点探头涡流无损检测中磁介质作用机理研究

　　1　引　言

　　涡流探伤是无损检测的重要手段之一,掌握探头周围涡流场分布对改进检测仪的设计、提高检测精度具有指导意义。为便于理论计算,通常以空心线圈为 模型[1]。但在实际应用中,空心线圈的阻抗信号较弱,信噪比较低,不能满足检测需要。为了增大探头的阻抗信号,提高信噪比,通常使用含有软磁介质的长线 圈作为检测探头,可以使检测信号增大近百倍。加入磁介质后,磁介质被磁化,进一步使磁场增强。驱动电流的磁场和磁介质产生的磁场与导体进行作用与反作用, 且加入磁介质后使边界条件变得复杂,使理论计算非常困难。至今尚没有相关理论计算公式,因此有必要研究含磁介质点探头附近涡流场理论及相应的探头阻抗计算 公式。

　　目前,计算媒质中探头线圈周围涡流场分布的理论方法主要有两种:有限元方法和边界元方法[1~3]及使用并矢格林函数的体积分方程方法[4]。 但是以上两种理论都没有涉及到含磁介质探头的情况,本文发展了并矢格林函数的体积分方程方法计算非铁磁性导体中有缺陷时探头周围三维涡流场的理论,分析了 磁介质点探头的特点,考虑到磁作用计算了磁介质对涡流场的影响,得到磁介质探头的涡流场公式和对应附近导体的阻抗公式。提出计算非铁磁性导体中有缺陷时含 磁芯探头周围三维涡流场的公式,进而给出各种情况下的阻抗变化计算公式。通过编程实例计算,给出无缺陷时探头信号与提离高度的关系、探头提离对阻抗信号的 影响和缺陷对探头阻抗信号的影响。计算结果与实验值基本符合一致,与其它文献结论也基本符合一致。

　　2　无损检测基本模型

　　无损检测基本模型如图1所示,被检测导体为无限大非铁磁性铝板,导体上方附近存在激励电流和磁介质棒。通过建立含磁介质探头涡流无损检测模型, 求出磁介质的等效电流来处理磁介质的影响。引入等效线圈[5],利用格林函数和体积分方程方法[6],解出含磁介质线圈和均匀半无限导体的磁矢量势和导体 中涡流、电场强度分布。电磁场中各场量应满足如下Maxwell方程组及物质方程。

式中:B、H、D、E分别为磁介质内及周围空间电磁场磁感应强度、磁场强度、电位移、电场强度;J、ρ分别表示自由电流密度和自由电荷密度。

　　由于所研究的空间中不存在自由电荷和电介质,故式(4)中ρ=0,式(5)中P=0,故有:

　　激励源电流密度为Js,线圈中磁介质的磁导率为μ。设线圈附近有一导体,导体内有一缺陷。导体电导率为σ,缺陷内充满空气;空气磁导率和介电常数分别为μ0和ε0,忽略位移电流。由于线圈内有磁介质,式(6)中磁化强度M不为零,难以求解方程。