基于聚磁技术的新型脉冲涡流传感器设计

　　0 引 言

　　脉冲涡流( pulsed eddy current ，PEC) 是近几年发展起来的涡流无损检测方法，由于脉冲包含很宽的频谱，感应的电压信号中就包含重要的缺陷深度信息[1]，对深层缺陷检测能力强，获取信息量丰富[2～4]，使其成为涡流检测领域的一个研究热点。

　　在脉冲涡流检测中，检测缺陷信息主要采用霍尔器件和检测线圈两类传感器。霍尔传感器可以对磁场的大小直接进行测量，Gui Y T 等人运用霍尔器件获取磁场的瞬态值，通过分析瞬态磁场特征，研究了对不同深度的表面和表面下缺陷的识别[5，6]，Ramirez A R 等人采用阵列霍尔传感器对表面和表面下的腐蚀缺陷进行了检测[7]，而 ShinYoung-kil 等人将传统的检测线圈进行了改进，设计了双检测线圈形式的差分传感器，2 个处于不同提离高度的检测线圈进行差分，较好地去除了由激励本身对检测结果带来的影响[8]，清华大学的 Li Shu 等人则设计了多种形式的正交结构检测线圈，对任意走向的裂纹检测进行了研究[9]。

　　目前，运用传统圆柱形脉冲涡流传感器对裂纹缺陷进行检测主要是对裂纹深度的定量检测，而对缺陷长度的定量研究较少。本文设计了一种检测线圈与激励线圈正交的传感器结构，对裂纹的长度进行了检测，并采用聚磁技术对检测线圈进行了改进，实现了对裂纹缺陷长度和深度的定量。

　　1 检测原理和仿真模型的建立

　　脉冲涡流传感器的激励线圈轴线垂直于被测试件，当激励磁场穿过被测导体时，感生涡流在铝板中呈环状流动，遇到裂纹缺陷时涡流将向缺陷底部和两端偏转，如图 1 所示，向两端会聚的涡流导致缺陷两端处电流密度增大，从而感生较强的垂向磁场 Bz，而向底部偏转的电流将会产生沿裂纹方向的磁场By，偏转涡流引起的磁场变化与缺陷参数之间必定存在某些内在联系，可以通过对该变化量的检测实现对缺陷的识别和定量。

　　本文采用大型电磁仿真软件 ANSYS 建立脉冲涡流检测的仿真模型，如图 2 所示，图中，OY 方向为裂纹缺陷的长度方向，OX 方向与缺陷走向垂直，OZ 方向为激励线圈轴向，垂直于铝板表面。检测线圈位于激励线圈底部中央位置，轴向为 OY 向，与激励线圈轴向正交，可以减小激励磁场对检测的直接干扰。

　　仿真模型的参数为: 激励线圈为圆柱形线圈，内外半径分别为 22. 5，24. 5 mm，高为 45 mm; 检测线圈为圆柱形线圈，内外半径分别为 2，4 mm，高为 3 mm; 激励与检测线圈的仿真均采用铜线材料特性，电导率电阻率为 1. 724 ×10- 8Ω·m，其中，激励线圈采用直径为 0. 35 mm 的铜线，绕线匝数为 300 匝，检测线圈的线直径 0. 08 mm，匝数为350 匝; 金属试件是一块几何尺寸为 200 mm × 200 mm ×5 mm的铝板，相对磁导率为 1，电阻率为 2. 65 × 10- 8Ω·m;缺陷位于铝板中心，是一个矩形槽，其尺寸参数将在下文中具体给出; 提离为 1 mm。