金属板间间隙的涡流检测系统的研制

　　一、引言

　　在许多重要的应用领域,经常遇到多层金属结构与分层厚度检测的问题,如航空构件中间层腐蚀、气隙层的厚度检测都需要一种定位、定量(尺寸、大小)、精度高、可靠性好、人工干涉少、操作方便的检测方法。目前用于测厚的方法有超声、射线、激光跟踪以及涡流检测等方法。这些方法各有优缺点,在应用上相互补充。但是射线法需要放射源,存在防护等问题,使用不方便;超声测厚有共振法、脉冲反射法,可满足测量精度的要求,但是超声法需要耦合剂,且由于空气的声阻大,超声很难通过固气、气固界面,无法进行多层结构中空气层的厚度非接触测量;而激光跟踪法难以应用于多层结构厚度检测中。相比之下,涡流检测方法具有灵敏度高、适用于所有导电材料、造价低、不需要耦合剂可进行非接触测量等优点。譬如飞机多层搭接件内部腐蚀气隙检测,采用多频涡流检测技术,可以有效地分离空气间隙和腐蚀信号。因此,研究涡流检测理论和技术在多层结构缺陷和厚度检测中的应用,具有重要的学术价值与重要的实际意义。本文为此设计了一套多层厚度的电涡流检测实验系统。

　　二、检测原理

　　本系统的检测模型如图1所示,将一探头垂直的放在被测件的上方,当在探头中通以一定频率的交变激励信号时,在控头周围会产生交变磁场。当探头靠近金属导体时,在被测金属导体中产生感应涡流,此涡流产生次级交变磁场,这个次级磁场阻碍检测线圈的磁通变化,导致线圈的复阻抗发生变化。这样便可以通过检测线圈的阻抗变化,提取所需的间隙信息。由电涡流的集肤效应可知,导体中感应出的涡流密度在材料表面下迅速衰减,如图1所示。涡流密度随频率、电导率和磁导率的增加而减小,这三个参数的变化可用于确定标准渗透深度δ,该深度的涡流密度减小到表面强度的37%,表达式为:

　　式中,δ为标准渗透深度(cm);f为测试频率(Hz);μ为相对磁导率;σ为电导率。

　　非磁性材料的相对磁导率为1.0,各种材料的电导率一般已知且是固定不变的。因此,渗透深度由测试频率决定。当涡流密度下降到表面涡流密度的5%时,有效渗透深度δE为:

　　这样要得到间隙值d,就要使探头产生的磁场足够强,产生的电涡流的渗透深度足够大,能够透过上层铝板及间隙,在基体中产生电涡流,从而影响探头的阻抗变化。在线圈参数不变的情况之下,其阻抗变化与金属的电导率σ,相对磁导率μ、激励电流频率f及探头到被测件基体之间的距离有关,阻抗Z与其影响因素关系如式(3)所示:

　　Z=F(σ,μ,f,p,d)(3)

　　显然当电导率σ、相对磁导率μ及激励频率f已知的情况下,探头阻抗的变化与上层铝板的厚度p及其与基体之间的间隙值d有关(参见图2)。这里要检测的是间隙距离d,就要排除上层铝板及探头的提离距离的影响,使得探头阻抗变化为间隙距离d的单值函数,即: