磁強計與GMR探頭、SQUID相比具有自身的優(yōu)勢，然而在深層渦流檢測領域的應用還較少，筆者在該領域展開了研究，探索了磁通門磁強計在渦流檢測中的應用前景。

1 試驗設備及方法

使用的磁通門磁強計探頭為Bartington Mag-13三分量探頭，探頭在1 Hz下的標稱磁場噪聲譜密度的幅度有效值為4×10-12T，主機型號為CH-330F，最小分辨力為0.01 nT，量程為10-5T和10-4T兩檔，兩檔的最小分辨力不同，10-5T檔的分辨力達0.01 nT，10-4T檔的分辨力只有0.1 nT。

在無屏蔽環(huán)境下，由于地磁場幅度約為5×10-5T，因此只能使用10-4T這一檔，此時的分辨力為0.1 nT。實際上環(huán)境和電子設備所產生的總體噪聲，反映到磁場測量結果大約為1 nT的量級。磁通門磁強計輸出模擬信號，經過Zurich HF2鎖相放大器的解調，輸出相應頻率的磁場分量幅值，由計算機采集處理。磁通門磁強計深層渦流檢測裝置結構示意如圖1所示。

由圖1可知，預制缺陷的樣品放在二維平臺上，由計算機控制步進電機進行掃描，磁通門磁強計探頭與激勵線圈安裝在測量架上，其中探頭測量平行于樣品平面的磁場分量，激勵線圈是螺線管空心線圈，安裝在探頭下方，與一個可調節(jié)橫向位置的螺桿相連，目的是在測量前調節(jié)線圈位置，使激勵線圈的中心對準探頭的測量中心，此時激勵磁場的平行分量應當為零，這種設計能很好地排除激勵線圈本底磁場的影響。

圖1 磁通門磁強計深層渦流檢測裝置結構示意

磁場平行分量法渦流檢測原理示意如圖2所示，其特點是：將交變磁場分為激勵線圈產生的本底磁場與樣品渦流產生的樣品磁場兩個部分，調節(jié)激勵線圈的相對位置，使線圈中心對準探頭測量中心。由于本底磁場在中心點處沿y方向，而探頭測量的是z方向分量，理論上無論激勵線圈的電流多大，只要線圈嚴格對準探頭測量中心，探頭測得的本底磁場始終為0，而樣品磁場卻存在z方向分量，可以被探頭測得，因此這種方法能排除強大的本底磁場，僅測量樣品的渦流磁場。如果探頭、線圈嚴格對齊，線圈平面與樣品平面完全平行，那么理論上可以通過無限提高激勵信號強度來提高樣品的渦流磁場強度，卻不受本底磁場的影響，從而提高了信噪比。當然，在實際檢測中，可能會因為不能對齊、樣品與探頭和線圈不平行、樣品并非無限大平板、樣品是曲面等原因而產生偏差，但這種方法仍然可以實現較大的檢測深度。

圖2 磁場平行分量法渦流檢測原理示意

預制缺陷樣品為規(guī)格(長×寬×高)為200 mm×200 mm×2 mm的6061鋁合金板，預制穿透鋁板的線形和十字形缺陷，縫寬均為1 mm，長度為80 mm，預制缺陷鋁板樣品外觀如圖3所示。樣品上方放置多層200 mm×200 mm×2 mm的6061鋁合金平板，測試磁通門磁強計深層渦流檢測裝置對鋁板一定深度下預制缺陷的檢測能力。

圖3 預制缺陷鋁板樣品外觀

激勵線圈為圓形空心螺線管，有500匝線圈，外徑為25 mm，內徑為20 mm，高度為6 mm，由于信號發(fā)生器輸出電壓、電流的限制，在此線圈上可施加的正弦波的最大電流為30 mA。Zurich HF2鎖相放大器在檢波時，由于過低頻率下的鎖定性能較差，輸出信號波動很大，因此選擇的最低頻率為72 Hz，在該頻率下工作比較穩(wěn)定。其電阻率約為4.0×10-8Ω·m，相應頻率的穿透深度約為11.8 mm。

將預制缺陷樣品、鋁平板放在二維平臺上，調節(jié)樣品位置，使其中心對準線圈的正下方，然后啟動信號發(fā)生器，輸出峰值為30 mA的正弦波電流信號。頻率為72 Hz，啟動磁通門磁強計，平行分量的磁場信號輸入HF2鎖相放大器，經過檢波得到72 Hz頻率下的信號幅值，最后輸入至計算機采集卡，由計算機控制二維平臺進行掃描檢測，得到渦流磁場平行分量幅值的二維分布圖像。

2 試驗結果與討論

將圖3所示樣品放在二維平臺上，樣品上方放置厚度范圍為4～14 mm的多層鋁板(每層鋁板厚2 mm)，然后在鋁板上方用磁通門磁強計檢測渦流信號。當樣品為圖3中左邊的線缺陷鋁板時，測得渦流磁場平行分量的二維圖像如圖4所示。

由圖4可知，80 mm長的線缺陷平行于y軸，磁通門磁強計可以隔著厚度為14 mm內的鋁板測得缺陷產生的渦流信號，當缺陷分別位于測量中心正下方的左邊和右邊時，缺陷產生的磁場變化量的方向相反，由于鎖相放大器已經鎖住相位，所以磁場圖像應當同時出現波峰和波谷，多個文獻中的渦流檢測圖像都反映了類似的性質[5-6,8,10]。隨著覆蓋鋁板厚度的增加，渦流磁場分量的信號幅值逐漸減小，但仍保持一個波峰和一個波谷的特征，可以清晰地辨認出多層鋁板下方存在一個線缺陷，同時噪聲也隨著鋁板厚度的增加而明顯增加，圖像的平滑度降低，這里噪聲的數量級約為1 nT。當覆蓋的鋁板厚度達到16 mm甚至更高的時候，磁場圖像中很難辨認出線缺陷的特征，這說明上述設備對鋁板的最大檢測深度應當在14～16 mm之間。如果要進一步提高檢測深度，可以通過降低電路噪聲、增加激勵線圈的匝數和電流的方式來實現。

將樣品換成圖3右邊的十字形缺陷鋁板，上方覆蓋厚度范圍為4～14 mm的多層鋁板，再次檢測，得到渦流磁場平行分量的二維圖像如圖5所示。

圖4 不同厚度鋁板覆蓋下線缺陷樣品的渦流磁場平行分量二維分布

圖5 不同厚度鋁板覆蓋下十字形缺陷樣品的渦流磁場平行分量二維分布

理論上，螺線管激勵線圈在十字形預制缺陷金屬板上產生渦流，當線圈位于十字對角線上的時候應當存在極大值。如圖5 (a)所示，圖像上存在兩個波峰和兩個波谷，驗證了這種說法，因此波峰波谷的中心應當對應十字形的中心。實際測量的圖像中，右上角的波谷幅度較小，而下方也疑似出現新的波峰，這可能是由樣品表面與線圈平面、探頭的x方向不平行引起的，這個波峰不應看成十字形缺陷的磁場圖像特征。隨著覆蓋鋁板厚度的不斷增加，十字形缺陷的渦流磁場信號不斷減弱，而下方的波峰相對于四極分布的缺陷渦流磁場信號越來越明顯，并不隨著鋁板厚度的增加而減弱，驗證了這種猜測。此外，隨著鋁板厚度的增加，缺陷渦流磁場圖像的面積也越來越大，當缺陷深度達14 mm時，當前儀器的掃描范圍也受到限制，磁場圖像已經無法顯示十字形缺陷圖像特征的全貌，但圖像還是比較清晰的，能判斷出下方存在明顯的缺陷，這說明該設備和方法對鋁板深層缺陷的檢測深度能達到14 mm。噪聲的數量級達到1 nT，與圖4結果保持一致。

對圖4，5中缺陷的渦流磁場變化幅度(峰-谷值)隨深度的變化進行分析，由于趨膚效應，導體深層渦流密度隨著深度的增加而指數下降，除此之外，根據偶極磁場隨距離的衰減規(guī)律，即使不是導體介質，磁感應強度也會隨著距離的增加而下降，因此缺陷產生的渦流磁場隨深度增加而衰減的速率會比單純平面波的趨膚效應時的衰減速率更大。而且，考慮到激勵線圈的電磁場進入導體后，遇到缺陷再反射回來，最后被探頭測得，實際上經過了兩倍的路徑，因此應當用exp(-2z/δeff)的因子來描述衰減速率，δeff為等效穿透深度。將缺陷信號的渦流磁場幅度與缺陷深度的關系繪制成曲線(見圖6)。

圖6 不同缺陷樣品渦流磁場幅度與缺陷深度的關系曲線

由圖6可知，渦流磁場幅度隨缺陷深度的增加而呈指數衰減，圖6(a)中線缺陷樣品的δeff約為7.6 mm，其衰減速率遠大于平面波趨膚效應時的衰減速率，這說明除了趨膚效應外，可能存在其他引起衰減的原因，如偶極磁場的衰減；圖6(b)中十字形缺陷樣品的δeff約為11.6 mm，接近平面波趨膚效應的理論穿透深度為11.8 mm的衰減速率，小于線缺陷渦流磁場的衰減速率。造成二者差異的原因可能是線缺陷僅能從一個方向上對渦流分布進行約束和改變，從而改變磁場，當缺陷深度增加時，渦流分布面積迅速擴大；而十字形缺陷在xy方向上均能對渦流分布進行約束，當缺陷深度增加時，渦流分布面積的擴大受阻，渦流密度相比線缺陷時的渦流密度更加集中，磁場改變的幅度也增大，隨深度增加的衰減速率減小。

比較線缺陷樣品與十字形缺陷樣品的渦流磁場幅度，當缺陷深度為2 mm時，線缺陷的渦流磁場幅度為5.9×10-8T，十字形缺陷的渦流磁場幅度為1.3×10-7T；當缺陷深度達到14 mm時，線缺陷的渦流磁場幅度為5.3×10-9T ，十字形缺陷的渦流磁場幅度為1.5×10-8T。可見十字形缺陷的渦流磁場幅度是線缺陷的2倍甚至更多，而缺陷信號的峰-谷值在nT的數量級，在超低頻的情況下，磁通門磁強計體現了靈敏度較高的優(yōu)勢。

3 結論

試驗結果表明，磁通門磁強計作為低頻磁場靈敏度較高的磁場檢測設備，可以用于對深層渦流的無損檢測;而采用平行分量法時，激勵線圈本底磁場垂直于探頭測量方向，可以有效消除本底磁場的影響，更加凸顯出缺陷導致的渦流磁場的變化，而且線圈形狀非常簡單，不需要D形線圈，只需圓形線圈就能實現鋁板14 mm深度缺陷的渦流檢測，并且對線缺陷、十字形缺陷都有很好的分辨力。試驗發(fā)現十字形缺陷的渦流磁場信號幅度比線缺陷的渦流磁場信號幅度更強，且渦流磁場隨著缺陷深度的增加而衰減得更慢。渦流磁場圖像的峰-谷值低至5 nT時，噪聲幅度約為1 nT，這樣弱的信號的分辨率已經小于一些磁通門磁強計的分辨率。該方法還擁有更大的檢測能力，如可以通過降低電路噪聲、增加線圈匝數和電流、提高線圈對稱性等方法進一步提高檢測深度。磁通門磁強計在渦流檢測中有自身的優(yōu)勢，與SQUID相比不需要低溫系統，也不需要磁屏蔽室，與GMR探頭相比檢測深度更深。試驗在一定程度上彌補了磁通門磁強計渦流檢測領域的空白，具有很好的應用前景。