涡流阵列检测技术的研究进展现状分析

张卫民，岳明明，庞炜涵，徐民东，陈国龙

(北京理工大学 机械与车辆学院 北京 100081)

0 引言

涡流阵列传感器检测技术，亦属于涡流传感器技术新兴发展方向之一。因为这种检测技术既有涡流检测技术非接触、在实际检测中便于应用的优势，又有阵列传感器检测大型工件效率高的特点，在检测零件表面损伤研究方面，具有独特优势，是一种结合计算机技术、自动控制技术、多传感器融合技术、智能信号处理技术的综合技术，目前虽不够成熟、稳定、在检测实践中应用也不多，但无碍于这种技术的发展。

1 涡流阵列检测技术的研究进展

国际上，最初的涡流阵列传感器由绕制的线圈单元构成。1988年，Krampfner和Johnson将印制电路板技术用于涡流阵列传感器的设计，巧妙解决了人工绕制线圈一致性较差的问题[1]。2009年，加拿大Eddyfi公司开发出各种结构柔性阵列涡流检测传感器(如图1、图2所示)，并由Matrix公司在国内负责销售，检测效果较好，适应于各种曲面零件的检测，但价格较高，用户不多。2004年，CODECI传感器问世，该传感器将阵列排布的线圈单元和CCD结合，能检测各种导电材料的表面缺陷，是阵列传感技术的重要进展。

图1 加拿大Eddyfi公司研制的柔性阵列式涡流探头

图2 加拿大Eddyfi公司的试样和检测结果

此外，还有各种新型原理的阵列传感器方案，如基于SQUID效应的阵列传感器[2]、基于MWM的阵列传感器[3]、霍尔元件阵列传感器[4]、GMR阵列传感器等[5]。但这些传感器由于受到各种条件限制，都没有线圈式阵列传感器在实践中应用广泛。

国内关于涡流阵列传感器研究较早的是清华大学陈祥林、丁天怀等人，采用柔性印刷电路板工艺研制了一种新型接近式电涡流传感器及测试系统，可以实现大面积曲面间微小间隙的实时监测[6]，在阵列传感器方面进行过较深入研究的是长沙国防科技大的刘波、罗飞路等人[7]，刘波对涡流阵列检测技术的理论和实验都进行了深入、系统的研究。西安交通大学、北京航空航天大学、华中理工大学、吉林大学、南昌航空大学、中国石油大学、中国民航大学、北京航空材料研究院、上海材料研究所、上海飞机设计研究所等多家单位，也先后开展了涡流阵列检测技术研究，并各自推出了传感器结构方案，解决了一些实际问题[8-10]。

2 涡流阵列检测技术的应用现状

涡流阵列传感器的实际应用之一是用于重要机械结构的疲劳损伤在位监测。值得注意的是，用于损伤发展在位监测的一种新型平面电涡流传感器结构，可用于螺栓孔附近疲劳裂纹发展监测[11]。激励线圈从中心圆处呈辐射状向四周螺旋展开，在激励线圈的螺旋线间隔内分布着环状感应线圈，激励线圈中通以激励电流，在传感器监测空间内产生激励磁场，环状感应线圈用于感应激励磁场在监测空间内的反射场，而反射场跟传感器监测空间内的电磁特性和空间边界条件紧密相关，结构损伤伴随结构电磁特性参数和边界条件的改变，引起传感器输出特性变化。某研究组针对该结构进行了深入的理论和实验研究[12]，此后类似研究尚不多见。

本文作者在博士点基金、自然科学基金、国防预研基金资助下，针对实际裂纹走向呈随机性分布、而普通差动式涡流传感器[13]、方向性涡流传感器检测时存在盲区的问题，提出了利用旋转涡流场的十字交叉激励新型结构。所谓十字交叉激励，即采用两个十字交叉导线激励和阿基米德螺线接收线圈接收方式，组成电涡流传感器平面结构。在十字交叉导线上分别通以相位相差90°的正余弦交流电，则会在试件上产生一强度均匀，方向旋转的方向性电磁场。与传统的常规圆柱型涡流探头相比，由于这种结构具有瞬时方向性，更有利于集中瞬时能量，用于检测各向异性性质的残余应力等物理量，由于方向是均匀旋转的，则对方向随机分布的裂纹，均有较好的检测灵敏度。目前研究成果已投寄国际权威杂志，引起业内专家的兴趣与注意。几乎就在提出十字交叉激励等新结构同时已申请专利。国际权威杂志NDT&E International，2015 年70卷29-37页上发表了Lius S和Telmo G等人的论文“，“A new dual driver planar eddy current probe with dynamically controlled induction pattern”[14]，文中所提结构和本课题新装置或派生结构十分相似，有异曲同工之妙，如图3所示。这也从一个侧面说明，本研究确有先进性，且应刻不容缓开展研究。

图3 两种结构对比

计划在下一步开展基于阵列传感器研究，届时不仅可以监测到疲劳裂纹产生程度，而且对位置也可以监测到。图4是作者设想的一种结构，用于监测焊缝处疲劳裂纹，激励线圈有两条导线，交叉处形成旋转磁场，监测线圈是独立的，不仅可以检测到疲劳裂纹的出现，还可以检测到疲劳裂纹的位置。

图4 新型电磁在位监测机构

3 一种可用于小曲率曲面零件表面损伤的涡流阵列检测技术的研制

该装置由柔性阵列式检测涡流探头、气囊式装置、步进电机、多通道信号采集装置、计算机组成。柔性阵列涡流传感器由30组刚性线圈等间距固定在柔性橡胶垫上制成，每个单元线圈结构都是一致的。橡胶垫具有一定柔性，可以满足小曲率曲面零件的检测需求。检测时气囊式装置充气，将阵列式涡流探头压紧在零件表面上，步进电机驱动则可保证装置在任何地方实现检测。多通道信号采集装置最多可采集48路信号，在计算机中进行成像处理。整个实验装置如图5所示。检测时，充气气囊将传感器线圈紧压在被测零件表面上，这种结构对小曲率曲面零件也有一定适应性，步进电机将传感器结构送到需要检测位置，从而实现检测。

这种结构对检测微小损伤未必有什么明显优势，其主要特点是检测效率高，发挥了阵列探头优点。实验中选用一铝合金小曲率曲面零件，在上面用机械方法加工出尺寸为(长×宽×深)10mm×2mm×3mm较大的裂纹状缺陷，如图6所示。

图5 涡流阵列检测实验装置

图6 裂纹状缺陷

将阵列传感器移动至缺陷位置，在缺陷位置可观测到信号幅值发生突变，将信号通过低通滤波器等进一步处理，即可清晰提取出缺陷信号，如图7所示，裂纹缺陷信号为图中黑色部分。

图7 缺陷信号

4 结语

分析了目前阵列涡流传感器技术的研究和应用现状，指出阵列涡流传感器技术是涡流检测技术的一个新的发展方向。回顾了国内外研制现状，提出了一种新型阵列涡流传感器结构方案。

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[14] Luis S.Rosado，TelmoG.Santos，PedroM.Ramosetal.A new dual driver planar eddy current probe with dynamically controlled induction pattern[J]. NDT&E International，2015, 70:29-37.