电磁探伤仪探头绕制方法的改进

光气测井与检测教育部重点实验室（西安石油大学） 王 力 党 博陕西省榆林市靖边县长庆井下对外合作项目部 陈 磊

1 引言

瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM[1]，它利用介质之间的电性差异来实现对目标体的测量，是一种基于研究人工形成的电磁场空间、时间分布规律以勘查地质构造和寻找目标矿场的勘探方法。而电磁探伤仪采用瞬变电磁原理，对不接地回线通以交变的电流，该电流在套管中产生交变的磁场，当套管置身于交变磁场当中，导体中就会有涡流，且由于套管自身缺陷、尺寸、材质的变化，会导致感应电流的变化。变化的电流产生磁场，被探头识别，从而实现管柱损伤的探测和识别。

根据瞬变电磁信号的特点，设计了瞬变电磁测井系统。在电磁检测仪系统中，磁探头是整个仪器的核心，磁探头性能的好坏将直接影响仪器的灵敏度、分辨率和可靠性。磁探头实际上是涡流检测中的换能器，它是靠检测线圈来建立交变磁场，把能量传递给被检物体，同时又通过涡流所建立的交变磁场来获得被检物体的质量信息。

涡流换能器有许多种不同的类型，但最主要的是以下三种：

（1）按照检测线圈的输出信号的不同分类：有参量式和变压器式两种，参量式线圈输出的信号是线圈阻抗的变化，变压器式线圈，输出的是线圈上的感应电压信号。

（2）按照检测线圈和工件的相对位置（使用方法）分类：有穿过式换能器、内通过式换能器、表面式换能器、叉式换能器。穿过式由环行线圈组成，用于检测管子或圆孔的内部。内通过式是将探头放入被检物体内部，一般用于检测管材和棒材。表面式由平面线圈组成，用于检测平坦的表面或相当大曲率的表面。叉式线圈通常用于检测平坦的金属薄板。

（3）按照工作方式分类（即绕制方式）分类：有绝对式涡流换能器、差分式涡流换能器、绝对式和差分式组合涡流换能器。绝对式由单个线圈或其等价形式构成，直接测量线圈的阻抗或感应电压，可以用于材质的分选和测厚、探伤。差分式由一对反向连接的线圈组成，因此当两个线圈处于相同条件下时，所测的阻抗或感应电压净值相互抵消，线圈仅能感应出受检材料的变化，抵消了同时作用于两个线圈的噪声和其他不需要的信号，一般用于棒材和管材的检测。组合式输出取决于线圈的精确配置和连接方式。

根据以上的探头分类和自身的使用特点，电磁检测仪的磁探头采用内通过式变压器互感线圈。

2 影响涡流探头的因素分析

2.1 提离效应

涡流传感器与被检测物间的相对位置十分敏感。把检测传感器与被检测物之间距离变化而引起检测线圈阻抗变化的现象称为提离效应，两者之间的间隙称为提离。提离效应会影响检测线圈信号的幅度，降低检测的灵敏度，是一种干扰信号。因此，需要加以抑制。为减小提离效应，探头与被检材料之间的间隙应尽量小。可以通过加大探头的直径，增加线圈的安匝数或者增大线圈的发射功率来实现。

2.2 集肤效应

由于集肤效应，在待测金属中感生的涡电流将趋于金属表面，越往下涡流密度越小，按负指数衰减。可以通过降低加载信号的频率来减小集肤效应。然而过分降低信号频率，就会对检测线圈和受检物之间的能量耦合产生影响，使其效率降低，从而降低了灵敏度。所以在选择信号频率时，应当兼顾到检测灵敏度。

2.3 探头的直径和长度

对于本仪器所选用的探头，涡流和它的磁通量与到线圈的中心距离成正比。因此损伤处相对于探头中心的位置不同，会导致检测的灵敏度存在差异。检测线圈的直径和长度对检测灵敏度和分辨率具有很大的影响。损伤的灵敏度与线圈直径成反比，直径小，磁通量就小，直径大，磁通量就大，但会降低检测灵敏度。探头越长，灵敏度越高，但分辨率下降。因此，必须选择一个长度与直径合适的比例，这样才能在最大的检测深度、最大灵敏度、最小的分辨力之间取得平衡，达到良好的检测效果。

3 螺线管磁场分布特

利用毕奥一萨伐尔定律[2]推导出单匝线圈、单层和多层密匝螺线管近轴任意点处磁感应强度系列化计算公式。

图1 单线圈模型

图1 给出了单线圈模型。根据毕奥一萨伐尔定律，距电流元Idl任意点处的磁感应强度为：

式中u为真空中的磁导率(N/A2)，I为通过电流元的电流强度(A)；dl为电流元的线元矢量，r为电流元到任意点的矢径(m)。

r，R分别为R的模和单位矢量。图2为单线圈任意点磁感应强度模型。设图中线圈半径为R，以其中心为原点建立坐标系，线圈中电流强度为I，由于对称性，任意点M(r 0，y，0)处的磁感应强度只有Bx和By两个分量。设A为O`点到P点的距离， 由图写出dl和矢量表达式为：

将上带入毕奥一萨伐尔定律，任意点的磁感应强度为：

沿x轴方向（螺线管轴向）磁感应强度分量为：

由图可以求出cosa，cosw，dl，r2，将其代入上式并简化得：

当R》y，即点M距离线圈轴线较近时，略去2Rcosy/(R2+y2+r02)高次项按级数展开，上式变为：

对上式积分并化简，得真空中单线圈近轴任意点轴向磁感应强度：

单层密匝螺线管模型如图2所示。

图2 单层和多层密匝螺线管模型

设管长为2L，半径为R，n为单位长度上的匝数，dl内有ndl匝线圈，总效果是一匝的ndl倍。图中的(x-l)相当于式上中的r。对上式从一L到L积分，考虑R》y，得单层密匝螺线管近轴任意点轴向磁感应强度：

多层密匝螺线管模型如上图.设其内半径为R1，外半径为R2，总长为2L，电流强度为I，匝数为N，j=NI/2L(R2-R1)表示连续电流分布时的电流密度，j dR相当于上式中的n，对上式中的R从R1到R2积分可得到多层密匝螺线管任意点轴向磁感应强度：

对于单杂圆心出的磁场为Bx=u0I/2R。

单层中心点的磁感应强度为Bx=nu0I{L/(R2+L2)1/2}。

4 磁探头的绕制方式改进

探头制作的好坏直接关系检测系统的灵敏度，决定整个仪器的性能。探头由磁芯、发射线圈和接收线圈组成。探头的绕制主要从所用的绕线、探头的磁芯、绕制方式这几方面来考虑。电磁探头使用漆包线直接绕制在磁芯上，磁芯可以增加探头的灵敏性。磁探头用以激励产生和采集电磁场信号，是仪器核心的传感测量装置。系统目前所用的信号接收探头采用差分自比较式的绕制方案，该形式也可以归结为单芯多层筒式变压器结构。差分自比较式的接收探头绕组应具有良好的对称性，这样才能保证与后级差分仪表放大器配合工作，既减少噪声、抑制温漂又对有用信号敏感，并使得正负半周的二次场采样数据净值相等以便于数据解释处理。原先仪器的接收探头绕制过程中的问题是，一方面由于每层的线匝在两端不能很好地对齐，容易出现上层线滑落至下层或跳线的情况；二是由于各层线匝沿探头径向相叠，外层线匝半径逐渐增大，有效绕线长度减小，这两方面都使得探头的对称性受损并且难以控制，以四层接收线圈为例其如图3所示。

图3 接收线圈基本绕制方法示意图

针对上述问题，一个可行的解决思路就是通过对线匝进行某些交换，以使原来的非对称探头得到对称性。若探头具有空间结构的完全对称性，则两个接收线圈的绕组长度相等进而电阻相等，并且两个线圈所围回路形状相同进而电感和分布电容相等，这样它们与径向、轴向磁场的交链相等从而使接收端的差分输出电压信号幅度相等而相位相反，以获得最为理想的接收效果，这种类似于多股辫线的差分探头绕制方案如图4所示。

图4 对称接收线圈的绕法示意图

可以看出这种方案是让接收线圈1和2的绕组交错相邻，并且各取其中之一分成两层一组，每组在轴向长度的中点处进行一次完全交换，这样即使各组间不完全等效但组内接收线圈1和2的绕组是等效的，使得从整体上两个接收线圈绕组是对称等效的。该绕制操作的复杂性增加，如诸多的引线接头和分段会带来如绝缘、层间平整度、线匝交叉点处理等实际问题，但在提高探头对称性上无疑是对原来分开直接叠绕方案的优化。

5 结论

在瞬变电磁原理、提高探头性能的基础上优化了探头的绕制方法，经验证，探测性能得到了很大的提高。但实际应用中要综合考虑各种因素，以达到应用所要求的精度、灵敏度、稳定性，如果要应用于精确测量就必须保证材料的处理、探头的制作工艺以及各参数的考虑和计算，并应用提高灵敏度和降噪的方法。另外，除了探头本身尽可能改善性能外，提高系统性能更需要后续电路的匹配和精确设计。

[1]王会永.磁性材料及其应用[M].国防工业出版社,1989.

[2]陈熙谋.电磁学[M].高等教育出版社,1994.

[3]房蔓楠,魏福玉.螺线管磁场分布特征及应用[J].长春邮电学院学报,1994.