镇江++刘超++侯庆伟

[摘 要]为了研究激励对电磁涡流检测的影响，首先利用Ansoft Maxwell软件对传感器和被测试件铝板进行建模，在正弦波、三角波、方波激励情况下，分别求出特定位置的磁感应强度，分析其幅值的变化；然后通过数据采集卡和传感器组成的系统对金属铝箔纸进行检测，比较采集到电压信号幅值的大小及变化。结果表明：三种激励信号，对不同厚度铝板仿真，得到的磁感应强度幅值均有变化；检测相同厚度铝箔纸，随着激励频率增加，信号幅值下降；相同激励频率下，随着厚度均匀增加，采集信号幅值下降但减少量不成比例。

[关键词]涡流测厚；激励信号；激励频率；

中图分类号：TD452；TD94 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0063-01

引言

在工业生产中，金属板材厚度检测，特别是对于金属薄膜检测的重要性不言而喻，作为电磁涡流检测技术的典型的应用，相比较于超声波测厚、射线测厚等其它的一些无损检测方法，电磁涡流检测技术测厚具有非接触、非侵入等优点[1][2]。本文在电磁涡流检测理论的基础上，主要针对涡流测厚的激励方法进行研究，包括激励信号种类的分析和激励频率的选择，这将影响检测的灵敏度、检测范围和检测效果。

1 电磁涡流检测的原理

在本文中，实验对象是均匀厚度的铝箔纸，需要用到圆柱型激励线圈。以脉冲激励信号为例，当给激励线圈施加一定周期的脉冲激励电压信号的时候，激励线圈中会产生相同周期的激励电流，在激励电流的上升沿和下降沿地方，激励电流会在激励线圈周围产生一个脉冲磁场，而这个快速衰减变化的磁场会在被测试件中感应出电涡流，反过来该脉冲涡流在被测试件中必然也会产生一个涡流磁场，而且这个涡流磁场总是与原先脉冲激励的磁场方向相反[1]，当被测试件的某些性质发生变化的时候，如厚度、裂纹，必然会影响到被测试件中的涡流特性如幅值、相位、流向等，由此会造成涡流磁场的变化，因此检测线圈中检测到的磁感应强度的变化或是感应电动势的变化将反映出被测试件的信息。

2 激励信号种类的分析

首先对圆柱体骨架传感器模型进行建模，然后选取三种典型的激励波形即正弦波、三角波和方波，分析在不同厚度情况下所测位置的磁场强度的变化情况。本文研究的是低频涡流检测，由于所测对象是几十微米的铝箔纸，在Maxwell中所建的模型中对所设置线圈施加三种波形激励，每种波形的频率都是100Hz，幅值为10v。

如图1所示为在正弦波激励情况下，分别选取无铝箔纸，3层铝箔纸和6层铝箔纸时，在铝板表面，激励线圈中心点处垂直铝板平面方向的磁感应强度的输出曲线。从图可以看出在正弦波激励下，当改变铝箔纸厚度时，所求位置的磁感应强度幅值会发生明显的变化，无铝箔纸时的磁感应强度的幅值最大，6层最小。

通过实验发现三角波激励和方波激励情况下的实验结果，与正弦波激励时的规律是一样的。在一定的激励频率下，随着铝箔纸的厚度增加，输出的波形变化最明显的是波形的幅值，输出的磁感应强度在几十高斯范围，随着铝箔纸厚度的增加，磁感应强度输出的幅值会越小。从仿真的结果可以看出，输出波形的幅值是最明显的特征，因此可以将传感器底部中心位置的磁感应强度值作为表征金属铝箔纸厚度的特征量。

3 激励频率的选择

集肤效应，也称趋肤效应，是指当导体中通有交流电或者导体处于交变磁场中时，导体从表面到内部过程中的电流分布不均匀的一种现象[3]。

3.1 渗透深度与激励频率的关系

电磁检测中，当涡流密度衰减到其表面值1/e时的渗透深度称为标准渗透深度，用符号δ表示，单位是m。激励信号的频率的大小会影响被测试件中的涡流的渗透深度δ，渗透深度与激励频率是反相关的关系。

下面通过实验来探讨激励频率对测量结果的影响，选取4层厚度的铝箔纸作为测试对象，每种激励下的波形幅值均为10V，10kHz的截止频率，改变激励频率，观察霍尔传感器的输出波形的变化情况。

图2列出分别在100、300、500、700、900Hz正弦激励下，霍尔传感器的输出情况。从波形中可以看出，当激励频率增加时，所测点输出波形的幅值会下降。对于相同厚度的铝箔纸，频率越大时，在铝箔纸上产生的涡流场会越大，则对原磁场的消弱能力越强，霍尔传感器输出的曲线的幅值会越小。当激励信号的频率增大时，涡流的渗透深度越浅，集肤效应越明显。

3.2 相同激励频率下的厚度测量

选取激励信号的频率为100Hz，通过实验对相同激励频率不同厚度铝箔纸测试霍尔传感器的输出情况。所选用的铝箔纸厚度是1到20层的情况，改变采集卡的采样频率，使输出波形的大约为2个周期数，选取的是无铝箔，1，5，10，15，20层时的情形，得到的波形如图3所示。

从图3可以看出，当激励信号为正弦波时，从霍尔传感器输出的信号经过3次放大后的波形非常直观的体现了这么一个规律：相同激励频率下的同种激励信号，当被测铝箔纸的厚度增加时，检测线圈所测点的磁感强度曲线的幅值会下降，而且当均匀增加铝箔纸厚度时，磁场强度幅值的减少量并不成比例。随着着层数的不断增加，其幅值的减少量会越来越少，也就是说，传感器对测量厚度的灵敏度会随着金属铝箔纸厚度的增加而不断的降低。

4 结束语

本研究通过软件仿真，结果表明正弦波、三角波和方波均可以作为涡流测厚的激励信号，采集合磁场的磁感应强度幅值可以作为表征厚度的特征量。同时，实验结果证明，检测深度和灵敏度对激励频率的要求是矛盾的，所以在选择激励频率时，要综合考虑。

参考文献

[1] 章学铜，尹武良，赵丽婷，等.基于时域和频域综合分析的金属探伤研究[J]. 机电工程，2013，30（3）：253-256.

[2] 尹武良.低频电磁传感检测技术[M]. 北京：科学出版社，2010.

[3] 刘贵民，马丽丽.无损检测技术[M]. 北京：国防工业出版社，2010.