跑道型差动式涡流探头设计及其性能研究

陈 涛，张 赛，肖小齐，宋小春，李冬林，廖春晖，涂 君

（湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068）

涡流无损检测因检测灵敏度高、检测速度快、无接触、无需耦合剂等优点而被用于导电材料的缺陷检测，在电力、铁路、机械、航天、航空等领域应用广泛［1-5］。涡流探头的结构形式较多，可以由1个线圈构成，也可以由多个线圈构成［10-14］。与其他常规的涡流探头相比，差动式涡流探头对提离高度、外界温度等干扰因素不敏感，可以在一定程度上减小或消除提离效应、外界温度等因素的影响，因此被广泛应用于各种导电材料的无损检测中［15-17］。

传统的差动式涡流探头常采用3个相同的线圈并列放置，中间线圈作为激励线圈、两侧线圈作为差分感应线圈的结构设计，存在尺寸较大且检测灵敏度较低的缺陷。笔者在传统差动式涡流传感器的基础上，设计了一种能用于碳钢板表面缺陷检测的跑道型差动式涡流探头。利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了跑道型差动式涡流探头模型，比较了跑道型差动式涡流探头与传统差动式涡流探头在涡流场分布上的差异，并在不同缺陷深度、不同扫查角度下研究了两者的检测灵敏度。制作了跑道型差动式涡流探头和碳钢板缺陷试件实物，并利用试验测试的方法比较跑道型差动式涡流探头和传统差动式涡流探头的检测灵敏度。

1 差动式涡流探头探伤原理

传统差动式涡流探头的结构如图1（a）所示。3个相同型号的线圈依次排列，中间的一个线圈作为激励线圈，两边的线圈反向连接作为差分感应线圈。在检测过程中，加载特定频率和幅值的正弦信号于激励线圈中，由于电磁感应的作用，激励线圈会在被检测的金属板中激励出按照一定规律分布的涡流场。当金属板表面没有缺陷时，由于感应涡流场的对称性，两侧感应线圈感应出大小相同、极性相反的电压信号，总输出信号为零；如果金属板表面存在缺陷，在2个感应线圈依次扫过缺陷的过程中，原涡流场的对称性被打破，两感应线圈的感应电压出现差异，由此产生并输出一个差分感应信号。

笔者在传统差动式涡流探头的基础上，设计了一种跑道型差动式涡流探头，其结构如图1（b）所示。跑道型差动式涡流探头由1个形状像跑道的大激励线圈包裹着2个并列放置且反向连接的圆形小感应线圈而构成。当对激励线圈加载频率和幅值一定的正弦交流信号时，激励线圈产生的交变磁场会在被测件的近表面感应出涡流场。由于对称性，当探头平稳扫过被测件完好无损的部位时，两感应线圈覆盖区域的涡流场保持恒定且相等，差分感应信号输出为零；当探头扫过被测件的缺陷部位时，两检测线圈先后扫过缺陷区域，使原有涡流场分布的对称性被打破。缺陷部位畸变涡流生成的交变磁场会在2个感应线圈中依次感生出大小不同的电动势，产生并输出一个对应于缺陷的差分感应信号。

图1 差动式涡流探头的结构及其涡流密度分布Fig.1 Structure and eddy-current density distribution of differential eddy-current probe

2 不同结构差动式涡流探头检测性能的有限元仿真

采用COMSOL Multiphysics多物理场建模仿真软件研究跑道型差动式涡流探头设计的可行性及其与传统差动式涡流探头在检测性能上的差异。建立跑道型差动式涡流探头的几何模型，如图2所示。跑道型差动式涡流探头的激励线圈由2个半径相同的半圆和2段长为4.6 mm的直线段拼接而成，感应线圈是2个半径相同的圆形线圈。在仿真分析过程中，传统和跑道型差动式涡流探头的参数设置见表1。

2.1 不同结构差动式涡流探头的涡流场分布比较

为了分析跑道型差动式涡流探头与传统差动式涡流探头在检测性能上的差异，首先，利用COMSOL Multiphysics仿真软件分析2种探头在被测碳钢板表面涡流场的分布情况。对2种差动式涡流探头均施加频率为95 kHz、激励电流为100 mA的正弦激励信号，其他仿真参数见表1，得到如图1所示的2种差动式涡流探头在试件表面的涡流密度分布。从图1可以看出，在频率和幅值完全相同的正弦激励信号激励下，跑道型差动式涡流探头感应线圈④、⑥所覆盖区域的有效涡流场面积和涡流密度都比传统差动式涡流感应线圈①、③的大。相比于传统差动式涡流探头结构设计，跑道型差动式涡流探头具有较紧凑的结构以及较高的有效涡流场密度。

图2 跑道型差动式涡流探头的几何模型Fig.2 Geometric model of runway-type differential eddy-current probe

表1 差动式涡流探头仿真参数设置Table 1 Simulation parameter setting of differential eddy-current probe

接着，利用COMSOL Multiphysics仿真软件提取了在加载频率为95 kHz、激励电流为100 mA的正弦信号激励下，探头垂直扫过长×宽×深为30 mm×0.15 mm×0.5 mm的碳钢板缺陷时的输出信号，如图3所示，其中横坐标“0 mm”对应缺陷中心位置。从图3可以看出，对于同一缺陷，跑道型差动式涡流探头的缺陷响应信号明显大于传统差动式涡流探头。图1和图3表明，笔者设计的跑道型差动式涡流探头不仅结构紧凑，而且检测灵敏度较高。

2.2 不同结构差动式涡流探头对不同深度缺陷识别能力的比较

在被测件上预置长为30 mm，宽为0.15 mm，深依次为 0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 mm 的缺陷，利用COMSOL Multiphysics软件分别仿真2种探头扫查钢板不同深度缺陷的过程，得到探头检测信号峰-峰值随缺陷深度的变化曲线，如图4所示。

图3 不同结构差动式涡流探头垂直扫过同一缺陷时的输出信号Fig.3 Output signals of differential eddy-current probes with different structures sweeping through the same defect vertically

图4 不同结构差动式涡流探头检测信号峰-峰值随缺陷深度的变化曲线Fig.4 Curves of the detection signal peak-to-peak value of differential eddy-current probes with different structures varying with defect depth

从图4可以看出：2种探头检测信号峰-峰值都随缺陷深度的增加而呈现增大的趋势；当缺陷深度达到2.0 mm后，2种探头检测信号峰-峰值的增大趋势均变得缓慢，导致这种现象的原因是涡流的趋肤效应［18-20］；在缺陷深度相同的情况下，跑道型差动式涡流探头的检测灵敏度更高。

2.3 不同结构差动式涡流探头在不同扫查角度下对缺陷识别能力的比较

在缺陷检测过程中，探头的扫查角度（即扫查路径与缺陷中心的夹角）对检测结果有较大的影响。

在被测试件上预置长为30 mm、宽为0.15 mm、深为1.0 mm的缺陷。探头的扫查角度从0°开始，以15°为步长增至90°，利用COMSOL Multiphysics软件分别仿真2种探头扫查钢板缺陷的过程，得到探头检测信号峰-峰值随扫查角度的变化曲线，如图5所示。

图5 不同结构差动式涡流探头检测信号峰-峰值随扫查角度的变化曲线Fig.5 Curves of the detection signal peak-to-peak value of differential eddy-current probes with different structures varying with scan angle

从图5可以看出：在0°～90°的扫查角度内，检测信号峰-峰值均随扫查角度增大而增大；在45°以后，随着扫查角度的增大，检测信号峰-峰值的增大趋势均变得缓慢；在0°～90°的扫查角度内，跑道型差动式涡流探头检测信号峰-峰值均大于传统差动式涡流探头，其缺陷检测灵敏度均大于传统差动式涡流探头。

3 试验验证

为了验证仿真分析结果的正确性，笔者制作了跑道型差动式涡流探头，并采用激光加工的方式在碳钢板上刻出长为30 mm，宽为0.15 mm，深分别为0.5，1.0，2.0 mm的缺陷，如图6所示。

图6 跑道型差动式涡流探头和碳钢板缺陷试件实物图Fig.6 Picture of runway-type differential eddy-current probe and carbon-steel plate defect specimens

2种差动式涡流探头都在90°的扫查角度下具有最大的缺陷检测灵敏度，因此，在测试过程中，均以90°的扫查角度、相同的速度扫查碳钢板上的缺陷，得到如图7所示的探头输出信号随时间的变化曲线。从图7可以看出，在90°的扫查角度下，跑道型差动式涡流探头对碳钢板上3种规格缺陷的响应信号均大于传统差动式涡流探头，表明跑道型差动式涡流探头相对于传统差动式涡流探头具有更高的缺陷识别能力，且探头的缺陷响应信号随缺陷深度的增加而增大。

图7 相同扫查速度下差动式涡流探头输出信号随时间的变化曲线Fig.7 Variation curves of output signal of differential eddycurrent probes with time at the same scanning speed

4 结 论

笔者在传统差动式涡流探头的基础上，设计了一种跑道型差动式涡流探头。利用COMSOL Multiphysics仿真软件，分析、比较了跑道型差动式涡流探头与传统差动式涡流探头的涡流场分布状况、对不同深度缺陷及在不同扫查角度下对缺陷的识别能力。制作了跑道型差动式涡流探头和碳钢板缺陷试件实物，在90°最优扫查角度下比较了2种探头对碳钢板缺陷的检测效果。试验结果表明，与传统差动式涡流探头相比，跑道型差动式涡流探头不仅具有更紧凑的结构，还具有更高的检测灵敏度，可用于导电材料的精密无损检测。