阵列涡流检测

电涡流阵列的测试方法
• 电涡流传感器阵列测试的关键还在于线圈阵列的引线设计， 图3是几种常用的基于单线圈检测原理的引线设计模式。 图3(a)是敏感线圈两端分别引线的设计模式，图3(b)是行 列垂直扫描式的引线设计。采用行列垂直结构形式的目的 是为了减少传感器阵列的外接引线数目，这对于传感器的 实际应用具有重要意义，但同时又不可避免地带来了各阵 列单元间的串扰，降低了测量精度。解决串扰的问题，最 简单的方法就是每个阵列单元单独引线(图3(a))，另外也 可以将预处理电路与敏感单元集成，做成一体化的集成传 感器单元，而其代价将是高昂的制作成本。有时为了提高 扫描采样的速度，还会采用一种行扫描采样的方法，即每 次扫描一行，从而大大提高传感器阵列的测试速度，但需 要增加预处理电路的数量。
电涡流检测的基本原理
• 电涡流检测的工作原理是检测激励线圈磁 场和感应涡流磁场之间的交互作用。当敏 感线圈通入交流电流时，线圈周围就会产 生交变磁场，如图1(a)，如果此时将金属 导体工件移入此交变磁场中，工件表面就 会感应出电涡流，而此电涡流又会产生一 个磁场，该磁场的方向与原线圈磁场的方 向正好相反，从而减弱了原磁场。
电涡流阵列的设计和制作
电涡流阵列的设计和制作
• 传感器的探头采用柔性印刷电路板(FPCB)E艺在聚酰亚胺薄膜上制作，探头敏感线圈 阵列的整体尺寸很大，能达到200 mm ×200 mm。，而厚度却很薄，不超过 0．15 mm，且具有良好的柔韧性，几乎能 够应用于各种几何形状形面的测量。
传感器系统原理
电涡流阵列的形式
• 与其它一些传感器相比，电涡流传感器具有一个 比较突出的优点——探头的结构非常简单。从电 涡流检测的基本原理可以看出，电涡流传感器探 头的关键部件是敏感线圈，因此电涡流阵列测试 一般都是采用线圈阵列的方法，而不是将多个独 立的传感器探头布置成阵列形式来使用。针对不 同的测试条件和技术指标要求，线圈阵列可以设 计成不同的结构和形式，以实现复杂形面部件的 检测，但线圈阵列及其匹配电路的针对性设计也 带来了相对昂贵的成本。
电涡流阵列的设计和制作
• 根据上述的测试方法，设计并制作了一种扁平的柔性电涡流传感器阵 列，如图4，是传感器探头的结构简图。传感器的探头由敏感线圈阵 列及线圈引线所形成的一条引线电缆组成。在一般的使用情况下，探 头的线圈阵列多设计为与图2(a)类似的平面矩形结构(图4(a))，这里为 了更加方便、可靠地实现对复杂形状形面的检测，线圈阵列被设计为 一种条形分叉式结构(图4(b))，而且根据被测表面形状的不同，线圈 阵列的形状还可以有所不同。图4(b)中线圈阵列设计为两条平行的条 形结构，以实现金属管道的检测，如果被测曲面为一般平滑曲面，还 可以考虑设计成垂直条形结构或者6条分叉式结构。线圈阵列中各敏 感线圈的引线设计为一条细长的扁平引线电缆，这在大面积曲面间小 位移测量的应用中非常重要。引线电缆直接通过插头与处理电路连接， 由计算机控制实现传感器阵列的循环扫描测试。
电涡流阵列的形式
• 虽然电涡流线圈阵列结构形式的设计灵活多变，但仍然可以根据其检 测方式的不同，大体归为两种典型的阵列类型。① 基于单线圈检测的 电涡流阵列，如图2(a)所示，一般是直接在基底材料上制作多个敏感 线圈，布置成矩阵形式的阵列，而且为了消除线圈之间的干扰，相邻 线圈之间要保留足够的空间。这种电涡流阵列大多用于大面积金属表 面的接近式测量，检测部件的位置、表面形貌、涂层厚度以及回转体 零件的内外径等，也可以用来检测裂纹等表面缺陷。② 基于双线圈方 式的电涡流阵列检测，一般设计为一个大的激励线圈加众多小的检测 线圈阵列的形式，如图2(b)，它能够非常有效地实现大面积金属表面 上多个方向的缺陷的检测，在无损检测的应用上具有较大的优势，已 基本取代单线圈检测的应用。除此以外，近年还出现了一种基于电涡 流效应的环绕线圈磁力计阵列L1 ，它实际上是一种基于双线圈检测 的阵列类型，通过对激励线圈和检测线圈阵列结构的特殊设计，以取 得较好的测试性能。
电涡流阵列的测试方法
电涡流阵列的测试方法
• 电涡流传感器阵列是用来实现金属表面的接近式 测量，故而采用单线圈检测的阵列形式。其测试 方法是在上述两种设计方案的基础上加以折中， 将所有线圈的一端作为公共端并接地，另一端分 别引出与模拟开关连接，如图3(c)所示。相对于 行列垂直引线，这种设计方法虽然引线数目较多， 但却能大大减小线圈之间的串扰，提高测量精度， 对于阵列数较少的测试系统，优势尤为明显。而 且采用这种引线方式，模拟开关便可选用一对多 的多路复用器，能够有效地简化控制电路，使后 续的处理电路进一步小型化。
电涡流检测的基本原理
• 另一种方法是双线圈检测，如图1(b)，通过 使用另外一个线圈作为检测线圈，检测这 两个磁场的叠加效果。根据法拉第电磁感 应定律，检测线圈中将会产生一个感应电 动势： • 式中：ψ是通过线圈的交变磁场的磁通量； n是线圈的绕线圈数。 • 通过测量检测线圈中产生的电压即可非常 容易地得到磁场的变化情况。
通过计算机控制多路复用器，循环扫描采样所 有的阵列单元。传感器的变换电路采用调频式 振荡电路，电路输出的频率信号由计算机内置 的频率数据采集卡来采集，然后将采集到的数 据送入计算机进行处理，得到所需的被测曲面 的位置。
传感器系统原理
• 采用大面积的铁质平面对传感器阵列进行标定实验，实验 结果如图6所示，图6中4条曲线分别是传感器阵列中一条 支路上4个敏感单元的测试结果，4条曲线不重合的原因是 由于敏感线圈位置和引线的影响，采用软件补偿的方法即 能很好地解决。测试结果表明，在2 mm 的测量范围内， 传感器阵列的测试精度优于±0.25。采用传感器阵列进行 测试时，由于阵列单元间寄生电容的影响，振荡电路的中 心频率会有所降低，并导致传感器的灵敏度略有减小。为 了提高传感器的灵敏度，对振荡电路进行优化设计和改进， 提高振荡电路的中心频率，实验结果显示，在2 mm的量 程范围内，传感器的平均测量灵敏度约为70 Hz／μm，达 到了很好的效果。
电涡流传感器阵列检测技术
黑龙江省电力科学研究院 池永斌
概述
• 电涡流传感器是一种基于电涡流效应的无损、非接触式的 传感器，以其优良的测试性能，在机械量的测量以及金属 材料的无损检测等领域得到广泛应用。电涡流传感器阵列 测试技术的研究始于2O世纪80年代中期，在20世纪80年 代末到90年代初，出现了一批电涡流阵列测试方面的文献 和专利。近十年来，随着传感器技术的发展以及加工工艺 技术水平的提高，电涡流传感器阵列测试的研究和应用得 到极大的发展，不仅用来测量大面积金属表面的位移，而 且由于具有同时检测多个方向缺陷的优点，被广泛应用于 金属焊缝的检测，飞行器金属部件的疲劳、老化和腐蚀检 测，涡轮机、蒸气发生器、热交换器以及压力容器管道等 的无损检测中。
电涡流检测的基本原理
电涡流检测的基本原理
• 电涡流传感器通常有两种检测方法。一种是单线圈检测的 方法，通过检测敏感线圈阻抗的变化来反映磁场的变化情 况。线圈的等效阻抗z一般可表示为函数： • Z=F(σ，μ，f，x，r) • 式中：σ，μ分别是被测金属导体的电导率和磁导率；f是 激励信号的频率；x是线圈与金属导体的距离；r是线圈的 尺寸因子，与线圈的结构、形状以及尺寸相关。 • 可见，线圈阻抗的变化完整而且唯一地反映了被测金属导 体的电涡流效应。实际检测时，对不需要的影响因素加以 控制，就可以实现对上式中某个相关量的检测。作为接近 式传感器，线圈到金属工件之间的距离与线圈的阻抗直接 相关，而检测金属表面或近表面的缺陷时，缺陷的存在将 引起被测导体电导率和磁导率的变化，进而使线圈的阻抗 参数发生改变。
电涡流阵列的形式
电涡流阵列的测试方法
• 涡流传感器响应速度快的特点使其能够很 好地采用电子扫描测试的方法，通过控制 模拟开关，逐个扫描全部的阵列单元，实 现传感器阵列中所有敏感单元的检测。采 用扫描采样的方法，能够大大简化传感器 的后续电路，降低系统的成本，而且有利 于传感器系统的小型化，但是由于模拟开 关的引入，也导致传感器的测试精度有所 下降。
结束语
• 电涡流传感器阵列具有比传统电涡流传感器更加 优越的测试性能和广阔的应用前景。本文设计了 一种扁平柔性电涡流传感器阵列，以实现大面积 金属曲面部件位置的实时监测。通过对电涡流阵 列测试技术的研究，采用分时复用的扫描检测方 法和信号传输方法，将传感器线圈阵列中所有线 圈的一端设计为公共接地端，另一端分别接入多 路复用器，只用一套信号变换电路和信号调理电 路即完成传感器阵列中全部敏感线圈的采样，不 仅简化了系统电路，而且减小了各阵列单元间的 干扰，提高了传感器系统的性能，实现了电涡流 传感器阵列的快速、高精度测量。
概述
• 采用阵列式传感器，不需使用机械式探头扫描即可实现大 面积范围的高速测量，且能够达到与单个传感器相同的测 量精度和分辨率，有效地提高了传感器系统的测试速度、 测量精度和可靠性，此外，传感器阵列的结构形式灵活多 样，可以非常方便地对复杂表面形状的零件进行检测，因 此，阵列式传感器的研究成为当前传感器技术研究中的重 要内容和发展方向。 • 电涡流传感器阵列测试技术，一般采用时分多路的阵列测 试方法，实现大面积金属表面的接近式测量。通过对传感 器探头的线圈阵列及引线结构形式的合理设计，配合后续 的处理电路及计算机控制，完成电涡流传感器阵列的快速、 高精度测量及大面积金属曲面部件位置的检测。