柔性探头涡流检测复杂曲面结构缺陷的研究

　　1 前言

　　复杂曲面导体广泛应用于现代工业中，例如飞机发动机的轴、盘、叶片，飞机轮毂，机车轮毂，钢轨踏面，核反应堆压力容器，锅炉压力容器，焊接结构，系统零件，锻件，带弯角的型材等[1，2]。这些复杂曲面结构，尤其是曲率较大部位，往往是整个系统的应力集中部位、承力构件或者易损零部件，因而成为整个系统最容易出现缺陷的关键部位。因此，这些复杂曲面结构缺陷的无损检测，在产品制造和使用过程中，对于可靠性和寿命的评估或制定维护策略，防止因不可预期的失效而导致经济损失和安全危害，具有非常重要的作用。被检测结构复杂曲面的存在，使得对其缺陷的检测成为目前无损检测领域工程技术人员面临的难题。目前，复杂曲面结构缺陷的无损检测方法有: 超声、涡流、射线、红外热成像等。然而，这些方法对复杂曲面结构缺陷的检测都存在一定的局限性。涡流检测技术提供了一种低成本的快速大规模检查方法，具有非接触的优点，因而成为了无损检测/评估导电材料表面或近表面质量的一种非常重要并被广泛采用的方法。然而，涡流检测方法目前一般用于平面试件的检测中，对复杂曲面结构的检测还存在一些尚待解决的问题，例如对复杂曲面的适应性差、提离效应严重、检测灵敏度较低等。本文将研究复杂曲面结构缺陷涡流无损检测问题。通过建立有、无缺陷的复杂曲面结构的涡流检测电磁场模型并进行仿真，设计适用于复杂曲面缺陷检测的探头和系统，给出整个检测系统的硬件框图及软件组成，以实现复杂曲面结构缺陷的无损检测。

　　2 柔性探头的设计

　　涡流检测导电材料缺陷的方法是建立在电磁感应基础上，利用交变磁场作用下不同材料中产生不同的涡流场，并通过检测该涡流产生的磁场来评估导电材料的物理性能结构及冶金材料的差异性，从而判别材料差异和裂缝、折叠、气孔、夹杂和划伤等缺陷。

　　柔性探头是在柔性基底上加工扁平线圈而制成的涡流传感器。由于基底具有良好的柔韧性能，可自由弯曲甚至折叠，能够与复杂外形曲面紧密贴合或者保持相对位置稳定[3，4]，因此适用于复杂曲面结构缺陷检测。图 1 所示为密贴于带有弯角的凹曲面导体上采用扁平矩形螺旋绕制方式的柔性探头，正弦激励信号接入柔性激励线圈的两结点。与圆柱激励线圈相比，该探头能够有效抑制复杂曲面结构检测时的不稳定提离，提高检测精度和可靠性。

　　3 复杂曲面结构缺陷检测电磁场仿真

　　3. 1 电磁仿真模型