基于电涡流原理的无损检测方案设计

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1、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。?穆罂怂刮し匠坛龇?，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（NondestructiveTesting，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]。

2、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10mm[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

3、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

4、]。巨磁电阻（GiantMagnetoResistanceGMR）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

5、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

6、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Co

7、msol软件建立电磁场模型如图2所示。　　3.1无缺陷模型分析　　4GMR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　　4.2GMR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

8、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