多层厚度电涡流检测技术及实验研究

　　金属多层结构厚度检测是许多重要领域急需解决的问题。涡流检测方法具有灵敏度高、适用于导电材料、造价低、不需要耦合剂以及可用于高温、薄管、细线和内空表面等难以进行检测的特殊场合等优点,因此可以采用多频涡流检测技术进行飞机多层搭接件内部腐蚀气隙和复合镀层厚度等的检测。

　　1　多层厚度电涡流检测原理

　　1.1　探头阻抗变化数学模型

　　一个正圆柱空心探头线圈放置于M层金属结构上方(见图1),各层的电导率、磁导率、厚度等可以不同,但是每一层的特性假设为均匀、各向同性。根据文献[1,2],可知置于标准结构上方的探头测得阻抗值

置于待测结构上方测得阻抗值

         以上两式中,Φ1(a)、Φ2(a)是复杂的表达式,详见文献[1]。

　　由Z2-Z1可得出N匝探头线圈(一个探头完成激励、检测功能)在M层结构上方产生的阻抗变化为

       因 此,根据阻抗数学模型式(1),可知多层结构上方线圈阻抗变化是可表达为被检测材料特性、线圈参数、检测参数等多个参数的函数,即

        式中,r1为线圈的内半径;r2为线圈的外半径;l1为提离,即探头下表面到被测件上表面的距离;l2为线圈上表面到待测结构表面的距离;μi、σi为第i层的磁导率和电导率;μ0为空间磁导率;ω为角频率;j为复数的虚部单位;J1(x)为第一类一阶贝塞尔函数;zi为第i层和第i+1层的交界面的深度(从结构表面往下测量);f为线圈频率。

　　1.2　多层厚度检测原理

　　电涡流法测量金属结构厚度或者多层厚度,期望测量出由厚度引起的阻抗变化,如果抑制其它参数引起的线圈阻抗变化,而测定那些与厚度有关的参数,就可测量出厚度的变化。

　　多层厚度检测中,未知参数是第i层的厚度ti,已知的是线圈参数、材料特性参数等,在给定激励频率f下,式(2)可简写为

　　在实际检测线圈的输出信号中,反映待测信息的是线圈感应电压的变化量ΔU0,它相当于线圈阻抗的变化量ΔZ;ΔU0与线圈的感应电压相比要小得多,约为10-2～10-3数量级。在涡流检测仪中,为了表示待测因素的检测结果,一般需要把ΔU0无失真地放大到所需要的数量级,记为ΔU[3～5]。因此,用电压变化值代替阻抗变化值,式(3)可写为

　　ΔU=f(zi,f)                                               (4)