基于电涡流原理的无损检测方案设计

摘 要：电涡流检测是基于电磁感应原理的一种常规无损检测方法。從麦克斯韦方程出发，采用交流线圈为检测工件提供激励磁场，利用电磁感应原理，分析缺陷附近电磁场变化，使用巨磁电阻在缺陷附近输出电压的变化，设计电涡流无损检测方案。经过Comsol进行仿真验证，该方法能较好的检测金属缺陷。

关键词：电涡流；巨磁电阻；缺陷检测

无损检测（Nondestructive Testing，NDT）是采用各种方法，以不破坏被测对象完整性和整体功能为前提，检测、定位、分类和定量评估完整性而进行的检测[1]。常用的探伤方法包括涡流探伤、射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤等方法[2]。超声检测需要耦合剂，较难辨识缺陷性质和种类，需借助一定方法和技术，且难以对多层结构试件内缺陷进行检测；射线检测设备复杂、昂贵、便携性差，对人体有害，检测成本高；超声检测和射线检测需一定的检测厚度，对于试件表面浅层距离内的缺陷均难以识别；渗透检测难于检测内部缺陷，通常内部带有支撑结构，且被测试件厚度通常不超过10 mm[3]。

电涡流无损检测技术相对于其他无损检测方法，由于其在检测过程中不需要耦合剂，能够实现非接触测量，工艺简单且成本低，操作容易，检测过程具有快速性和安全性，设计和实现工业自动化测量较简单，在导电材料的无损检测领域有着广阔的前景[4]。长期以来，国内外学者针对焊接缺陷的电涡流检测热点问题开展了大量研究。目前，在焊接过程监测和焊缝裂纹检测等技术领域，电涡流检测技术已经实现了初步应用。但是由于焊接缺陷的检测过程中常常存在结构复杂、干扰量多等因素，导致焊接缺陷的电涡流检测过程十分困难，因此检测灵敏度低，检测可靠性不高。

1 电涡流检测方案设计

当被测金属中存在缺陷时，金属内部原有涡流和磁场的空间分布发生改变，进而通过检测涡流和磁场分布识别缺陷[5]。巨磁电阻（Giant Magneto Resistance GMR）传感器的引入提高了低频激励条件下的检测灵敏度，该传感器利用GMR 效应，指磁场材料的电阻率在外加磁场的作用下产生电阻率变化的现象[6]。由于GMR传感器还具有敏感轴特性，即与敏感轴平行方向磁场对其输出影响大，而与敏感轴正交方向磁场对其输出影响小，基本可忽略不计。根据这一特性，可分别检测不同方向缺陷磁场强度。在实际检测中，令GMR敏感轴正交于激励磁场，因而无缺陷情况下GMR无输出，而缺陷的存在改变导体内部涡流分布，使得产生敏感轴方向二次磁场，该磁场被GMR获取并输出，因而其输出信号包含缺陷信息。因此，目前常用传感器检测方向为水平方向正交于激励磁场（Hx方向）及竖直方向正交于激励磁场（Hz方向）两种。本文设计传感器检测方向Hz研究两方向正交于激励磁场（Hz方向），设计结构如图1所示。巨磁电阻水平放置于激励线圈内部，使其与感生磁场方式垂直，可获取更多缺陷信息。

2 电涡流检测理论

麦克斯韦方程组（1-4）是电涡流检测中，电磁场分析的基础，利用交变的电场产生交变的磁场，交变磁场分布在被测试件区域，形成感应电磁场，当传感器探头接近感应电磁场时，即在探头上形成交变电场。

H为磁场强度，J为电流面密度，D为导体表面电通量密度，E为电场强度，q为电荷量。式（1）表示全电流方程，表明传导电流及变化电场均能产生磁场。式（2）为推广的电磁感应定律，其表明变化磁场亦可产生电场。式（3）为磁通连续性原理，其表明磁力线是无头无尾的闭合曲线。式（4）为高斯定理，其表明电荷以发散的方式产生电场。麦克斯韦方程组微分形式为：

3 缺陷电磁场机理分析及仿真

建立交流激励线圈在金属导体上的电磁场分布的数学模型，分析金属导体上缺陷有无缺陷时，磁场分布，为下一步GMR传感器感生电场分析提供理论依据。在分析磁场模型之后，采用Comsol软件建立电磁场模型如图2所示。

3.1 无缺陷模型分析

4 GMR传感器的电涡流检测技术

GMR传感器的敏感轴方向平行于图6所示的y轴方向时，I1、I2都会产生平行于敏感轴方向的磁场分量，同时GMR传感器芯片在线圈的中心位置，即涡流的中心位置，GMR 传感器的输出为涡流I1和I2在GMR传感器所在位置磁场的叠加。

4.1 磁场分析

4.2 GMR传感器输出原理

GMR传感器电路原理图如图8所示，R1、R2、R3、R4配置成惠斯通电桥，R2、R4两个电阻被屏蔽，当磁场变化是不受影响。R1、R3未被屏蔽，位于外部磁场时，巨磁电阻R1、R3输出很小，位于缺陷周围时，R1、R3阻值变化非常大，从而GMR芯片有输出：Uout=k3By=k3k2I，k3为GMR传感器的灵敏度系数。

根据法拉第电磁感应原理，当闭合导体回路中的磁通量发生变化时，回路中就会产生相应的感应电动势及感应电流，GMR传感器能够直接对磁场强度进行测量并且转化成电压值，所以在电涡流检测过程中十分方便。使用常规线圈作为检测传感器时，根据法拉第定律，线圈的感应电压为：Vcoil=kc，kc为比例系数。在正弦激励下，即B=sin（2πft+θ）时：

经过仿真得到GMR传感器输出电压变化如图9所示，在缺陷的边缘部分，输出电压迅速变化，在远离缺陷区域，输出电压趋于平稳。因此当传感器以用平扫方式经过缺陷时，输出电压信号产生极性、相位、幅值的变化，为电涡流无损检测的应用研究提供了理论依据。

5 总结与展望

本文从电涡流检测原理出发，使用交流矩形线圈做激励，通过对麦克斯韦方程的解析，定量分析了缺陷周围电磁场的变化，定性得到电磁场变化对GMR传感器输出的影响，得出电涡流无损检测技术的理论可行性。使用Comsol软件对激励磁场、被测试件及缺陷信息分别建立模型，对缺陷周围电磁场及GMR传感器输出电压建模仿真，得出缺陷周围电磁场传感器输出明显变化，进一步验证了电涡流无损检测方法对于金属导体缺陷检测的可行性。

本文初步分析了缺陷周围电磁场变化理论，下一步应从实验角度设计电涡流无损检测装置，采集缺陷数据，并进行分析，定量研究缺陷附近电磁场变化。同时，本文只对缺陷周围电磁场进行分析，未涉及到缺陷的深度，在这方面应进一步深入研究。另外应深入分析缺陷数据，以求得到更多缺陷信息并定量分析。

参考文献

[1]林俊明.电磁（涡流）检测技术在中国[J].无损检测，2009（B12）：55-56.

[2]王自明.国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材， 编审委员会，无损检测综合知识[M].机械工业出版社，2005.

[3]林俊明.电磁无损检测技术的发展与新成果[J].工程与试验，2011， 51（1）：1-5+29.

[4]陈德智，赵玉清，盛剑霓，等.基于场量分析的涡流无损检测技术[J].无损检测，1999（6）：241-244.

[5]A. Jander， C. Smith， R. Schneider， Magneto resistive sensors for nondestructive evaluation in： Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering， USA， 2005： 1-13.

[6]A. Sophian， G. Y. Tian， D. Taylor， et al.， Electromagnetic and eddy current NDT： A review， Insight： Non-Destructive Testing and Condition Monitoring， 2001， 43 （5）： 302-306.

作者简介：赵治月，男，河北沧县人，沧州师范学院机械与电气工程学院讲师，工学硕士，研究方向：过程检测与控制。