低频涡流检测激励频率选取的仿真研究

　　涡流检测具有快速、方便、无污染、成本低、便于现场检测等优点。然而,由于常规涡流检测使用的激励频率较高,集肤效应明显,因而只是用于检测表面和近表面缺陷。当遇到含有较深部位的缺陷和多层结构的压力容器时,涡流检测很难发挥优势。这时,运用较低频率的激励信号渗透深的优势便可以解决。但不能一味选择低频率而不考虑检测灵敏度,因此,低频涡流检测激励频率的选取是检测效率的一个重要影响因素[1]。

　　1　低频涡流检测原理

　　如图1所示,当给激励线圈两端加一交变电压U1,由电磁感应定律知,激励线圈中将产生一垂直于电流方向的交变磁场B1,该交变磁场经钢管形成回路,同时在钢管内部感应出涡流I1。涡流进一步产生一个与磁场方向相反的交变磁场B2。检测线圈在交变磁场B1、B2的共同作用下感生出感应电压U2。这时,通过比较U1与U2之间的相位差跟一个标准相位差的差值,便可得出缺陷的信息[2]。

　　2　低频涡流检测激励频率的分析

　　激励频率是低频涡流检测中的一个关键因素。低频涡流称之为“低频”的原因就在于利用较低的频率穿透试件检测较深部位的缺陷[3]。

　　通常,有两个因素决定着低频涡流激励频率的选取。首先是渗透深度,由于集肤效应,当交变磁场垂直投入到导体时,导体中感应出的涡流密度随着距表面深度的增加呈指数规律衰减。通常定义涡流密度等于表面涡流密度1/e(37%)处的深度称为涡流渗透深度,即:

　　δ= 1/πfμσ= 5.033/fμrσ(1)

　　式中　μr—材料的相对磁导率;

　　σ—材料的电导率,1/μΩ·cm;

　　f—试验频率,Hz。

　　f越小,渗透深度越大。渗透深度定性地反映了涡流检测的深度。涡流渗透深度大,可检测的深度相应也大,反之则小。但渗透深度并不是涡流检测所能达到的最大深度,涡流检测的最大深度可达渗透深度的3倍左右,在这个深度上,涡流密度仅为表面密度的5%,这时检测灵敏度已经很低,超过这个深度,涡流检测就更显得无能为力了。因此渗透深度是选择试验频率的一个重要依据。在仿真分析和实际检测时,根据选定的试验频率和试件的相对磁导率、电导率计算出的涡流渗透深度至少需要大于检测深度的1/3,涡流检测才有效。

　　第二个要考虑的因素是检测灵敏度,频率越低,到达试件表面及内部的涡流密度越少,所以一味地使用低频率很难达到检测试件内部缺陷的目的。

　　因此,结合这两个因素综合考虑,将常用的低频涡流检测试件的参数代入公式(1)。而一般低频涡流检测的钢管缺陷都在表面以下大于3mm的位置,那么渗透公式中的渗透深度至少应该在9mm以上,在此前提下,根据渗透深度公式算出的信号激励频率不得大于30Hz。