(中國(guó)工程物理研究院 材料研究所，江油 621908)

渦流檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可檢測(cè)導(dǎo)體(主要是金屬)的缺位、縫隙、腐蝕、裂紋等缺陷[1-3]。渦流檢測(cè)的原理為:激勵(lì)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在導(dǎo)體中激發(fā)渦旋電流，導(dǎo)體中的缺陷會(huì)使渦流發(fā)生改變，從而引起磁場(chǎng)的變化，通過(guò)磁傳感器可以檢測(cè)出缺陷的信息。由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場(chǎng)的穿透深度很淺，感應(yīng)線圈的低頻靈敏度較差，高頻靈敏度較好，適合檢測(cè)表面或亞表面缺陷；低頻電磁場(chǎng)的穿透深度較深，因此低頻靈敏度較高的磁傳感器適用于深層渦流檢測(cè)。

磁通門磁強(qiáng)計(jì)在直流至幾千赫茲的頻率范圍內(nèi)都具有較高的靈敏度，目前廣泛應(yīng)用于地磁場(chǎng)測(cè)量、空間磁場(chǎng)測(cè)量、深層渦流檢測(cè)[4-5]及其他弱磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域。根據(jù)趨膚效應(yīng)，穿透深度可用式(1)表示。

δ=[ρ/(πμf)]1/2

(1)

式中:ρ為導(dǎo)體的電阻率；μ為磁導(dǎo)率;f為激勵(lì)頻率。

304不銹鋼(典型的奧氏體不銹鋼)的電阻率約為7.2×10-7Ω·m，相應(yīng)地其在1 kHz下的穿透深度約為14 mm。因此，當(dāng)激勵(lì)頻率在1 kHz左右或更低時(shí)，適合檢測(cè)奧氏體不銹鋼10 mm左右深度的缺陷。磁通門磁強(qiáng)計(jì)在1 kHz頻率下的理論噪聲可以達(dá)到10-11T的量級(jí)或更低，可以實(shí)現(xiàn)10 mm以上深度的渦流檢測(cè)。

除了磁通門磁強(qiáng)計(jì)，巨磁阻(GMR)傳感器[6]、巨磁阻抗(GMI)傳感器、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)及其他在低頻下具有高靈敏度的磁傳感器也具備通過(guò)渦流檢測(cè)導(dǎo)體深層缺陷的能力，且靈敏度越高，檢測(cè)深度也越深。在千赫茲頻率下，GMR/GMI傳感器的磁場(chǎng)白噪聲通常與磁通門磁強(qiáng)計(jì)的相似，但在100 Hz以下，磁通門磁強(qiáng)計(jì)的白噪聲通常更低[7]。上述磁傳感器中，SQUID的靈敏度最高[8-9]，但其需要工作在低溫下以維持超導(dǎo)電性，制冷成本更高，設(shè)備整體體積更大，而且其魯棒性不如磁通門磁強(qiáng)計(jì)、GMR/GMI傳感器等可以工作在常溫下的傳感器。有文獻(xiàn)報(bào)道了GMR/GMI傳感器在渦流檢測(cè)領(lǐng)域中的多種應(yīng)用，如可檢測(cè)導(dǎo)體表面或深層缺陷，被測(cè)材料包括鋁、鋁合金[10-11]、不銹鋼[12]等。

筆者研制了一套基于磁通門磁強(qiáng)計(jì)的深層渦流檢測(cè)裝置，在此前的工作中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)6061鋁合金深層缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)深度達(dá)到14 mm，與GMR傳感器的檢測(cè)深度相當(dāng)，大幅優(yōu)于文獻(xiàn)[13]中磁通門磁強(qiáng)計(jì)渦流檢測(cè)的結(jié)果。該裝置的優(yōu)點(diǎn)為：通過(guò)激勵(lì)線圈中軸線與磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量方向相互垂直的配置方式，測(cè)量樣品渦流磁場(chǎng)平行于樣品表面的分量，當(dāng)激勵(lì)磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，提高了渦流信號(hào)的幅度，平行分量不會(huì)超過(guò)磁強(qiáng)計(jì)的量程，在保證測(cè)量穩(wěn)定的同時(shí)能夠提升信噪比。

文章使用該深層渦流檢測(cè)裝置，通過(guò)增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)并用快速傅里葉變換(FFT)的方法來(lái)降低噪聲，并研究渦流磁場(chǎng)幅度與激勵(lì)頻率的關(guān)系，測(cè)量缺陷位于不同深度下的最佳激勵(lì)頻率以提升有效信號(hào)幅度，以此提高信噪比和檢測(cè)深度，提高圖像的分辨率。同時(shí)，通過(guò)對(duì)照最佳激勵(lì)頻率與缺陷深度關(guān)系曲線，來(lái)估測(cè)未知缺陷的深度。

1 試驗(yàn)方法

基于磁通門磁強(qiáng)計(jì)的深層渦流檢測(cè)裝置由磁通門探頭、磁通門磁強(qiáng)計(jì)主機(jī)、激勵(lì)線圈、線圈位置調(diào)節(jié)裝置、測(cè)量架、二維位移臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)組成。樣品放置于二維位移臺(tái)上，可沿xy方向進(jìn)行掃描，磁通門探頭位于樣品上方，測(cè)量平行于樣品表面的磁場(chǎng)分量，即圖中的z方向，激勵(lì)線圈法線朝向y方向。線圈與磁通門探頭的相對(duì)位置可以沿z方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，使磁通門測(cè)量中心盡量接近激勵(lì)線圈法線，使磁通門磁強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)置零(在無(wú)樣品的情況下)。該裝置的框圖如圖1所示。

圖1 基于磁通門磁強(qiáng)計(jì)的深層渦流檢測(cè)裝置框圖

當(dāng)上述渦流檢測(cè)裝置置零后，磁通門測(cè)量中心基本位于激勵(lì)線圈法線上，根據(jù)對(duì)稱性，如果下方樣品是無(wú)限大金屬板，那么測(cè)得的渦流磁場(chǎng)平行分量為零，而當(dāng)樣品存在缺陷時(shí)，缺陷附近渦流的幅度和方向都會(huì)發(fā)生改變，使渦流磁場(chǎng)的平行分量不為零，從而能測(cè)出缺陷的存在。

上述裝置中，磁通門探頭是Bartington Mag-13三分量傳感器，這里只需要用到其Bz分量，其在1 Hz下的磁場(chǎng)白噪聲均方根幅值為4X10-12T·Hz-1/2，工作頻率范圍是直流至3 kHz。信號(hào)發(fā)生器的型號(hào)為Tektronix AFG3022B。磁通門磁強(qiáng)計(jì)主機(jī)輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)Zurich HF2鎖相放大器的傅里葉變換后，將相應(yīng)頻率的信號(hào)幅值輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集。計(jì)算機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器控制二維位移臺(tái)，使樣品進(jìn)行xy方向掃描。激勵(lì)線圈的直徑為25 mm，電阻為120 Ω，電感約為40 mH。

測(cè)試的樣品包括預(yù)制缺陷的304不銹鋼和6061鋁合金板，上方覆蓋了多層金屬平板，模擬位于一定深度下的缺陷，樣品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)時(shí)，將兩塊金屬板拼接起來(lái)以模擬較細(xì)的裂紋，這是因?yàn)閷挾?0 μm左右的細(xì)縫較難加工，而拼接縫與裂紋在阻擋渦流的作用上比較相似。圖2(a)中304不銹鋼板的縫隙尺寸(長(zhǎng)×高×寬)為180 mm×5 mm×15 μm，圖2(c)中6061鋁合金板的縫隙尺寸為180 mm×5 mm×1 μm(光學(xué)顯微鏡測(cè)量縫寬)。圖2(b)和(d)中的不銹鋼槽和鋁合金槽用于安裝拼接的金屬板并固定，保持縫隙寬度。圖2(e)是預(yù)制十字形缺陷的304不銹鋼板，其厚度為2 mm，十字形缺陷的長(zhǎng)寬均為80 mm，縫隙寬度為1 mm。圖2(a)，(c)，(e)樣品上方覆蓋多層厚度為2 mm的金屬板(與樣品材料相同)，模擬缺陷處于深層的情況，因此當(dāng)覆蓋N層金屬板時(shí)，缺陷的深度為2Nmm。304不銹鋼的電阻率約為7.3×10-7Ω·m，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率為1.37×106S·m-1；6061不銹鋼的電阻率約為4.0×10-7Ω·m，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率為2.5×106S·m-1，二者的磁導(dǎo)率均為μ0。

2 理論分析

根據(jù)趨膚效應(yīng)公式，在柱坐標(biāo)下，激勵(lì)線圈在無(wú)限大金屬板內(nèi)產(chǎn)生的渦流密度分布可以用式(2)表示。

(2)

式中：σ為材料的電導(dǎo)率;I為激勵(lì)線圈電流;g(r,φ)為金屬板表面渦流的分布函數(shù);δ為相應(yīng)頻率下的渦流穿透深度；z為距材料表面的垂直深度。

文中的信號(hào)發(fā)生器近似為恒壓源，因此激勵(lì)線圈電流由電壓與阻抗決定，如式(3)所示。

(3)

式中：U為信號(hào)發(fā)生器的電壓；R為激勵(lì)線圈與導(dǎo)線的電阻之和；L為線圈的電感。

當(dāng)缺陷深度為z0時(shí)，存在一定的頻率f0使缺陷附近的渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到極大值。由于電磁波在從激勵(lì)線圈產(chǎn)生-進(jìn)入導(dǎo)體-到達(dá)缺陷-反射-檢測(cè)的過(guò)程中，穿過(guò)材料兩次，因此在計(jì)算渦流磁場(chǎng)幅度的過(guò)程中，趨膚效應(yīng)的因子應(yīng)為exp(-2z/δ)。根據(jù)式(1)(3)可對(duì)頻率求偏導(dǎo)，得到缺陷深度為z0時(shí)，位于該深度的渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到極大值時(shí)的頻率f0，結(jié)果如式(4)所示。

(4)

上述模型將信號(hào)發(fā)生器近似看成恒壓源，只考慮激勵(lì)線圈的電感，并假設(shè)缺陷厚度Δz為零，將激勵(lì)磁場(chǎng)簡(jiǎn)化為平面波，因此與試驗(yàn)結(jié)果有差異，但缺陷深度與頻率關(guān)系的趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果是一致的，即式(4)能定性描述不同深度缺陷對(duì)應(yīng)的最優(yōu)頻率的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

首先在304不銹鋼縫隙樣品[見(jiàn)圖2(a)]上覆蓋不同厚度的鋼板，改變激勵(lì)磁場(chǎng)頻率，得到渦流磁場(chǎng)平行分量隨頻率的變化曲線，分析磁場(chǎng)分量幅度達(dá)到極大值時(shí)的最優(yōu)頻率與缺陷深度之間的關(guān)系,得到的磁場(chǎng)分量幅度與激勵(lì)頻率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 304不銹鋼縫隙樣品位于不同深度時(shí)渦流磁場(chǎng)幅度與激勵(lì)頻率的關(guān)系曲線

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)缺陷位于一定深度時(shí)，存在一定的激勵(lì)頻率f0使渦流磁場(chǎng)幅度達(dá)到極大值。當(dāng)頻率過(guò)低時(shí)，渦流密度太小，導(dǎo)致渦流磁場(chǎng)幅度也較低；當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，渦流集中于導(dǎo)體表面，深層渦流密度減小，使得渦流磁場(chǎng)幅度下降。注意到圖3中z0=0時(shí)，隨著激勵(lì)頻率的提高，渦流磁場(chǎng)幅度達(dá)到極大值后也略有下降。理論上頻率越高，表面渦流密度也越大，聯(lián)立式(2)，(3)可知，頻率趨于無(wú)限大時(shí)，磁場(chǎng)-頻率曲線應(yīng)當(dāng)接近一條直線，但這里出現(xiàn)了極大值，過(guò)了極值點(diǎn)后有所下降，這可能是因?yàn)槿毕莺穸圈不為零，激勵(lì)頻率過(guò)高時(shí)，缺陷頂部的渦流密度雖然增大，但缺陷底部的渦流密度下降了，使得渦流磁場(chǎng)幅度不如最優(yōu)頻率下的幅度。

圖3表明，隨著缺陷深度的增加，頻率f0逐漸下降，將f0-z0的關(guān)系繪制成曲線(見(jiàn)圖4)，并將材料參數(shù)代入式(4)，與式(4)的理論曲線進(jìn)行對(duì)比。

圖4 f0-z0關(guān)系曲線的實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

根據(jù)式(4)可知，隨著缺陷深度的增加，最優(yōu)檢測(cè)頻率是單調(diào)下降的，實(shí)測(cè)值中深度016 mm范圍內(nèi)的曲線也驗(yàn)證了這個(gè)趨勢(shì)。然而，缺陷深度在1620 mm內(nèi)時(shí)，隨著缺陷深度的下降，最優(yōu)檢測(cè)頻率反而有所上升。注意到圖3中磁場(chǎng)幅度-頻率曲線受噪聲干擾而產(chǎn)生了波動(dòng)，因而影響了最優(yōu)頻率的確定，從曲線上可以估計(jì)磁場(chǎng)幅度的測(cè)量誤差約為0.5 nT，如式(5)所示。最優(yōu)頻率的位置是曲線一階導(dǎo)數(shù)為零的位置，故可以通過(guò)曲線的二階導(dǎo)數(shù)來(lái)確定頻率的誤差。

B(f0+Δf)-B(f0)≈B′(f0)Δf+

(5)

式中：B為渦流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅度；Δf為頻率的誤差；B′為磁場(chǎng)對(duì)頻率的一階導(dǎo)數(shù)；B″為磁場(chǎng)對(duì)頻率的二階導(dǎo)數(shù)；ΔB為磁場(chǎng)的誤差。

由式(5)可以估計(jì)頻率的誤差約為30 Hz(深度為2 mm時(shí))，根據(jù)此式繪制出誤差條，從圖4中可以看出，16 mm以上深度的異常趨勢(shì)包含在誤差范圍內(nèi)。實(shí)際上在深度較深時(shí)，由缺陷引起磁場(chǎng)分量的變化已經(jīng)很小，磁場(chǎng)-頻率曲線比較平緩，對(duì)缺陷的測(cè)量已經(jīng)基本接近儀器的檢測(cè)極限，這可能是異常趨勢(shì)產(chǎn)生的原因。圖4中，f0-z0曲線的實(shí)測(cè)值定性反映了理論值的變化趨勢(shì)，在深度較小的情況下，由于式(5)假設(shè)缺陷厚度為0，深度接近零的情況下最優(yōu)頻率趨近無(wú)窮大，這是缺陷深度較小時(shí)出現(xiàn)偏差的主要原因。實(shí)際上對(duì)表面或亞表面缺陷而言，激勵(lì)頻率提高到一定程度，再提高頻率對(duì)磁場(chǎng)幅度和檢測(cè)靈敏度的貢獻(xiàn)不大。盡管上述理論計(jì)算采用了很多近似處理方法，理論曲線與實(shí)測(cè)曲線有所偏差，但仍能反映最優(yōu)檢測(cè)頻率隨缺陷深度增加而下降的趨勢(shì)。根據(jù)這個(gè)規(guī)律，可以通過(guò)測(cè)量最優(yōu)檢測(cè)頻率的方法來(lái)估計(jì)未知缺陷的深度。

文獻(xiàn)[6]中，F(xiàn)ujita研究組的試驗(yàn)也證明了缺陷深度越大，幅度峰值對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率越低的規(guī)律，與文章結(jié)果一致。對(duì)304不銹鋼而言，筆者選擇729 Hz的激勵(lì)頻率，可以檢測(cè)深達(dá)20 mm的缺陷，而對(duì)于淺層缺陷，信號(hào)幅度總是大于深層缺陷的，因此激勵(lì)頻率應(yīng)當(dāng)根據(jù)深層缺陷的需求來(lái)確定。在該頻率下，渦流的穿透深度約為15.9 mm，測(cè)得激勵(lì)線圈電流的有效值為19.9 mA。對(duì)6061鋁合金而言，由于電導(dǎo)率較高，最優(yōu)激勵(lì)頻率低于文中鎖相放大器能夠穩(wěn)定鎖定的頻率，因此無(wú)法用現(xiàn)有設(shè)備測(cè)試最優(yōu)頻率，這里只能選擇能鎖定的最低頻率72 Hz，該頻率下6061鋁合金的穿透深度為11.8 mm，此時(shí)激勵(lì)線圈的電流為20.7 mA。

根據(jù)以上的結(jié)果，對(duì)304不銹鋼選擇729 Hz的激勵(lì)頻率，對(duì)圖2(a)中的樣品進(jìn)行檢測(cè)，其上方覆蓋1020 mm的304不銹鋼板，以模擬深層裂紋的檢測(cè)，測(cè)得渦流磁場(chǎng)Bz分量的xy分布圖(見(jiàn)圖5)。

由圖5可見(jiàn)，裂縫的渦流磁場(chǎng)分布圖具有線型波峰和波谷的特征，其等高線基本是一條直線，該結(jié)果與文獻(xiàn)[11,13]中裂紋缺陷樣品的渦流磁場(chǎng)分布圖一致。由于趨膚效應(yīng)，當(dāng)缺陷的深度不斷增加時(shí)，渦流磁場(chǎng)的幅度會(huì)不斷下降，邊緣效應(yīng)、噪聲等干擾因素的影響會(huì)逐漸增大。圖5(f)中，樣品上方覆蓋了20 mm厚的鋼板，雖然圖像有些模糊，但仍能從等高線上分辨出裂縫缺陷的特征，表明該裝置具備對(duì)304不銹鋼20 mm的檢測(cè)深度。

圖5 304不銹鋼縫隙樣品在1020 mm深度下的渦流磁場(chǎng)二維分布

同樣對(duì)圖2(c)中的6061鋁合金縫隙樣品進(jìn)行深層渦流檢測(cè)，激勵(lì)頻率為72 Hz，與之前的工作相比，試驗(yàn)降低了噪聲并提高了檢測(cè)深度，結(jié)果如圖6所示。可見(jiàn)，鋁合金的結(jié)果與不銹鋼的類似，裂縫缺陷的渦流磁場(chǎng)圖像擁有波峰和波谷，等高線基本是直線。圖6(a)中缺陷深度為10 mm，圖像非常清晰，很容易分辨缺陷的形狀;圖6(b)中缺陷深度達(dá)到16 mm，渦流磁場(chǎng)信號(hào)已經(jīng)大幅削弱，圖像較為模糊，但仍能分辨裂縫缺陷的基本特征。

將樣品換成圖2(e)中的304不銹鋼十字形缺陷，激勵(lì)頻率仍為729 Hz，得到的渦流磁場(chǎng)圖像如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，十字形缺陷的渦流磁場(chǎng)圖像形貌是呈“X”形的等高線，其原因是當(dāng)激勵(lì)線圈靠近十字線時(shí)，金屬板上的渦流受到缺陷的阻擋而發(fā)生改變，此時(shí)的改變量最大，因此呈現(xiàn)波峰或波谷，當(dāng)激勵(lì)線圈位于十字線的角平分線上時(shí)，渦流受到缺陷的阻擋效應(yīng)最小，改變量最小。圖7所示的圖像與筆者此前的工作是一致的[13]，文中針對(duì)304不銹鋼采用最優(yōu)激勵(lì)頻率，增加了數(shù)據(jù)點(diǎn)，用FFT的方法降低噪聲，提高了信噪比，因此圖像的平滑程度與信噪比均優(yōu)于此前的工作。圖7(f)中，盡管缺陷的深度已經(jīng)達(dá)到20 mm，但“X”形等高線仍然非常清晰。

上述結(jié)果表明，基于磁通門磁強(qiáng)計(jì)的深層渦流檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量渦流磁場(chǎng)平行于樣品表面的分量、采用優(yōu)化的激勵(lì)頻率、增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)并通過(guò)FFT方法降低噪聲，可實(shí)現(xiàn)對(duì)304不銹鋼20 mm深層缺陷的檢測(cè)及6061鋁合金16 mm深層缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)深度與文獻(xiàn)及筆者此前的工作相比得到了提高。并且，通過(guò)測(cè)量未知缺陷的渦流磁場(chǎng)幅度-頻率關(guān)系曲線，可以大致確定未知缺陷的深度。該檢測(cè)方法應(yīng)當(dāng)能推廣至其他順磁性金屬材料的檢測(cè)中，相應(yīng)的最優(yōu)激勵(lì)頻率需要根據(jù)具體材料的電阻率而確定。

圖7 304不銹鋼十字形缺陷樣品在1020 mm深度下的渦流磁場(chǎng)二維分布

4 結(jié)語(yǔ)

使用自行研制的基于磁通門磁強(qiáng)計(jì)的深層渦流檢測(cè)裝置，通過(guò)優(yōu)化激勵(lì)頻率、增加數(shù)據(jù)點(diǎn)與快速傅里葉變換法降低噪聲，提升了對(duì)鋁合金與奧氏體不銹鋼的檢測(cè)深度，使其分別達(dá)到16 mm與20 mm，超過(guò)文獻(xiàn)中磁通門、GMR探頭等傳感器的檢測(cè)結(jié)果。不同的激勵(lì)頻率下，深層缺陷導(dǎo)致的渦流磁場(chǎng)的變化幅值也不同，通過(guò)分析頻率-磁場(chǎng)幅度曲線的極大值位置，可以估算未知缺陷的深度?；诖磐ㄩT磁強(qiáng)計(jì)的深層渦流檢測(cè)技術(shù)在順磁性金屬材料的檢測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景。