摘要：针对带包覆层铁磁性碳钢管 效率低下的问题 了脉冲涡流检测技术的理论模型、探头设计、信号处理及参数优化方法。 首先 散规律，指出利用扩散后期信号检测壁厚的可行性。针对铁磁 强磁场聚集能力，提高信噪比与穿透深度。在信 的 厚相对变化量测量方法，以消除材料电磁参数波 励参数。结果表明，占空比 50% 果较优；脉冲上升时间越短，检测灵敏度越高。本文研究为带包覆层铁磁管道的腐蚀 供了有效的技术方案

关键词：脉冲涡流；管道腐蚀；铁磁材料；信号处理；参数优化

中图分类号：TP212.11 文献标识码：A

1 引言

现有的脉冲涡流检测技术，多采用空心激励线圈作为脉冲磁场激励源，采用空心检测线圈或者霍尔元件、巨磁电阻传感器等作为脉冲涡流场的检测元件。这种空心探头方式产生的脉冲磁场分布区域大，脉冲涡流场检测传感器得到的检测信号微弱，噪声大。当构件外包覆层较厚或者被检构件的壁厚较大时，空心探头方式的检测能力受到了限制。当面对带保温层铁磁性碳钢管道的壁厚较厚时，被测导体为数毫米的铁磁构件，涡流衰减较慢，探头提离较大，因此适当增大线圈探头尺寸，更有利于大提离下铁磁材料的参数检测。由于线圈几何尺寸较大时，当激励功率相同时，能够产生的激励磁场更大，因此能够在被测导体中感生出涡流场较强。然而，在对相同管道进行检测时，几何尺寸较小的线圈探头对小尺寸局部缺陷检测灵敏度比几何尺寸大的线圈检测灵敏度更高。且当检测对象是三通或弯头时，线圈尺寸小可以有效避免导体的边缘效应对检测信号产生的影响。

因此本文对探头线圈的几何尺寸和形态进行优化设计。一方面保证探头具有足够的穿透能力，另一方面，保证探头具有较高的空间分辨率，可以检测出较小的腐蚀缺陷。首先，收集易腐蚀的关键铁磁管道的材质、尺寸、包覆层厚度等信息，制备实验用待测试件，并在试件上加工出典型形状、尺寸以及减薄区域。然后在实验室中利用搭建的脉冲涡流检测实验平台进行实验测试。同时，通过将磁场传感器和检出线圈探头对比，从检测灵敏度、信噪比等角度进行分析，为传感器的选择、设计提供依据。

2 涡流探头线圈设计

探头线圈的几何尺寸、提离值（探头下表面与导体上表面之间的距离）、匝数都会影响脉冲涡流检测过程中待测试件中的涡流扩散情况。探头线圈按照感应方式和线圈个数的不同可分为互感式线圈和自感式线圈。互感式线圈由两个或两组线圈组成，一个或一组为激励线圈，另一个或一组为检测线圈，自感式线圈仅有一组或一个线圈构成，该线圈自身既为检测线圈又为激励线圈。

本文设计一种带铁芯的脉冲涡流检测线圈探头。该带铁芯探头填充高磁导率、高饱和磁通密度的软磁材料铁芯，减小了线圈探头与被检构件之间磁路的磁阻。因此，利用本项目中带铁芯线圈探头对构件实施脉冲涡流无损检测时，线圈探头能产生空间聚集的脉冲强磁场，增大检测信号，提高信号的信噪比，有利于在较大提离条件下对构件实施脉冲涡流检测，并增强了探头对较大壁厚构件的检测能力。

该探头设计的技术优点：

设计的带铁芯线圈探头在探头中部填充高磁导率、高饱和磁通密度的软磁材料铁芯，减小了线圈探头与被检构件之间磁路的磁阻。在相同激励电流作用下，能产生脉冲强磁场，从而有更强的磁场渗透到被检构件中，并感应出更强的脉冲涡流场；在相同提离条件下，激发出同样大小的脉冲磁场，需要的激励电流和探头尺寸更小。因此，利用本项目中带铁芯线圈探头对构件实施脉冲涡流无损检测时，线圈探头能产生空间聚集的脉冲强磁场，增大检测信号，提高信号的信噪比，有利于在较大提离条件下对构件实施脉冲涡流检测，并增强了探头对较大壁厚构件的检测能力。同时有利于减小探头尺寸。

设计的带铁芯线圈探头内铁芯束由许多根紧密排列、彼此绝缘的铁芯组成；在脉冲电流激励下，相比于整块的铁芯，每根小铁芯内脉冲涡流场的扩散时间更短、衰减更快，从而使本项目中铁芯内脉冲涡流场的衰减更快，对检测信号的影响更小。

在带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测系统中，用线圈探头的时间常量来衡量铁芯内脉冲涡流场对检测信号的影响。当探头时间常量远小于被检构件脉冲涡流扩散时间常量时，说明铁芯内脉冲涡流场的扩散时间远小于被检构件内脉冲涡流场的扩散时间。此时，铁芯内脉冲涡流场对检测信号的影响可忽略不计，则铁芯束的作用可近似成对检测信号的线性放大，从而简化无损检测信号处理的难度。

图1 带铁芯线圈探头结构示意图

参见上图，带铁芯线圈探头由铁芯束 1、激励线圈 2 和检测线圈3 组成，铁芯束 1 设置在激励线圈 2 的中心部位，激励线圈 2 的外部是检测线圈 3。所述铁芯束 1 由多根铁芯 1A 构成，多根铁芯 1A 的排布是圆周排列。

探头中铁芯的材料成分是电工纯铁、硅钢片、坡莫合金、非晶合金、纳米晶合金等具有高磁导率、高饱和磁通密度、低矫顽力、低剩磁的软磁材料。

3 脉冲涡流信号采集

使用板卡的三个通道，分别采集同步信号、激励信号、检出信号。信号发生器同步信号接口接到通道 1，当信号发生器开始激励时，同步信号 5V 就作为触发信号被软件采集；通道 2 采集激励线圈激励电流大小；检测线圈检出信号经功率放大器连接到通道 3。用主机编程输出持续脉宽为 1～1000ms ，占空比为 50% ，幅值为 0.2～1V 的脉冲激励数字信号；经 DA 数模转换器后，变成持续脉宽为 1～1000 ms，占空比为 50% ，幅值为 0.2～1V 的脉冲激励模拟信号，输出给功率放大电路；经功率放大电路放大功率后，输出持续脉宽为1～1000ms ，占空比为 50% ，幅值为 8～40V 的脉冲激励电流给激励线圈。同时，用 AD 模数转换器采集检测线圈两端的感应电压时域信号，并将采集得到的感应电压信号存储到主机内；用 AD 模数转换器采集采样电阻两端脉冲激励电流的波形信号，并存储到主机内。

脉冲涡流检测信号的采集步骤为：

步骤 1，将空心圆柱线圈探头垂直放置于被检铁磁构件包覆层外，线圈探头下边缘与被检铁磁构件上表面之间的提离距离为 l_o ，如图 5.2-5 所示，一般提离 l_o 由构件外包覆层厚度决定。记被检铁磁构件上的第j 处检测点为 Q_j ，下一处检测点为 Q_j+1，j=1，2，…，N，N 为自然数，检测点 Q_j 处被检铁磁构件的壁厚记为 d_j ；

步骤 2，将激励线圈的两端接入脉冲激励源的输出端口，检测线圈的两端接入数据采集卡；

步骤 3，在主机中编辑脉冲激励电流的波形。设置脉冲电流的幅值 I₀ 、稳态电流持续的时间（脉宽）、上升沿时间、下降沿时间等参数。最终控制脉冲激励源输出幅值 I₀ 为 0.1～20A ，持续脉宽为10ms～5s ，快速下降的脉冲激励电流；

步骤 4，用数据采集卡采集激励电流关断后，在一个采样时间 T（ T=10ms～1s ）里，检测线圈两端的时域感应电压信号 u（t）（ （单位V），并将采集得到的离散的感应电压信号 与检测点 Q_j 的坐标对应起来，存储到主机中。

4 脉冲涡流检测信号处理

信号采集步骤获得铁磁构件脉冲涡流检测信号后，如何对检测信号进行处理，快速提取出能反映检测点 Q_j 处壁厚 d_j 变化的检测特征量，是脉冲涡流检测中信号处理的关键。

按照理论结果，由于被检铁磁构件的导磁性能好，相对磁导率远大于1，时域感应电压在后期段会近似呈指数衰减：

式中涡流扩散时间常量 τ_e=μσd²/π² 。

因此，将时域感应电压绘制在半对数坐标系下，后期段感应电压信号会近似成一段直线。依据直线方程 y=kx+a 对所述感应电压测量曲线直线段进行最小二乘法拟合，即可得到直线段斜率 k 与截距 a 两个检测特征量。最后通过所述检测特征量解析出被检铁磁构件的电磁参数与壁厚。信号特征量的提取步骤具体如下：

步骤 1，将采集得到的检测线圈两端时域感应电压信号 u（t） 绘制于半对数坐标系中，得到的感应电压测量曲线；

步骤 2，利用直线方程 y=k_jx+a_j 对图中感应电压测量曲线的后期段进行最小二乘法拟合，得到感应电压的拟合直线；

步骤 3，提取出感应电压拟合直线段的斜率 k_j 和截距 a_j 作为检测特征量。而斜率 k_j 和截距 a_j 与被检铁磁构件上检测点 Q_j 处的壁厚 d_j 、电导率 σ_σσσ 和相对磁导率 μ_r 之间的关系为：

式中 I₀ 为脉冲激励电流的幅值，单位为 A

步骤4，依据检测特征量解析出被检铁磁构件的壁厚和电磁参数，可解得检测点 Q_j 处的相对磁导率 μ_r 、电导率 σ_σ∝σ_σσ_σ 与壁厚 d_j 平方之间的乘积为：

解得检测点 Q_j 处相对磁导率 μ_r 与壁厚 d_j 的乘积为：

5 管道腐蚀减薄信号的特征量分析方法

按照上述步骤从检测信号中提取出检测特征量（k a j j ， ） 后，利用检 测特征量来确定被检铁磁构件壁厚的变化，是本项目中脉冲涡流检测 的最终目的。一般而言，铁磁构件的电导率 σ 和相对磁导率µr 容易 受材料微观组织、温度、构件内剩磁等因素的影响，所以很难用标准 试块对它们进行标定。然而，可以从被检铁磁构件上任意选取一点作 为参考点，来测量被检铁磁构件上不同检测点壁厚相对于参考点壁厚 的相对变化量。壁厚相对变化量的测量步骤如下：

步骤一，在被检铁磁构件上任意选取一处检测点，标记为参考检测点 Q₀ ，参考点 Q₀ 处的壁厚记为 d_o ；

步骤二，将空心圆柱线圈探头置于被检铁磁构件参考检测点 Q₀ 处，按照信号采集步骤，对参考点 Q₀ 实施脉冲涡流检测，并将采集得到的检测线圈两端时域感应电压信号 u（t） 绘制在半对数坐标系中；

步骤三，按照特征量提取步骤，从参考点 Q₀ 处检测信号中提取出感应电压直线段的斜率 k₀ 和截距 a₀ ，将这两个特征量存储于主机内存中，并写出：

步骤四，将空心线圈探头移至被检铁磁构件上检测点 Q_j 处，重复步骤二和步骤三，提取出检测点 Q_j 处的感应电压信号的检测特征量（k_j，a_j） ，然后写出被检铁磁构件上检测点 Q_j 处壁厚 d_j 、电导率 σ_σ∝σ_σσ_σ 和相对磁导率 μ 的关系式；

步骤五，将式（6）与式（7）相比，得到检测点 Q_j 处壁厚 d_j 与参考检测点 Q₀ 处壁厚 d₀ 的比值为

由此计算出检测点 Q_j 处壁厚相对于参考检测点 Q₀ 处壁厚的相对变化量后，将检测结果与检测点的位置坐标对应起来，存储到主机中。

重复步骤四和步骤五，得到下一检测点 Q_j+1 处壁厚的相对变化量。直至描绘出整个被检铁磁构件壁厚相对于参考检测点 Q₀ 处壁厚的相对变化情况，从而找出铁磁构件上壁厚腐蚀减薄的位置，并对壁厚腐蚀程度进行定量评估。

当被检工件发生了壁厚减薄或腐蚀垢积时，会引起构件壁厚、电导率和磁导率等参数的变化，从而使导体内感应出的脉冲涡流场分布发生变化，反映在检测线圈两端的时域感应电压衰减过程也会发生变化：腐蚀减薄的地方，感应电压衰减得更快。可以通过比较两处检测点的信号衰减变化过程，来检测工作尺寸和电磁参数的变化，从而评估工作的腐蚀程度，如图 2 所示。图中探头 A B 表示是一个探头分别在位置A 和位置B，而不是两通道 / 探头。

图2 脉冲涡流检测管道壁厚腐蚀减薄示意图

6 脉冲涡流检测试验平台参数的优化设计

线圈探头内的激励线圈可以视作一个电感与电阻的串联，由于电感的存在，脉冲激励电流并非理想情况下的矩形脉冲，而是呈现近似指数下降的下降沿。激励线圈电路的时间常数越大，激励电流关断越难，导致下降沿时间越长，不利于壁厚较小的管道检测。此外，检测线圈中存在的杂散电容，会造成高频段检测信号的误差。因此，需要尽量降低激励线圈的电感值和检测线圈的旁路电容，优化脉冲涡流检测试验平台的脉冲激励参数，如脉冲激励的下降沿、重复周期、占空比等，以匹配不同材质、不同厚度铁磁管道的检测。

在理想状态下，如果不考虑采集感应电压信号时的误差，则利用理论计算模型，可以反算得到所有模型参数。实际上数据采集板卡的精度有限，会造成检测信号的高频噪声、直流偏置等误差，导致铁磁管道壁厚检测结果显著的误差。待检测管道的铁磁性越强，参数之间的耦合程度较高，在利用采集到的感应电压检测壁厚时，参数之间相互影响程度越大，对数据采集的精度要求越高。由此，需要进一步研究优化脉冲涡流检测试验平台数据采集部分的采样率、精度、分辨率等技术指标。

通过脉冲涡流激励方波信号数据的比对及分析，确定传感器的最优参数设定；此外，考察脉冲涡流激励方波信号的激励参数对检测能力的影响，通过改变脉冲激励信号的脉冲重复频率、占空比、上升时间、电压幅值等，对得到检测信号的时域、频域特征量及其变化值进行数据分析与处理，最后得到最优化的系统工作参数，包括：传感器参数、脉冲重复频率、脉冲占空比、上升时间、脉冲电压幅值等。

参考文献

[1] 徐平 ， 罗飞 ， 等 . 带铁芯脉冲涡流探头在厚壁构件检测中的优化设计 [J]. 仪器仪表学报 ， 2022， 43（5）： 210-218.

[2] 范孟哲 ， 王进 ， 等 . 基于脉冲涡流后期段拟合的铁磁性材料壁厚评估方法 [J]. 机械工程学报 ， 2021， 57（18）： 56-64.