圖1. 科赫探頭和圓形探頭的線圈結(jié)構(gòu)

2024年5月，蘭州理工大學(xué)的陳國龍、靳伍銀團隊在Chinese Journal of Mechanical Engineering上發(fā)表了一篇題為“Lift-Off Effect of Koch and Circular Differential Pickup Eddy Current Probes”的文章。該團隊使用了兩種具有差分拾取結(jié)構(gòu)且大小相同的平面渦流探頭(分別是科赫探頭和圓形探頭)來比較提離效應(yīng)，并通過有效元分析得到了0°和90°裂紋擾動下的探頭渦流分布情況，最終證明了科赫探頭在低提離距離下檢測90°裂紋的優(yōu)點。

渦流檢測(Eddy currenttesting, ECT)是常見的非破壞性檢測方法之一，廣泛用于檢測金屬材料表面或內(nèi)部的缺陷。這種方法不僅在缺陷檢測中起著關(guān)鍵作用，還可以獲取有關(guān)金屬材料結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的信息。在使用ECT系統(tǒng)進行檢測時，EC探頭是不可或缺的部分，它可以獲得從被測試樣品反饋的電信號。

2015 年，陳國龍團隊將科赫曲線引入平面渦流傳感器的設(shè)計，提出一種科赫曲線激勵、螺線拾取方案。2021年，陳國龍團隊將激勵線圈設(shè)計為差分結(jié)構(gòu)，提出一種具有并聯(lián)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的科赫平面渦流傳感器。然而在實際探測中，探頭與樣品之間總是存在提離距離，這可能會造成干擾，因此在該文章中，該團隊進一步探究提離效應(yīng)對科赫探頭信號輸出的影響，同時還將使用同樣大小和繞線方法的圓形線圈探頭，用于比較科赫探頭的離板效應(yīng)。

測量方法 & 部分測量結(jié)果

圖2. 科赫差分拾取探頭的工作原理

當(dāng)接收到交流電時，科赫探頭的激勵線圈產(chǎn)生主磁場。當(dāng)探頭接近鋁樣品時，樣品產(chǎn)生主磁場并誘導(dǎo)渦流。由于渦流也是交流電，根據(jù)楞次定律，在渦流周圍會產(chǎn)生阻礙主磁場變化的次級磁場。在主磁場和次級磁場之間的相互作用下產(chǎn)生合成磁場。隨后，通過拾取線圈獲得合成磁場，并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于拾取線圈的特殊繞線方法，左右半部分的信號輸出是相反的，并且可以互相抵消。當(dāng)探頭下沒有缺陷時，拾取線圈的信號輸出達到零，即在理想條件下具有自消屬性。然而，當(dāng)探頭經(jīng)過缺陷時，拾取線圈一半的信號輸出會受到干擾。這時，拾取線圈的總輸出信號不再為零，因此可以識別缺陷信息。由于這種特性，可以減少提離效應(yīng)對探頭的負(fù)面影響。

圖3. 試驗系統(tǒng)原理圖

首先用函數(shù)發(fā)生器輸出一個頻率 100 kHz 、峰值300 mV的正弦激勵信號和一個相同參數(shù)的 TTL 參考信號。其中，輸出的 TTL 參考信號進入鎖相放大器(OE2031)的參考通道;正弦激勵信號進入功率放大器進行放大，然后將萬用表串聯(lián)在電路中以監(jiān)測激勵電流有效值，最后與傳感器的激勵線圈相連組成閉合回路，此過程完成對傳感器的激勵部分;接著對拾取線圈中的感應(yīng)電動勢進行獲取，將拾取線圈與前置放大器的輸入端相連對拾取到的信號進行放大，然后輸出端進入鎖相放大器的信號輸入端，該信號與鎖相放大器中的 TTL 參考信號進行運算，得到實部和虛部信號。

圖4. 實驗結(jié)果: (a)檢測0°裂紋，(b)檢測90°裂紋。圖5 實驗結(jié)果:(a)科赫探頭，(b)圓形探頭

圖4(a)展示了對0°取向裂紋進行檢查時輸出信號的。通常情況下，隨著離板距離的增加，值呈指數(shù)級下降，兩個探頭輸出的響應(yīng)信號在相同的提離距離下幾乎相同。

對于90°取向的裂紋，實驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致，如圖13(b)所示。兩個探頭輸出信號的值隨著提離距離的增加呈指數(shù)級下降，而圓形探頭的隨著提離距離的增加下降速度較慢。與有限元結(jié)果類似，提離距離對科赫探頭信號的影響比對圓形探頭的影響更為明顯。換句話說，圓形探頭在小提離距離下的檢測結(jié)果更穩(wěn)定?？坪仗筋^輸出信號的在一定提離距離范圍內(nèi)明顯大于圓形探頭。當(dāng)提離距離為0.1毫米時，科赫探頭的比圓形探頭大66.0%。隨著提離距離的增加，直到提離距離超過1.2毫米，科赫探板距離超過1.2毫米，科赫探頭的才不再大于圓形探頭的。

圖5(a)和(b)分別顯示了檢測到90°裂紋時科赫和圓形探針信號輸出的歸一化結(jié)果。隨著激發(fā)頻率的增加，頻率的提升變得越來越明顯，隨著提離距離的增加，1000 kHz的下降速度快于其他頻率。

總結(jié)

該研究提出了基于科赫分形曲線的平面差分式拾取渦流探頭。該探頭通過差分結(jié)構(gòu)繞制，有效地抑制了檢測過程中的提離噪音。同時設(shè)計了一個尺寸相同的圓形差分式拾取渦流探頭，以比較這兩種探頭的提離效應(yīng)。從有限元分析和實驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1. 在低離板距離下，90°裂紋對科赫探頭的干擾比對圓形探頭更強烈。

2. 當(dāng)離板距離小于1.2毫米時，科赫探頭比圓形探頭更適合檢查90°取向的裂紋。

3. 1000kHz信號的提離距離對值的影響比100kHz和500kHz更為明顯。

審核編輯 黃宇