基于多指标正交实验的涡流探头优化设计

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涡流检测(Eddy Curent Testing，ET)是基于电磁感应原理揭示导电材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。当载有交变电流的检测线圈靠近被测导体试件时，由于线圈磁场的作用，试件中产生感应涡流，而涡流的存在又影响检测线圈周围的磁场分布，线圈的阻抗也就随之变化 。

涡流探头即检测线圈是拾取涡流场强度及分布变化的传感器。被测金属工件的材质、尺寸、表面状态、激励信号的频率、线圈与被测表面的距离、线圈参数等均会影响涡流场的强度及分布，改变其中任何-个参数都会引起涡流场的变化，涡流场反作用于检测线圈从而使线圈的阻抗发生变化。

涡流检测探头是用来连接被测金属材料和涡流测试仪器的敏感元件，是将被测金属材料特性、缺陷等相关信息转变为阻抗变化输出的器件2]，因此涡流检仪器的质量、检测系统的灵敏度直接撒于探头性能的好坏。当今常用的涡流检测探头主要包括激励线圈、检测线圈、磁芯、支架以及外壳磁饱和器几个部分。涡流探头设计的常用方法为收稿日期]2013年3月 20日 [修订日期]2013年5月 31日[基金项目]江西侍育厅科技项目(GJJ12407)；无损检测技术教育部重点实验室开放基金(ZD201229008)[作者简介]祝忆春(1970年-)，工程师，主要从事通信工程设计、规划、管理及电磁检测等方面的研究工作。

第4期 祝忆春，杨琳瑜，邱玉兰：基于多指标正交实验的涡流探头优化设计 223实验法、解析法和数值法 J♀析法是基于电磁理论 ，推导线圈的阻抗的解析解，从而确定线圈所配置的具体参数。数值法是基于快速增长的计算机技术，通过数值建模求解有关线圈响应的数值解从而实现对涡流探头性能的模拟。3种设计方法各有优越性和局限性↑年来，涡流探头的设计理论逐步发展，例如张玉华等研究了基于场 -路耦合模型的涡流探头设计 ，Buvat F等 研究了含铁氧体磁芯的电涡流传感器线圈阻抗理论模型和数值计算。杜平安等 采用三维有限元模型对涡流传感器进行仿真和设计。但理论模拟毕竟不能代替实际，理论模拟确定的参数只能作为参考，实验法对于探头的改进仍起最重要作用，是涡流探头设计中不可替代的方法。实验法必须借助实践经验及大量的实验进行反复的修正、改进，从而确定较为适合的探头参数。鉴于涡流探头性能的影响因素较多，每个因素对探头不同性能的影响各不相同，如何以最少的实验试验次数，获得尽量多的有用信息，并且能方便的分析试验结果是采用实验方法进行涡流探头设计需要考虑的问题。而正交设计正是-种多因素、多水平、高效、经济的实验方法。 。

本研究以用于金属表面无损探伤的点式探头为例，选取影响探头性能的几个主要因素，以多指标正交实验为基础，通过试验据数据分析，综合决定各因素主次及最优水平组合，以得到性能优良的涡流检测探头。

1 实验设计点式涡流探头是通以正弦电流的线圈，在实际操作中，为提高检测灵敏度并有效分离各种影响因素，应选择合适的检测频率。频率过小穿透深度增加，但直径效应”方向与裂纹效应”方向的夹角很小，甚至无法区分 。当频率比过大趋肤效应相当明显，检测绝对灵敏度已经显著下降，故要依据检测 目的和对象选择不同频率 J。线圈结构尺寸对涡流场的影响表现为：线圈外径影响周围磁场的分布，线圈近场磁感应强度随着外径减小而增加，但远处延线圈轴线方向磁感应强度衰减快，表现为渗透深度减孝检测灵敏度高、线性范围变小 J。线圈内径对磁感应强度的影响不大；线圈的轴向厚度与灵敏度呈反比。线圈匝数对探头的影响需综合考虑。-方面，线圈的匝数影响线圈电感量的大小，匝数减少使线圈阻抗减少，激励能量增加，有利于灵敏度的提高；另- 方面，激励线圈匝数减少降低了线圈与试件之间的藕合程度，不利于提高灵敏度。感应线圈中插入磁芯可以增大绕组间的电磁耦合、限定磁场范围，能增强线圈电感，减少线圈的分布电容，有助于提高检测灵敏度 。综上所述，线圈的检测频率厂、线圈的外径D、线圈匝数 、磁芯直径d都是探头设计中的重要参数。

正交实验设计法是研究与处理多因素实验的- 种科学方法。是依据数理统计的原理，应用-种标准化了的正交表”在大量的试验点中科学地挑严适并具有代表性的试验点，合理安排实验的-种方法。它具有整齐可比性和均衡分散性，可以减少实验次数，大大提高实验效率 J。

本次实验选取线圈检测频率.厂、线圈的外径D、线圈匝数n、磁芯直径d 4个因素♂合以往实验结果，因素水平选取如表 1所示。采用 L。(3 )正交表安排试验，实验方案如表2所示。

表 1 因素水平表Table 1 Factor combinationFactor/level Experimental indicatord D Sensitivity/(v·inln- 1 Linearity/%O.900.87O.671.10O.560.780.47O.560.72探头连接检测系统如图 1所示，涡流探头采用绝对式探头，具备产生激励信号及拾褥测信号2个功能，拾取的交流信号经相敏检波、放大电路调理后经 A/D转换送至计算机。待检试块预制了4个模拟裂纹缺陷的刻槽、3个模拟腐蚀坑缺陷的平底孔，尺寸数据如图2所示。

5 2 5 1 9 3 6 7 2 9 U m m 9 H1 2 3 3 1 2 2 3 1 ， -1 1 1 2 2 2 3 3 3258 失效分析与预防 第8卷6 改进措施为了避免类似故障的发生，建议采取如下措施：1)在工艺规程增加按 QAS8933检验，要求叶片上没有碰、压、划伤等缺陷；2)在工艺规程增加检验叶片与配套配合，过盈量应为0.063-0.076mm；3)叶片加工车间和装配车间的工艺流程中增加检验项目：目视检查低压二、三、四级转子叶销孔的两端面。

7 结论1)低压三级转子叶片连接销孔处断裂为高周疲劳断裂，裂纹萌生于叶片内孔最大受力点位置，即排气边侧端面与靠近壁最薄部位销钉孔交角处。

2)叶片内孔进气边侧靠近端面处存在的台阶，导致振动异常，使叶片内孔在工作状态下最大受力点处的应力升高，在工作载荷与振动载荷共同作用下致使叶片产生疲劳断裂。

3)导致叶片孔产生台阶的主要原因为叶片装衬套后锪孔时受到不明外力的撞击。