圖1. 科赫探頭和圓形探頭的線圈結(jié)構(gòu)

2024年5月，蘭州理工大學(xué)的陳國龍、靳伍銀團(tuán)隊(duì)在Chinese Journal of Mechanical Engineering上發(fā)表了一篇題為“Lift-Off Effect of Koch and Circular Differential Pickup Eddy Current Probes”的文章。該團(tuán)隊(duì)使用了兩種具有差分拾取結(jié)構(gòu)且大小相同的平面渦流探頭(分別是科赫探頭和圓形探頭)來比較提離效應(yīng)，并通過有效元分析得到了0°和90°裂紋擾動(dòng)下的探頭渦流分布情況，最終證明了科赫探頭在低提離距離下檢測(cè)90°裂紋的優(yōu)點(diǎn)。

渦流檢測(cè)(Eddy currenttesting, ECT)是常見的非破壞性檢測(cè)方法之一，廣泛用于檢測(cè)金屬材料表面或內(nèi)部的缺陷。這種方法不僅在缺陷檢測(cè)中起著關(guān)鍵作用，還可以獲取有關(guān)金屬材料結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的信息。在使用ECT系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，EC探頭是不可或缺的部分，它可以獲得從被測(cè)試樣品反饋的電信號(hào)。

2015 年，陳國龍團(tuán)隊(duì)將科赫曲線引入平面渦流傳感器的設(shè)計(jì)，提出一種科赫曲線激勵(lì)、螺線拾取方案。2021年，陳國龍團(tuán)隊(duì)將激勵(lì)線圈設(shè)計(jì)為差分結(jié)構(gòu)，提出一種具有并聯(lián)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的科赫平面渦流傳感器。然而在實(shí)際探測(cè)中，探頭與樣品之間總是存在提離距離，這可能會(huì)造成干擾，因此在該文章中，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究提離效應(yīng)對(duì)科赫探頭信號(hào)輸出的影響，同時(shí)還將使用同樣大小和繞線方法的圓形線圈探頭，用于比較科赫探頭的離板效應(yīng)。

測(cè)量方法 & 部分測(cè)量結(jié)果

圖2. 科赫差分拾取探頭的工作原理

當(dāng)接收到交流電時(shí)，科赫探頭的激勵(lì)線圈產(chǎn)生主磁場(chǎng)。當(dāng)探頭接近鋁樣品時(shí)，樣品產(chǎn)生主磁場(chǎng)并誘導(dǎo)渦流。由于渦流也是交流電，根據(jù)楞次定律，在渦流周圍會(huì)產(chǎn)生阻礙主磁場(chǎng)變化的次級(jí)磁場(chǎng)。在主磁場(chǎng)和次級(jí)磁場(chǎng)之間的相互作用下產(chǎn)生合成磁場(chǎng)。隨后，通過拾取線圈獲得合成磁場(chǎng)，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于拾取線圈的特殊繞線方法，左右半部分的信號(hào)輸出是相反的，并且可以互相抵消。當(dāng)探頭下沒有缺陷時(shí)，拾取線圈的信號(hào)輸出達(dá)到零，即在理想條件下具有自消屬性。然而，當(dāng)探頭經(jīng)過缺陷時(shí)，拾取線圈一半的信號(hào)輸出會(huì)受到干擾。這時(shí)，拾取線圈的總輸出信號(hào)不再為零，因此可以識(shí)別缺陷信息。由于這種特性，可以減少提離效應(yīng)對(duì)探頭的負(fù)面影響。

圖3. 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

首先用函數(shù)發(fā)生器輸出一個(gè)頻率 100 kHz 、峰值300 mV的正弦激勵(lì)信號(hào)和一個(gè)相同參數(shù)的 TTL 參考信號(hào)。其中，輸出的 TTL 參考信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器(OE2031)的參考通道;正弦激勵(lì)信號(hào)進(jìn)入功率放大器進(jìn)行放大，然后將萬用表串聯(lián)在電路中以監(jiān)測(cè)激勵(lì)電流有效值，最后與傳感器的激勵(lì)線圈相連組成閉合回路，此過程完成對(duì)傳感器的激勵(lì)部分;接著對(duì)拾取線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行獲取，將拾取線圈與前置放大器的輸入端相連對(duì)拾取到的信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸出端進(jìn)入鎖相放大器的信號(hào)輸入端，該信號(hào)與鎖相放大器中的 TTL 參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得到實(shí)部和虛部信號(hào)。

圖4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果: (a)檢測(cè)0°裂紋，(b)檢測(cè)90°裂紋。圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(a)科赫探頭，(b)圓形探頭

圖4(a)展示了對(duì)0°取向裂紋進(jìn)行檢查時(shí)輸出信號(hào)的。通常情況下，隨著離板距離的增加，值呈指數(shù)級(jí)下降，兩個(gè)探頭輸出的響應(yīng)信號(hào)在相同的提離距離下幾乎相同。

對(duì)于90°取向的裂紋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致，如圖13(b)所示。兩個(gè)探頭輸出信號(hào)的值隨著提離距離的增加呈指數(shù)級(jí)下降，而圓形探頭的隨著提離距離的增加下降速度較慢。與有限元結(jié)果類似，提離距離對(duì)科赫探頭信號(hào)的影響比對(duì)圓形探頭的影響更為明顯。換句話說，圓形探頭在小提離距離下的檢測(cè)結(jié)果更穩(wěn)定。科赫探頭輸出信號(hào)的在一定提離距離范圍內(nèi)明顯大于圓形探頭。當(dāng)提離距離為0.1毫米時(shí)，科赫探頭的比圓形探頭大66.0%。隨著提離距離的增加，直到提離距離超過1.2毫米，科赫探板距離超過1.2毫米，科赫探頭的才不再大于圓形探頭的。

圖5(a)和(b)分別顯示了檢測(cè)到90°裂紋時(shí)科赫和圓形探針信號(hào)輸出的歸一化結(jié)果。隨著激發(fā)頻率的增加，頻率的提升變得越來越明顯，隨著提離距離的增加，1000 kHz的下降速度快于其他頻率。

總結(jié)

該研究提出了基于科赫分形曲線的平面差分式拾取渦流探頭。該探頭通過差分結(jié)構(gòu)繞制，有效地抑制了檢測(cè)過程中的提離噪音。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)尺寸相同的圓形差分式拾取渦流探頭，以比較這兩種探頭的提離效應(yīng)。從有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1. 在低離板距離下，90°裂紋對(duì)科赫探頭的干擾比對(duì)圓形探頭更強(qiáng)烈。

2. 當(dāng)離板距離小于1.2毫米時(shí)，科赫探頭比圓形探頭更適合檢查90°取向的裂紋。

3. 1000kHz信號(hào)的提離距離對(duì)值的影響比100kHz和500kHz更為明顯。

審核編輯 黃宇