王乃波 卢 超 夏美玲
(南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室 江西 南昌 330063)
中图分类号：TJ8 文献标识码：A 文章编号：1671-7597(2011)0410080-02
涡流现象的发现已有上百年的历史。涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，作为一种重要的无损检测方法之一已广泛应用于各工业部门[1]。
自1960年，Duwez等人利用快速凝固方法首次在Au-Si体系中制备非晶合金以来，对非晶合金的研究就没有停止过，因其在许多方面具有比常规多晶合金更优异的性能，在过去的40年中一直受到物理和材料科学家的广泛重视。非晶合金以其高强度、高耐蚀性以及优异的电磁特性在航空、航天、电子、机械和化工等行业中呈现出广阔的应用前景，而它的电磁特性正符合涡流探头中的磁心要求，且已经在传感器中得到了广泛的应用[2]。本工作以非晶合金为试验研究对象，在不同的频率、匝数、直径条件下进行灵敏度试验，通过实验结果验证其理论电磁性能，对高灵敏度涡流探头的研制具有一定的指导意义。
1 试验
1.1 试验材料
外壳：选用一般的工程朔料，制成11×11×20mm的长方体。
磁芯：选用1.8×100(mm)的非晶合金带。
1.2 试验设计方法
试验采用正交试验设计的方法[3]，结合理论分析，选取频率、线圈匝数、磁芯直径(以叠加片数表示)3个因素作为研究对象，每个因素分3个水平，如表1所示。用L9(3 )正交试验表进行正交试验设计，设计出试验水平与因素的搭配如表2所示。此外由于用来作对比的普通铁氧体磁芯材料是固定几何尺寸，其直径与40片叠加的非晶磁芯直径相当，因而选取探头3、5、7做对比。用来作对比的探头10、11、12是订购参品产品，其参数如表2所示。
1.3 探头制作
在外壳11×11mm的面上打一通孔，根据外壳通孔的结构要求，将金属带切成20.0mm长的小段。按照设计的正交表将每20/30/40片叠加成一个整体作为磁芯。用胶将每一个整体的一端封在一起，用漆包线绕制在制好的磁芯上作为感应线圈。在绕制过程中要求排列整齐，不得空绕、叠绕和断线。绕制感应线圈时要特别注意线圈松紧，若两个线圈松紧不同则会影响电感的大小(即使相同的匝数电感大小也不同)[4]
将绕制好线圈的磁芯放入骨架通孔中，并引出两个接线头，用胶将其固定待用。
1.4 实验过程
为了便于直观进行探头性能比对，本次实验选用缺陷参数已知的涡流检测试块，340×120×12mm的45#钢板，上面有加工好的细槽，其中槽1深2mm;槽2深3mm;槽3深4mm，细槽宽度均为0.5mm。试块如图1所示。
本次实验采用AFG3022型信号发生器和TDS3014B型示波器。采用单一频率正弦波电源激励。将自制涡流检测探头放在检测试块上，按细槽埋深由小到大的方向匀速移动探头通过各细槽，可以看到当探头经过每一处细槽时，输出信号均产生波动;细槽埋深越大，信号波动的幅值就越大;通过提取不同埋深细槽的涡流信号分析探头性能[5][6]。检测信号如图2所示
2 结果与分析
2.1 试验数据
按表2更换探头，在相同条件下重复上述步骤，得出检测信号。纪录结果用经过缺陷时的最大电压幅值(mV)表示。结果如表3所示。
2.2 结果分析
通过对实验结果的分析可得，自制的探头检测灵敏度除6号探头误差稍大之外，其余探头均在在误差范围之内;对于非晶探头线圈直径、匝数、检测频率都对灵敏度有较大影响，各因素变化时指标的变化规律：
1)对每个磁芯片数从20片到40片时，检测灵敏度逐渐增加，如图3所示。2)线圈匝数从30匝到90匝时，检测灵敏度逐渐增加，如图4所示。3)激励频率从100kHz到500kHz时，检测灵敏度先增加后降低。4)对不同的探头，由于电感值不同所以工作的谐振频率也不同，因此灵敏度最高时的频率值也不同。
从表3的数据可以看出，探头10、11、12的电压幅值分别高于探头3、5、7，从探头材料而言这正符合要提高涡流检测的灵敏度，就要使用矫顽力小、磁滞损耗小、磁导率高的软磁性材料这一理论要求。
3 结论
按照正交设计的思想把这三个因素的最好水平组合其来就的到一个好的检测条件。当匝数为90、频率为446KHz、磁芯为40片非晶合金时检测灵敏度最高即3号探头。所以本实验中，9个试验方案中已包含了(在可能的27种组合中)最佳的试验组合方案。这些与理论上频率、匝数、线径以及磁芯性能的影响基本符合，由于所选匝数和磁芯直径并没有太大，并没有出现随匝数和磁芯直径的增加灵敏度降低现象，若所选匝数和磁芯直径继续增加也应该有最大值出现，如图5所示。
根据本文的实验结果可得使用优异电磁性能材料做磁芯能够在一定程度上提高检测灵敏度;对探头的影响因素中频率、匝数、磁芯直径对检测灵敏度影响均较大：
1)随着探头线圈匝数的增加，电感变大，检测灵敏度不段增加。2)频率的变化对探头检测结果影响较为明显，但是频率过高会使趋肤效应变的明显，灵敏度也随着降低，因此进行涡流检测是要选择合适的频率。3)在其它条件不变的情况下磁芯半径的变化并没有激励频率的变化对探头检测结果的影响明显，随着直径的增加坚持灵敏度也不断上升。
参考文献：
[1]任吉林，涡流检测技术近20年进展明，无损检测，1998，20(5)121-128.
[2]日立金属公司，非晶磁性材料及其应用[J].论文集，国外传感器技术，1986，6(2)，49-55
[3] 上海市科学技术交流站编，正交试验设计法[M].1975.
[4]任吉林、林俊明、高春法编，电磁检测[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5]徐先锋、任兰亭、储浚，涡流无损检测中探头的设计与匹配[D].黑龙江：黑龙江大学，2002.
[6]高玄怡、朱志勇、张卫民，涡流探头结构优化的实验研究[J].无损探伤，2004，28(6).
