锁相放大器OE2031在涡流无损检测方面的应用

图1. 科赫探头和圆形探头的线圈结构

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。

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

当接收到交流电时，科赫探头的激励线圈产生主磁场。当探头接近铝样品时，样品产生主磁场并诱导涡流。由于涡流也是交流电，根据楞次定律，在涡流周围会产生阻碍主磁场变化的次级磁场。在主磁场和次级磁场之间的相互作用下产生合成磁场。随后，通过拾取线圈获得合成磁场，并产生感应电动势。由于拾取线圈的特殊绕线方法，左右半部分的信号输出是相反的，并且可以互相抵消。当探头下没有缺陷时，拾取线圈的信号输出达到零，即在理想条件下具有自消属性。然而，当探头经过缺陷时，拾取线圈一半的信号输出会受到干扰。这时，拾取线圈的总输出信号不再为零，因此可以识别缺陷信息。由于这种特性，可以减少提离效应对探头的负面影响。

图3. 试验系统原理图

首先用函数发生器输出一个频率 100 kHz 、峰值300 mV的正弦激励信号和一个相同参数的 TTL 参考信号。其中，输出的 TTL 参考信号进入锁相放大器(OE2031)的参考通道;正弦激励信号进入功率放大器进行放大，然后将万用表串联在电路中以监测激励电流有效值，最后与传感器的激励线圈相连组成闭合回路，此过程完成对传感器的激励部分;接着对拾取线圈中的感应电动势进行获取，将拾取线圈与前置放大器的输入端相连对拾取到的信号进行放大，然后输出端进入锁相放大器的信号输入端，该信号与锁相放大器中的 TTL 参考信号进行运算，得到实部和虚部信号。

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。

审核编辑 黄宇