锁相放大器OE2031在涡流无损检测方面的应用
【概述】
2024年5月，兰州理工大学的陈国龙、靳伍银团队在Chinese Journal of Mechanical Engineering上发表了一篇题为”Lift-Off Effect of Koch and Circular Differential Pickup Eddy Current Probes”的文章。该团队使用了两种具有差分拾取结构且大小相同的平面涡流探头（分别是科赫探头和圆形探头）来比较提离效应，并通过有效元分析得到了0°和90°裂纹扰动下的探头涡流分布情况，最终证明了科赫探头在低提离距离下检测90°裂纹的优点。
涡流检测(Eddy currenttesting, ECT) 是常见的非破坏性检测方法之一，广泛用于检测金属材料表面或内部的缺陷。这种方法不仅在缺陷检测中起着关键作用，还可以获取有关金属材料结构和状态的信息。在使用ECT系统进行检测时，EC探头是不可或缺的部分，它可以获得从被测试样品反馈的电信号。
2015 年，陈国龙团队将科赫曲线引入平面涡流传感器的设计，提出一种科赫曲线激励、螺线拾取方案。2021年，陈国龙团队将激励线圈设计为差分结构，提出一种具有并联性拓扑结构的科赫平面涡流传感器。然而在实际探测中，探头与样品之间总是存在提离距离，这可能会造成干扰，因此在该文章中，该团队进一步探究提离效应对科赫探头信号输出的影响，同时还将使用同样大小和绕线方法的圆形线圈探头，用于比较科赫探头的离板效应。
图1 科赫探头和圆形探头的线圈结构
【测量方法&部分测量结果 】
图2 科赫差分拾取探头的工作原理
图3 试验系统原理图
图4 实验结果: (a)检测0°裂纹，(b)检测90°裂纹。图5 实验结果:(a)科赫探头，(b)圆形探头
图4(a)展示了对0°取向裂纹进行检查时输出信号的。通常情况下，随着离板距离的增加，值呈指数级下降，两个探头输出的响应信号在相同的提离距离下几乎相同。对于90°取向的裂纹，实验结果与有限元分析结果一致，如图13(b)所示。两个探头输出信号的值随着提离距离的增加呈指数级下降，而圆形探头的随着提离距离的增加下降速度较慢。与有限元结果类似，提离距离对科赫探头信号的影响比对圆形探头的影响更为明显。换句话说，圆形探头在小提离距离下的检测结果更稳定。科赫探头输出信号的在一定提离距离范围内明显大于圆形探头。当提离距离为0.1毫米时，科赫探头的比圆形探头大66.0%。随着提离距离的增加，直到提离距离超过1.2毫米，科赫探板距离超过1.2毫米，科赫探头的才不再大于圆形探头的。
图5(a)和(b)分别显示了检测到90°裂纹时科赫和圆形探针信号输出的归一化结果。随着激发频率的增加，频率的提升变得越来越明显，随着提离距离的增加，1000 kHz的下降速度快于其他频率。
【总结】
该研究提出了基于科赫分形曲线的平面差分式拾取涡流探头。该探头通过差分结构绕制，有效地抑制了检测过程中的提离噪音。同时设计了一个尺寸相同的圆形差分式拾取涡流探头，以比较这两种探头的提离效应。从有限元分析和实验结果可以得出以下结论：
1. 在低离板距离下，90°裂纹对科赫探头的干扰比对圆形探头更强烈。
2. 当离板距离小于1.2毫米时，科赫探头比圆形探头更适合检查90°取向的裂纹。
3. 1000kHz信号的提离距离对值的影响比100kHz和500kHz更为明显。
【参考文献】
✽ Lift-Off Effect of Koch and Circular Differential Pickup Eddy Current Probes | Chinese Journal of Mechanical Engineering
