基于磁通门磁强计平行分量法的深层涡流检测

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(中国工程物理研究院 材料研究所，江油 621908)

涡流检测技术起源于19世纪，现在是常用的无损检测方法之一，适用于检测导体表面或近表面的宏观缺陷[1]。但是，由于电磁场的趋肤效应，用常规的感应线圈法难以检查出导体深层的缺陷，这是因为随着电磁场频率的降低，趋肤效应穿透深度增加，但感应线圈的灵敏度却随之下降。因此，新的用于检测导体深层缺陷的涡流检测法选用巨磁阻(Giant Magneto-Resistive, GMR)探头[2-4]、超导量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)[5-9]、磁通门磁强计(Flux-Gate Magnetometer)[10-11]等低频灵敏度更高的磁场测量工具。经典电磁场理论表明，平面电磁波趋肤效应的穿透深度为

(1)

式中：ρ为电阻率；μ为磁导率；f为电磁场频率。

如果激励场为平面波，那么其在无限大导体平板内部的涡流按exp(-z/δ)因子指数衰减，其中z为导体内部深度。在实际的涡流检测中，激励线圈产生的电磁场更接近于磁偶极场而不是电磁场平面波，趋肤效应的指数因子叠加上偶极场的距离衰减因子，实际上电磁场衰减得更快，有效穿透深度比式(1)更小[12]。用平面波模型计算，对于电阻率约为4.0×10-8Ω·m的6061铝合金，10 kHz电磁场的穿透深度约为1 mm，100 Hz电磁场的穿透深度约为10 mm。对于电阻率约为7.2×10-7Ω·m的不锈钢，传统涡流检测(使用感应线圈)的典型检测频率是200 kHz，对应的穿透深度约为1 mm，因此想用涡流检测法检测几毫米以上深度的缺陷，必须大幅降低检测频率。

SMITH等[2]用GMR阵列检测铝板底部的缺陷，检测频率为8 kHz～20 kHz，其优点是GMR做成阵列之后集成在芯片上，可以同时得到多个点的涡流信息，检测速度大幅提高，但其选择的检测频率偏高，检测深度为1.6～2 mm。DOGARU等[3]用GMR探头检测了铝板紧固孔周边的裂纹式缺陷，这类缺陷是紧固孔周围常见的缺陷，容易导致部件破损甚至发生事故，其采用了自指零的检测方法(即将无缺陷样品上的检测信号作为零点，将有缺陷样品上的检测信号用差分法减去无缺陷样品的信号，即可凸显缺陷的信号)，用圆周扫描的方式检测紧固孔周边的裂纹缺陷，检测频率为200 Hz，可以检测到深达13 mm的裂纹缺陷。但这种圆周扫描法只适用于预先知道孔中心位置的情况，如果孔的上方覆盖了铝板，不知道缺陷的具体位置，就只能用线性扫描的方法检测一列10个孔，以成功分辨出有缺陷的孔，孔上方可覆盖厚度为3.2 mm的铝板，检测深度为4.8 mm。NAIR等[4]采用同相正交法用GMR探头快速检测了飞机结构，检测深度虽然只有2.5 mm，但同相正交法能快速处理数据，实现连续扫描，检测速度达到10 mm·s-1，摒弃了传统扫描方法必须逐点扫描，并且在每一个点上停留足够时间的缺点，同时该方法能提高图像分辨率，适用于飞机检测这种场合。GMR探头在涡流检测中的优点是探头体积小、可以集成阵列和检测速度快。

SQUID在涡流检测中的优点是磁场灵敏度高、检测深度大。ZHONG等[5]直接利用扫描SQUID显微镜(低温SQUID)平台，并未针对涡流检测进行优化，仅仅增加了激励线圈，对铝板的检测深度就能很容易地达到4.2 mm，得到磁场幅值的一维分布曲线，其中检测频率为350 Hz。NAGENDRAN等[6]同样使用了低温SQUID，但同时使用了轴向梯度计，其检测频率在33～853 Hz之间调节，针对不同的检测深度进行优化，铝板的检测深度可达14 mm，同样得到磁场幅值的一维分布曲线。KAWANO等[7-8]利用高温SQUID平面梯度计，优化了梯度计的基线长度，调节了检测频率，在基线长度为1 mm，检测频率为200 Hz时，铝板的检测深度可达20 mm，当基线长度为8.5 mm，检测频率为35 Hz时，检测深度达到了38 mm，但其对缺陷的检测仍是基于得到磁场幅值的一维分布曲线进行的。SQUID的优点是检测深度大，缺点是需要使用液氮甚至液氦，且必须在磁屏蔽室内工作(高温SQUID)或使用具备磁屏蔽功能的轴向梯度计(低温SQUID)，设备比较庞大，使用不方便。

磁通门磁强计的灵敏度略高于GMR探头的灵敏度，而且磁通门磁强计体积较小(远小于使用液氮、液氦的SQUID设备整体，但大于GMR探头)，无需磁屏蔽，但其在涡流检测中的应用相对比较冷门，发展水平也不如GMR和SQUID，因此需要更深入的研究。VERTESY等[10]设计了一种磁通门探头，并将其用于涡流检测，检测频率为千赫兹级别，检测材料为镍基合金Inconel600，检测深度为1.25 mm。磁通门磁强计采用二维扫描的方法，得到了磁场幅值的二维分布图。虽然其检测深度看似较小，但被测材料为航空发动机的镍基合金，具有较高的应用价值，而且镍基合金的磁导率较高，也会大幅削减涡流穿透深度。FUJITA等[13]利用磁通门探头对铁磁性的SS400钢板进行检测，检测频率为40 Hz～2 kHz，其同样受限于铁磁材料的磁导率对涡流穿透深度的削减作用，最大检测深度为2 mm。由于类似磁性钢板的日常应用十分广泛，所以该研究比较有应用价值。GASPARICS等[11]利用磁通门探头检测涡流磁场的水平分量(通常都是检测垂直于被测平面的分量)，被测样品为波音公司的标准样品NDT396，该样品的总厚度为1.8 mm，看似不厚，但却直接应用于航空领域，具有广泛的前景。根据该样品的厚度，文献采用了1 kHz的检测频率，得到了比较清晰的磁场平行分量幅值的二维分布图像。

磁通门磁强计与GMR探头、SQUID相比具有自身的优势，然而在深层涡流检测领域的应用还较少，笔者在该领域展开了研究，探索了磁通门磁强计在涡流检测中的应用前景。

1 试验设备及方法

使用的磁通门磁强计探头为Bartington Mag-13三分量探头，探头在1 Hz下的标称磁场噪声谱密度的幅度有效值为4×10-12T，主机型号为CH-330F，最小分辨力为0.01 nT，量程为10-5T和10-4T两档，两档的最小分辨力不同，10-5T档的分辨力达0.01 nT，10-4T档的分辨力只有0.1 nT。

在无屏蔽环境下，由于地磁场幅度约为5×10-5T，因此只能使用10-4T这一档，此时的分辨力为0.1 nT。实际上环境和电子设备所产生的总体噪声，反映到磁场测量结果大约为1 nT的量级。磁通门磁强计输出模拟信号，经过Zurich HF2锁相放大器的解调，输出相应频率的磁场分量幅值，由计算机采集处理。磁通门磁强计深层涡流检测装置结构示意如图1所示。

由图1可知，预制缺陷的样品放在二维平台上，由计算机控制步进电机进行扫描，磁通门磁强计探头与激励线圈安装在测量架上，其中探头测量平行于样品平面的磁场分量，激励线圈是螺线管空心线圈，安装在探头下方，与一个可调节横向位置的螺杆相连，目的是在测量前调节线圈位置，使激励线圈的中心对准探头的测量中心，此时激励磁场的平行分量应当为零，这种设计能很好地排除激励线圈本底磁场的影响。

图1 磁通门磁强计深层涡流检测装置结构示意

磁场平行分量法涡流检测原理示意如图2所示，其特点是：将交变磁场分为激励线圈产生的本底磁场与样品涡流产生的样品磁场两个部分，调节激励线圈的相对位置，使线圈中心对准探头测量中心。由于本底磁场在中心点处沿y方向，而探头测量的是z方向分量，理论上无论激励线圈的电流多大，只要线圈严格对准探头测量中心，探头测得的本底磁场始终为0，而样品磁场却存在z方向分量，可以被探头测得，因此这种方法能排除强大的本底磁场，仅测量样品的涡流磁场。如果探头、线圈严格对齐，线圈平面与样品平面完全平行，那么理论上可以通过无限提高激励信号强度来提高样品的涡流磁场强度，却不受本底磁场的影响，从而提高了信噪比。当然，在实际检测中，可能会因为不能对齐、样品与探头和线圈不平行、样品并非无限大平板、样品是曲面等原因而产生偏差，但这种方法仍然可以实现较大的检测深度。

图2 磁场平行分量法涡流检测原理示意

预制缺陷样品为规格(长×宽×高)为200 mm×200 mm×2 mm的6061铝合金板，预制穿透铝板的线形和十字形缺陷，缝宽均为1 mm，长度为80 mm，预制缺陷铝板样品外观如图3所示。样品上方放置多层200 mm×200 mm×2 mm的6061铝合金平板，测试磁通门磁强计深层涡流检测装置对铝板一定深度下预制缺陷的检测能力。

图3 预制缺陷铝板样品外观

激励线圈为圆形空心螺线管，有500匝线圈，外径为25 mm，内径为20 mm，高度为6 mm，由于信号发生器输出电压、电流的限制，在此线圈上可施加的正弦波的最大电流为30 mA。Zurich HF2锁相放大器在检波时，由于过低频率下的锁定性能较差，输出信号波动很大，因此选择的最低频率为72 Hz，在该频率下工作比较稳定。其电阻率约为4.0×10-8Ω·m，相应频率的穿透深度约为11.8 mm。

将预制缺陷样品、铝平板放在二维平台上，调节样品位置，使其中心对准线圈的正下方，然后启动信号发生器，输出峰值为30 mA的正弦波电流信号。频率为72 Hz，启动磁通门磁强计，平行分量的磁场信号输入HF2锁相放大器，经过检波得到72 Hz频率下的信号幅值，最后输入至计算机采集卡，由计算机控制二维平台进行扫描检测，得到涡流磁场平行分量幅值的二维分布图像。

2 试验结果与讨论

将图3所示样品放在二维平台上，样品上方放置厚度范围为4～14 mm的多层铝板(每层铝板厚2 mm)，然后在铝板上方用磁通门磁强计检测涡流信号。当样品为图3中左边的线缺陷铝板时，测得涡流磁场平行分量的二维图像如图4所示。

由图4可知，80 mm长的线缺陷平行于y轴，磁通门磁强计可以隔着厚度为14 mm内的铝板测得缺陷产生的涡流信号，当缺陷分别位于测量中心正下方的左边和右边时，缺陷产生的磁场变化量的方向相反，由于锁相放大器已经锁住相位，所以磁场图像应当同时出现波峰和波谷，多个文献中的涡流检测图像都反映了类似的性质[5-6,8,10]。随着覆盖铝板厚度的增加，涡流磁场分量的信号幅值逐渐减小，但仍保持一个波峰和一个波谷的特征，可以清晰地辨认出多层铝板下方存在一个线缺陷，同时噪声也随着铝板厚度的增加而明显增加，图像的平滑度降低，这里噪声的数量级约为1 nT。当覆盖的铝板厚度达到16 mm甚至更高的时候，磁场图像中很难辨认出线缺陷的特征，这说明上述设备对铝板的最大检测深度应当在14～16 mm之间。如果要进一步提高检测深度，可以通过降低电路噪声、增加激励线圈的匝数和电流的方式来实现。

将样品换成图3右边的十字形缺陷铝板，上方覆盖厚度范围为4～14 mm的多层铝板，再次检测，得到涡流磁场平行分量的二维图像如图5所示。

图4 不同厚度铝板覆盖下线缺陷样品的涡流磁场平行分量二维分布

图5 不同厚度铝板覆盖下十字形缺陷样品的涡流磁场平行分量二维分布

理论上，螺线管激励线圈在十字形预制缺陷金属板上产生涡流，当线圈位于十字对角线上的时候应当存在极大值。如图5 (a)所示，图像上存在两个波峰和两个波谷，验证了这种说法，因此波峰波谷的中心应当对应十字形的中心。实际测量的图像中，右上角的波谷幅度较小，而下方也疑似出现新的波峰，这可能是由样品表面与线圈平面、探头的x方向不平行引起的，这个波峰不应看成十字形缺陷的磁场图像特征。随着覆盖铝板厚度的不断增加，十字形缺陷的涡流磁场信号不断减弱，而下方的波峰相对于四极分布的缺陷涡流磁场信号越来越明显，并不随着铝板厚度的增加而减弱，验证了这种猜测。此外，随着铝板厚度的增加，缺陷涡流磁场图像的面积也越来越大，当缺陷深度达14 mm时，当前仪器的扫描范围也受到限制，磁场图像已经无法显示十字形缺陷图像特征的全貌，但图像还是比较清晰的，能判断出下方存在明显的缺陷，这说明该设备和方法对铝板深层缺陷的检测深度能达到14 mm。噪声的数量级达到1 nT，与图4结果保持一致。

对图4，5中缺陷的涡流磁场变化幅度(峰-谷值)随深度的变化进行分析，由于趋肤效应，导体深层涡流密度随着深度的增加而指数下降，除此之外，根据偶极磁场随距离的衰减规律，即使不是导体介质，磁感应强度也会随着距离的增加而下降，因此缺陷产生的涡流磁场随深度增加而衰减的速率会比单纯平面波的趋肤效应时的衰减速率更大。而且，考虑到激励线圈的电磁场进入导体后，遇到缺陷再反射回来，最后被探头测得，实际上经过了两倍的路径，因此应当用exp(-2z/δeff)的因子来描述衰减速率，δeff为等效穿透深度。将缺陷信号的涡流磁场幅度与缺陷深度的关系绘制成曲线(见图6)。

图6 不同缺陷样品涡流磁场幅度与缺陷深度的关系曲线

由图6可知，涡流磁场幅度随缺陷深度的增加而呈指数衰减，图6(a)中线缺陷样品的δeff约为7.6 mm，其衰减速率远大于平面波趋肤效应时的衰减速率，这说明除了趋肤效应外，可能存在其他引起衰减的原因，如偶极磁场的衰减；图6(b)中十字形缺陷样品的δeff约为11.6 mm，接近平面波趋肤效应的理论穿透深度为11.8 mm的衰减速率，小于线缺陷涡流磁场的衰减速率。造成二者差异的原因可能是线缺陷仅能从一个方向上对涡流分布进行约束和改变，从而改变磁场，当缺陷深度增加时，涡流分布面积迅速扩大；而十字形缺陷在xy方向上均能对涡流分布进行约束，当缺陷深度增加时，涡流分布面积的扩大受阻，涡流密度相比线缺陷时的涡流密度更加集中，磁场改变的幅度也增大，随深度增加的衰减速率减小。

比较线缺陷样品与十字形缺陷样品的涡流磁场幅度，当缺陷深度为2 mm时，线缺陷的涡流磁场幅度为5.9×10-8T，十字形缺陷的涡流磁场幅度为1.3×10-7T；当缺陷深度达到14 mm时，线缺陷的涡流磁场幅度为5.3×10-9T ，十字形缺陷的涡流磁场幅度为1.5×10-8T。可见十字形缺陷的涡流磁场幅度是线缺陷的2倍甚至更多，而缺陷信号的峰-谷值在nT的数量级，在超低频的情况下，磁通门磁强计体现了灵敏度较高的优势。

3 结论

试验结果表明，磁通门磁强计作为低频磁场灵敏度较高的磁场检测设备，可以用于对深层涡流的无损检测;而采用平行分量法时，激励线圈本底磁场垂直于探头测量方向，可以有效消除本底磁场的影响，更加凸显出缺陷导致的涡流磁场的变化，而且线圈形状非常简单，不需要D形线圈，只需圆形线圈就能实现铝板14 mm深度缺陷的涡流检测，并且对线缺陷、十字形缺陷都有很好的分辨力。试验发现十字形缺陷的涡流磁场信号幅度比线缺陷的涡流磁场信号幅度更强，且涡流磁场随着缺陷深度的增加而衰减得更慢。涡流磁场图像的峰-谷值低至5 nT时，噪声幅度约为1 nT，这样弱的信号的分辨率已经小于一些磁通门磁强计的分辨率。该方法还拥有更大的检测能力，如可以通过降低电路噪声、增加线圈匝数和电流、提高线圈对称性等方法进一步提高检测深度。磁通门磁强计在涡流检测中有自身的优势，与SQUID相比不需要低温系统，也不需要磁屏蔽室，与GMR探头相比检测深度更深。试验在一定程度上弥补了磁通门磁强计涡流检测领域的空白，具有很好的应用前景。