鎖相放大器OE2031在渦流無損檢測方面的應用

蘭州理工大學的陳國龍、靳伍銀團隊使用了兩種具有差分拾取結構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，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部的缺陷。這種方法不僅在缺陷檢測中起著關鍵作用，還可以獲取有關金屬材料結構和狀態的信息。在使用ECT系統進行檢測時，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計為差分結構，提出一種具有并聯性拓撲結構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。

圖1 科赫探頭和圓形探頭的線圈結構

【測量方法&部分測量結果 】

圖2 科赫差分拾取探頭的工作原理當接收到交流電時，科赫探頭的激勵線圈產生主磁場。當探頭接近鋁樣品時，樣品產生主磁場并誘導渦流。由于渦流也是交流電，根據楞次定律，在渦流周圍會產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生合成磁場。隨后，通過拾取線圈獲得合成磁場，并產生感應電動勢。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，當探頭經過缺陷時，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，可以減少提離效應對探頭的負面影響。

圖3 試驗系統原理圖首先用函數發生器輸出一個頻率 100 kHz 、峰峰值300 mV的正弦激勵信號和一個相同參數的 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，然后將萬用表串聯在電路中以監測激勵電流有效值，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 實驗結果: (a)檢測0°裂紋，(b)檢測90°裂紋。圖5 實驗結果:(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，值呈指數級下降，兩個探頭輸出的響應信號在相同的提離距離下幾乎相同。對于90°取向的裂紋，實驗結果與有限元分析結果一致，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果更穩定。科赫探頭輸出信號的在一定提離距離范圍內明顯大于圓形探頭。當提離距離為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果。隨著激發頻率的增加，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】

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。該探頭通過差分結構繞制，有效地抑制了檢測過程中的提離噪音。同時設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。從有限元分析和實驗結果可以得出以下結論：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。