方向性脉冲涡流应力检测研究进展

　　0 引 言

　　脉冲涡流无损检测技术是一种可实现定量检测导电材料表面和近表面缺陷深度的有效方法。而方向性脉冲涡流检测技术是一种新型的脉冲涡流检测技术，其检测的理论与传统的圆柱涡流探头的检测理论一样，遵循麦克斯韦电磁场原理，不同的是，方向性涡流测量的是某一方向所占比重比较大的电导率平均值。与脉冲涡流圆柱型探头检测技术相比，由于具有方向特性，在脉冲涡流各向异性金属部件应力检测中具有明显的优越性。因此，方向性脉冲涡流应力检测机理与应用的研究引起国内外专家学者的广泛关注。

　　1 方向性脉冲涡流应力检测原理

　　脉冲涡流的激励信号为具有一定占空比的方波，施加在探头上的激励方波会在激励线圈中感生出一个快速衰减的脉冲磁场，变化的磁场在导体试件中感应出瞬时涡流( 脉冲涡流) ，此脉冲涡流向导体试件内部传播，又会感应出一个快速衰减的涡流磁场，随着涡流磁场的衰减，检测线圈或磁传感器就会感应出随试件变化的电压。由于脉冲包含很宽的频谱，感应的电压信号中就包含有关金属材质的重要信息。

　　由于金属原子泊松分布效应，单向拉伸金属导体在金属导体纵向与横向方向上电导率有着不同的影响^[1]。圆柱型脉冲涡流探头测量金属导体的电导率为电导率平均值，对于各向异性金属导体的电导率的测量无能为力。方向探头检测为该探头测量拉伸应力方向的涡流在一定方向上占主导地位，即为被测金属导体电导率的变化与其拉伸应力方向一致，因此，可用来检测各向异性金属部件应力。

　　2 方向性脉冲涡流应力检测技术研究进展

　　2. 1 方向性脉冲涡流无损检测理论研究

　　方向性脉冲涡流的理论研究是在常规圆柱型涡流探头的理论研究基础上发展起来的。

　　在常规圆柱型涡流探头理论研究方面，1968 年，DoddC V 和 Deed W E 在线性、各向同性、均匀两层导电媒质的条件下，建立了涡流探头问题的数学模型，开启了涡流问题的解析解，随后还研究了带有缺陷的涡流问题的数学模型^[2]。希腊学者 Theodoulidis T P 等人对平面导电材料进行了研究，通过短和长时间常数 2 种指数激励情况下，对脉冲涡流瞬时响应信号进行了计算，得出在电极数有限的条件下，长时间常数指数激励脉冲涡流瞬时信号计算更快、更有用^[3～5]。2007 年，英国 Newcastle 大学田贵云等人将线圈检测的解析法进一步延伸，采用固态磁传感器作为信号拾取器件对多层导电结构材料进行检测，并将该解析法结果与数值仿真结果、实验结果进行了比较，发现该结果精确，效率高，计算速度快^[6]; 2008 年，该团队采用傅立叶变换在时域和频域去解脉冲涡流问题，计算精度进一步提高，速度更快^[7]; 2009 年，该团队通过解析法针对在低频激励下脉冲涡流提离效应进行了研究，提出: 1) 提离不变性发生在脉冲涡流磁信号的一阶导; 2) 提离相交点是一个范围而不是单一的提离交叉点^[8]。在国内，雷银照研究了半无限大导体上方附有一定厚度的平板导体时的轴对称涡流问题的解析解，但主要针对表面或内部无缺陷/裂纹的非磁性被测体^[9]; 肖春燕等人针对铁磁性材料硬度无损检测问题，借助近代电磁理论对检测圆柱线圈阻抗建模求解，将解析法与数值法相结合，建立了铁磁性材料硬度无损检测的电磁场数学模型^[10]; 于亚婷等人进一步推导了磁性被测体作用下的电涡流传感器线圈阻抗积分表达式，并将其展开成易于求解的级数形式，通过 MathematicTM 求得线圈阻抗值^[11];范孟豹、黄平捷等人提出了一种基于傅立叶变换的脉冲涡流瞬时解析模型，通过电磁波的传播与反射理论去解时谐的脉冲涡流电磁场^[12]。国内外学者研究的探头主要集中于涡流或脉冲涡流圆柱型探头，对于方向性( 矩形) 探头理论研究不多。日本学者 Yamada S 等人首次将 PCB 技术引入矩形探头设计中，并对缺陷进行成像检测^[13，14]; 希腊学者 Theodoulidis T P 针对涡流矩形探头进行了数学建模^[15]; 阿根廷学者 Fava J O 所在研究团队长期致力于涡流矩形探头的开发，指出涡流矩形探头能够很好地消除边缘效应，并在希腊学者 Theodouli-dis T P 解析模型基础上进行了解析模型的完善，对探头参数进行了优化^[16，17]; 澳大利亚学者 Ditchburn R J 等人比较了圆柱型探头、方型探头与矩型探头的性能，在尺寸、匝数密度相同情况下，圆柱型探头与方型探头具有相似的性能，而矩型探头优于圆柱型探头，矩型探头与被测导体具有更好的藕合性能; 对于长裂纹的检测具有良好的响应性能; 改变方向性探头的方向比，更有利于对裂纹的检测^[18]。在国内，西安交通大学李勇等人在希腊学者 Theodoulidis T P 的基础上，采用磁传感器作为信号拾取器件，进一步完善了方向性探头的脉冲涡流磁敏传感器检测模型^[19]。