楊 冉，翟國(guó)富，徐 博，蔣川流

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是一種用于檢測(cè)導(dǎo)電材料表面和內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法，是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。其采用脈沖激勵(lì)的方法，檢測(cè)信號(hào)頻率成分豐富，其低頻分量包含被測(cè)工件深層信息，克服了傳統(tǒng)渦流趨膚效應(yīng)的影響。而且，脈沖渦流探頭激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度大，可以克服提離效應(yīng)的影響[1-2]。

在脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)中，圓柱形探頭被廣泛應(yīng)用。為了提高探頭的檢測(cè)靈敏度和分辨率，研究者在探頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做了大量研究工作。楊賓峰[3]等設(shè)計(jì)了一種矩形激勵(lì)脈沖渦流探頭，接收裝置可以同時(shí)獲得磁場(chǎng)的三維分量，可以檢測(cè)任意方向的裂紋。周德強(qiáng)[4]等通過(guò)增大圓柱探頭外徑，減小了探頭內(nèi)徑和高度，提高探頭檢測(cè)靈敏度和分辨率。付躍文[5]等設(shè)計(jì)并優(yōu)化了雙激勵(lì)-接收型聚焦探頭，提高了探頭對(duì)帶包覆層管道的局部缺陷的檢測(cè)分辨率。武新軍[6]等設(shè)計(jì)的跑道形線圈探頭可以減少磁能損耗，擴(kuò)大傳感器有效覆蓋區(qū)域，提高對(duì)不銹鋼小徑管壁厚的檢測(cè)效果。

與圓柱形線圈相比，由于和被測(cè)工件表面良好耦合，輕型化與柔性化的特點(diǎn)使其適用于復(fù)雜形狀表面的工件檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)微小缺陷敏感，因此平面線圈開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種平面矩陣探頭用于鋁試件表面裂紋缺陷的檢測(cè)，矩陣化設(shè)計(jì)提高探頭對(duì)任意方向裂紋缺陷檢測(cè)的靈敏度。張衛(wèi)民[8]等基于印刷電路板工藝設(shè)計(jì)了一種雙激勵(lì)線圈、雙接收線圈探頭，可以有效檢測(cè)出鋁板上的寬度為0.1 mm的表面裂紋。陳國(guó)龍[9]等設(shè)計(jì)一種平面科赫雪花形激勵(lì)線圈，提高了激勵(lì)渦流密度，可以檢測(cè)到0.12 mm寬的表面裂紋。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種平面渦流陣列探頭，該探頭由一個(gè)空間周期激勵(lì)線圈和28對(duì)差分檢測(cè)線圈構(gòu)成。差分結(jié)構(gòu)抑制了感應(yīng)電壓的共模分量，提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種柔性平面梯形探頭，可以和管道圓周緊密貼合，提高對(duì)周向缺陷的檢測(cè)靈敏度。

現(xiàn)有渦流探頭在大提離下檢測(cè)缺陷靈敏度較低，對(duì)抑制提離以及檢測(cè)埋深缺陷的能力仍需提高。因此本文在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上結(jié)合各種線圈優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了基于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的柔性平面差分探頭。通過(guò)仿真分析了不同裂紋缺陷引起的渦流擾動(dòng)，驗(yàn)證了柔性平面差分探頭檢測(cè)表面和內(nèi)部裂紋的可行性。實(shí)驗(yàn)證明探頭可以在大提離下有效檢測(cè)并區(qū)分不同深度的表面裂紋，對(duì)埋深較大的內(nèi)部缺陷也有很好的檢測(cè)效果。

1 檢測(cè)原理

脈沖渦流檢測(cè)采用方波激勵(lì)。方波可分為2個(gè)時(shí)期：導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，施加在激勵(lì)線圈上的直流電在周圍空間產(chǎn)生一次磁場(chǎng)。當(dāng)關(guān)斷時(shí)間開(kāi)始，發(fā)射線圈中的電流突然關(guān)斷為零。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，一次磁場(chǎng)的變化在試樣內(nèi)部的感應(yīng)產(chǎn)生渦流。檢測(cè)線圈中的電壓是在關(guān)斷時(shí)間測(cè)量的。在無(wú)缺陷的地方，感應(yīng)磁場(chǎng)在左右檢測(cè)線圈中對(duì)稱分布。兩者的感應(yīng)電壓相互抵消，檢測(cè)電壓為零。當(dāng)缺陷位于右檢測(cè)線圈下方時(shí)，缺陷引起的擾動(dòng)使感應(yīng)磁場(chǎng)分布不對(duì)稱，檢測(cè)電壓不為零。與傳統(tǒng)的圓柱探頭相比，該探頭能夠和被測(cè)試件表面保持良好的耦合。差分結(jié)構(gòu)可以抑制提離干擾，并提高探頭檢測(cè)靈敏度。柔性平面差分探頭的檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 柔性平面差分脈沖渦流探頭檢測(cè)原理

脈沖渦流探頭由2片加工有螺旋線圈的柔性電路板構(gòu)成，激勵(lì)線圈在上，檢測(cè)線圈在下。2個(gè)檢測(cè)線圈關(guān)于激勵(lì)線圈起始點(diǎn)對(duì)稱布置，旋向相同并且以差分形式連接。其中激勵(lì)線圈內(nèi)徑為0.2 mm，外徑為8 mm，線徑為0.3 mm，共19匝。檢測(cè)線圈內(nèi)徑、外徑和激勵(lì)線圈相同，線徑為0.127 mm，共28匝。探頭實(shí)物如圖2所示。

(a)正面視圖

2 有限元仿真

2.1 探頭有限元建模

本文基于有限元軟件COMSOL Multi-physics對(duì)探頭檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行了仿真建模。探頭模型如圖3所示。探頭參數(shù)和實(shí)物相同。試件材料為鋁，電導(dǎo)率為35 MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，幾何參數(shù)(長(zhǎng)度×寬度×高度)為200 mm×100 mm×6 mm。裂紋長(zhǎng)度和試件寬度相同，寬度為0.2 mm，表面裂紋深度為4.8 mm，內(nèi)部裂紋埋深為1.2 mm。激勵(lì)電流為單極性脈沖，頻率設(shè)置為200 Hz，幅值為1 A。參照實(shí)驗(yàn)中100 Hz的雙極性脈沖激勵(lì)。

圖3 柔性平面差分探頭有限元模型

2.2 渦流分布

分別提取試件無(wú)缺陷、表面裂紋、內(nèi)部裂紋情況下，5.128 6 ms和5.495 4 ms時(shí)刻的渦流分布。無(wú)缺陷處渦流分布如圖4所示，渦流呈現(xiàn)環(huán)形流動(dòng)，隨著滲透時(shí)間的增加，渦流由強(qiáng)到弱逐漸向底部和四周擴(kuò)散。

(a)5.128 6 ms時(shí)刻

表面裂紋和內(nèi)部裂紋的渦流分布如圖5和圖6所示。和無(wú)缺陷的渦流分布相比，缺陷阻礙了渦流流動(dòng)，并在其周圍產(chǎn)生渦流擾動(dòng)。對(duì)比表面缺陷和內(nèi)部缺陷情況下的渦流流動(dòng)，在渦流衰減早期，表面裂紋造成渦流擾動(dòng)更大，在渦流衰減晚期，內(nèi)部裂紋造成的渦流擾動(dòng)更大。這表明由缺陷導(dǎo)致的渦流擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)間隨缺陷深度的增加而增大。

(a)5.128 6 ms時(shí)刻

(a)5.128 6 ms時(shí)刻

2.3 缺陷檢測(cè)電壓

探頭從左到右掃過(guò)缺陷，獲得各檢測(cè)位置的檢測(cè)電壓衰減曲線，提取所有檢測(cè)點(diǎn)處衰減曲線相同時(shí)刻的電壓值得到時(shí)間剖面曲線，從而得到所有時(shí)刻下的時(shí)間剖面圖。根據(jù)不同深度的缺陷造成渦流擾動(dòng)的時(shí)間差異以及明顯的電壓衰減曲線速率變化的階段選取相應(yīng)的時(shí)窗顯示檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間剖面圖。

選擇時(shí)間剖面圖的早期時(shí)窗得到表面缺陷的檢測(cè)信號(hào)，如圖7(a)所示。表面缺陷信號(hào)特征顯示為：2個(gè)正負(fù)相反峰電壓波形表示缺陷分別位于左右2個(gè)檢測(cè)線圈正下方時(shí)，檢測(cè)電壓變化趨勢(shì)相反，且電壓幅值大小相等。相比于表面缺陷，內(nèi)部缺陷造成的渦流擾動(dòng)出現(xiàn)在渦流滲透晚期。因此，選擇時(shí)間剖面圖晚期時(shí)窗得到內(nèi)部缺陷檢測(cè)信號(hào)，如圖7(b)所示。內(nèi)部缺陷信號(hào)特征和表面缺陷特征一致。表面缺陷特征顯現(xiàn)時(shí)間早于內(nèi)部缺陷特征顯現(xiàn)時(shí)間。渦流強(qiáng)度隨滲透深度增加呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此表面缺陷的檢測(cè)電壓值大于內(nèi)部缺陷。

(a)表面裂紋檢測(cè)電壓

3 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)

脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)如圖8所示，由脈沖信號(hào)源、功率放大器、柔性平面差分探頭、檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路、示波器組成。脈沖信號(hào)源產(chǎn)生激勵(lì)頻率為100 Hz，電流峰值為1 A，占空比為50%的雙極性方波。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路放大濾波后，通過(guò)示波器進(jìn)行顯示采集。

圖8 脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)

在2塊鋁試件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鋁的電導(dǎo)率為35 MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。使用電火花線切割的方法加工出凹槽來(lái)模擬工況中的裂紋缺陷。2塊試件的幾何參數(shù)如圖9、圖10所示。

圖9 試件1的幾何參數(shù)

圖10 試件2的幾何參數(shù)

3.2 表面缺陷檢測(cè)

為了探究在不同的提離高度下表面缺陷檢測(cè)電壓峰值和缺陷深度的關(guān)系，對(duì)試件1上表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。如圖11所示，在8.55 mm提離高度下探頭對(duì)試件1上的表面不同深度缺陷仍有較好的檢測(cè)能力。

(a)缺陷位于左側(cè)檢測(cè)線圈下的檢測(cè)電壓

當(dāng)缺陷分別位于2個(gè)檢測(cè)線圈下方時(shí)，檢測(cè)電壓的變化趨勢(shì)相反。隨著缺陷深度的增加，檢測(cè)電壓峰值逐漸增大，峰值時(shí)間逐漸變大。為了探究檢測(cè)電壓峰值和缺陷深度之間的定量關(guān)系。提取圖11中不同深度缺陷檢測(cè)電壓峰值V和缺陷深度h進(jìn)行擬合。得到擬合公式如下：

h=6.834×106V2+7 571V+0.314 3

(1)

式中：h為表面缺陷深度，mm；V為檢測(cè)電壓峰值，mV。

表面缺陷峰值電壓和缺陷深度的擬合曲線如圖12所示，由圖12可知，峰值電壓隨著缺陷深度的增加而增大，增加的斜率減小。當(dāng)檢測(cè)試件2上深度為4 mm、2 mm和1 mm的表面缺陷時(shí)，得到對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓峰值。通過(guò)實(shí)際深度與擬合深度的比較，式(1)可以定量地表示峰值電壓和缺陷深度之間的關(guān)系，用于評(píng)估表面缺陷的深度。

圖12 表面缺陷檢測(cè)擬合曲線

3.3 內(nèi)部缺陷檢測(cè)

將設(shè)計(jì)的探頭放置在試件1的底部，檢測(cè)試件1的裂紋缺陷。提取各缺陷位于探頭左檢測(cè)線圈和右檢測(cè)線圈下電壓的衰減信號(hào)。如圖13所示。

(a)缺陷位于左側(cè)檢測(cè)線圈下的檢測(cè)電壓

當(dāng)缺陷分別位于2個(gè)檢測(cè)線圈下方時(shí)，檢測(cè)電壓的變化趨勢(shì)相反。隨著內(nèi)部缺陷的埋深深度增加，檢測(cè)信號(hào)的峰值逐漸減小，峰值時(shí)間逐漸變大。當(dāng)缺陷埋深達(dá)到4.8 mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的峰值變化不明顯。因此，探頭可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷的最大埋深為4.8 mm。為了探究檢測(cè)電壓峰值和缺陷埋深的關(guān)系。提取出埋深小于4.8 mm的不同缺陷檢測(cè)信號(hào)的峰值大小V。對(duì)缺陷的埋深d和信號(hào)峰值V的關(guān)系進(jìn)行擬合。得到擬合公式為

d=-11.01V0.163 6+9.015

(2)

式中d為表面缺陷深度，mm。

檢測(cè)電壓峰值和埋深深度之間的擬合曲線如圖14所示。隨著缺陷埋深的增加，檢測(cè)信號(hào)峰值逐漸減小的同時(shí)，檢測(cè)電壓峰值的變化斜率減小，變化變慢。對(duì)試件2上的埋深為4 mm和2 mm的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。將缺陷的實(shí)際埋深和擬合值繪制在圖中。埋深的擬合值和實(shí)際值的基本一致。

圖14 內(nèi)部缺陷檢測(cè)擬合曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種柔性平面差分脈沖渦流探頭，對(duì)鋁板內(nèi)部埋深缺陷和表面缺陷檢測(cè)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究。

仿真結(jié)果表明探頭產(chǎn)生的渦流能夠有效滲透試件底部，表面裂紋和內(nèi)部裂紋引起的渦流擾動(dòng)的大小及時(shí)間差異解釋了檢測(cè)電壓信號(hào)與缺陷之間的關(guān)系。同時(shí)，對(duì)不同檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行等時(shí)窗間隔采樣得到電壓信號(hào)時(shí)間剖面曲線，利用正負(fù)相反峰波形信號(hào)特征表征裂紋缺陷特征。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明探頭可有效檢測(cè)提離下表面裂紋與無(wú)提離下內(nèi)部裂紋。隨著表面缺陷深度的增加，缺陷檢測(cè)信號(hào)峰值逐漸增大；然而內(nèi)部缺陷深度的增加，檢測(cè)電壓峰值變化趨勢(shì)相反。對(duì)缺陷信號(hào)峰值與缺陷深度以及埋深的擬合結(jié)果表明可以用峰值大小對(duì)缺陷深度信息進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。