兰州理工大学陈国龙团队：基于科赫差测量平面涡流传感器的裂纹检测性能研究丨JME文章推荐

引用论文

陈国龙, 曹政, 张帅帅, 靳伍银. 基于科赫差测量平面涡流传感器的裂纹检测性能研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(10): 17-29.

CHEN Guolong, CAO Zheng, ZHANG Shuaishuai, JIN Wuyin. Study on the Crack Detectability Based on Koch Differential Pick-up Planar Eddy Current Probe[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(10): 17-29.

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目前，随着工业产品功能需求的急剧增加，金属件结构趋于复杂化，服役环境也越来越苛刻，如高温、疲劳、强辐射等环境，使其失效概率变大，因此，及时高效地发现具有复杂形貌零件中的微裂纹对复杂形貌金属构件结构完整性评价具有重要意义。柔性涡流传感器由于其可变形性质，在复杂零件如航空发动机叶片、汽轮机叶片、压力容器等的检测中可以有效与被测零件表面贴合，可以实现快速检测且能够抑制检测过程中的提离噪声。圆形、螺线、直线、矩形等常规形状激励线圈在试块中建立的涡流场在局部区域方向较单一，传感器对与涡流方向夹角较小的短裂纹的探测信号非常微弱，漏检率较高。基于此，兰州理工大学陈国龙团队将差动测量思想与科赫分形曲线相结合，提出一种基于科赫曲线的平面差测量涡流传感器，并与所设计的相同尺寸圆形线圈涡流传感器进行对比研究。通过对比研究验证科赫传感器对与涡流方向夹角较小的短裂纹的检测优势。他们的研究成果以题为《基于科赫差测量平面涡流传感器的裂纹检测性能研究》发表在《机械工程学报》2023年第10期。

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关键技术

采用仿真和实验相结合的试验方法。首先介绍科赫与圆形平面差测量涡流传感器裂纹检测的有限元模型及参数设置，通过仿真计算得到两种传感器对不同方向、长度、宽度和高度的响应信号峰峰值，分析科赫传感器在检测哪些裂纹时比圆形传感器更有优势。为了对比两种传感器在试块中感应出的磁场和涡流分布，以及对不同尺寸裂纹的探测性能，对两种传感器分别建立有、无裂纹试块的有限元模型。科赫差测量传感器有限元模型的几何模型如图1所示，有限元模型网格划分结果如图2所示。

图1 科赫差测量传感器有限元模型

图2 有限元模型网格划分结果

重点对比两种传感器对不同方向短裂纹的探测性能，并从涡流分布的角度进一步分析本质原因。通过试验方法进行裂纹检测，首先介绍了相关试验仪器及其参数设置，然后连接仪器并对裂纹进行扫描试验。然后对采集到的信号进行处理计算，得出两种传感器的等效跨阻抗峰峰值。计算相对变化率的值来反映科赫传感器相对于圆形传感器检测性能的优劣，对比有限元分析和试验方法得出的相对变化率的值，得出科赫传感器对某些尺寸、方向裂纹的检测优势。

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试验结果

差测量传感器试验系统实物图如图3所示，所用到的仪器与设备主要包括：RIGOL-DG832函数发生器、RIGOL-PA1011功率放大器、RIGOL-DM3058台式万用表、AIGTEK-ATA-220前置放大器、OE2031锁相放大器、工控机、三维操作台、SC100步进电机控制器。其中传感器探头安装在三维操作台的Z轴升降台上，被测试块位于其下方且固定在台面上。

图3 试验系统实物图

图 4 为两种传感器在无裂纹试块上表面感应出 的法向磁场分布。由图4可知，正反两个方向法向磁场 的分界线与激励线圈形状相似。 科赫传感器在试块上 表面建立的法向磁场在正、反两个方向上的最大值分 别为133 A/m 和134 A/m ； 圆形传感器的分别为 82.9 A/m 和99.9 A/m 。 科赫传感器在试块表面的法 向磁场在正、反两个方向的最大值大于圆形传感器 的，这是由于科赫线圈存在微小结构，相邻的两条通 电线段之间距离较近，从而导致较强的磁场叠加 。

图4 两种传感器在试块表面建立的法向磁场分布

有限元分析结果表明，当传感器对60 ° 、75 ° 、90 °方向裂纹（尺寸5 mm×0.25 mm×1.6 mm）进行检测时，科赫传感器输出信号峰峰值比圆形传感器的分别大7.4%、45.2%、71.8%。图5说明对于大于60°方向的裂纹检测，科赫传感器的优势越来越明显。

图5 两种传感器响应信号峰峰值随裂纹方向的变化规律

科赫传感器对3 mm与5 mm短裂纹在90°方向扫描得到的信号峰峰值分别比圆形传感器大41.0%和71.8%，说明此时短裂纹对科赫形状的涡流分布的扰动更剧烈；在裂纹宽度为0.1 mm时，科赫传感器输出信号峰峰值约为0.165 mV，圆形传感器峰峰值为 0.068 mV，科赫比圆形大142.6%，此时科赫传感器的优势达到最大。说明裂纹的宽度越小，科赫传感器的检测优势越明显。当裂纹深度大于0.4 mm时，科赫传感器输出信号峰峰值大于圆形传感器的，且二者差距越来越明显。科赫传感器在检测深度大于0.8 mm的裂纹时，其输出信号峰峰值是圆形传感器的1.5倍以上，体现出较强的检测优势，如图6所示。

图6 两种传感器响应信号峰峰值随裂纹宽度的变化规律

试验结果表明，对60 ° 、75 ° 、90 °方向裂纹进行检测时，科赫传感器的峰峰值比圆形传感器分别大42.5%、64.7%和80.0%；对于3 mm与5 mm裂纹，科赫传感器的等效跨阻抗峰峰值比圆形传感器分别大68.1%和46.1%，验证了科赫传感器对90°方向短裂纹检测的优势；在传感器对不同深度裂纹的检测试验中，随着裂纹深度的增加，峰峰值总体先增长后趋于平缓，如图7所示，当裂纹深度大于0.6 mm时，科赫传感器输出阻抗峰峰值大于圆形传感器的1.5倍。

图7 两种传感器等效跨阻抗峰峰值随裂纹长度的变化

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结论

(1)科赫传感器在被测试块中感应出的涡流分布与激励线圈形状相似，且在局部区域中，将涡流矢量调理在更多方向上，有利于提高涡流被不同方向裂纹扰动的概率；

(2)科赫曲线设计的平面涡流传感器对各个方向短裂纹探测的一致性较高，有效地避免了传统圆形线圈对特殊方向短裂纹探测漏检率高的问题。在检测尺寸为 90 °方向的裂纹时，有限元结果中科赫传感器输出信号峰峰值比圆形传感器大71.8%，试验结果中科赫传感器输出的等效跨阻抗值比圆形传感器的大80.0% 。

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前景与应用

论文所提出的科赫差测量分形涡流传感器，若制作在柔性基底上，可以实现一些具有复杂曲面零件的表面、近表面裂纹的探测，如航空发动机叶片叶缘、叶根部位裂纹的探测 。

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[1]CHEN G, SONG Z, JIN W. A novel planar differential excitation eddy current probe based on the fractal koch curve[J]. Measurement, 2022, 193:110947.

[2]CHEN G, LI Z, CAO Z, et al. A differential excitation eddy current probe based on novel annular fractal curve for defects inspection[J]. IEEE Sensors Journal, 2022, 22(16):15903-15915.

[3]CHEN G, ZHANG W, PANG W. Koch curve fractal geometry excitation probe for eddy current non-destructive testing[J]. Measurement, 2018, 124:470-478.

[4]CHEN G L, ZHANG W M, ZHANG Z J, et al. A new rosette-like eddy current array sensor with high sensitivity for fatigue defect around bolt hole in shm[J]. NDT & E International, 2018, 94:70-78.

团队带头人

陈国龙， 2010年获北京理工大学学士学位；2018年获北京理工大学博士学位；2018年11月进入兰州理工大学机电工程学院从事科研教学工作；现为兰州理工大学机电工程学院副教授、硕士研究生导师、机电控制及自动化系系主任。提出多种基于信息论的涡流场定量评价方法，包括：空域、时空域涡流场的角度谱、切向角度谱、环形能量谱的信息熵、交叉熵、相对熵、JS散度，涡流-裂纹相互作用效率等。提出多种用于平面柔性涡流传感器设计的电磁感应新结构，包括：科赫激励-螺线拾取、科赫激励-科赫拾取绝对式、串联型拓扑结构科赫差激励、并联型拓扑结构科赫差激励、科赫激励-科赫拾取差测量等科形涡流传感器；提出用于分形涡流传感器电磁感应结构设计的不同尺寸圆形迭代的新型分形曲线；提出螺栓孔周边疲劳裂纹健康检测的同向激励花萼状平面涡流传感器；提出十字结构激励-对顶角双扇形拾取的旋转涡流场平面涡流传感器等。主持完成国家自然科学基金项目1项，甘肃省教育厅青年博士基金1项，主持甘肃省自然科学基金重点项目1项，兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划项目1项，企业技术开发与服务项目2项，参与省部级项目2项。以第一作者或通讯作者发表SCI/EI检索学术论文16篇；申请发明专利15项，授权6项。

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近两年团队发表文章

[1]陈国龙, 曹政, 张帅帅, 等. 基于科赫差测量平面涡流传感器的裂纹检测性能研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(10):17-29.

[2] CHEN G, SONG Z, JIN W. A novel planar differential excitation eddy current probe based on the fractal koch curve[J]. Measurement, 2022, 193:110947 .

[3] CHEN G, LI Z, CAO Z, et al. A differential excitation eddy current probe based on novel annular fractal curve for defects inspection[J]. IEEE Sensors Journal, 2022, 22(16):15903-15915 .

[4] CHEN G, JI W, ZHANG S, et al. Differential Koch Planar Eddy Current Probe Sensitivity Boosting by Iron Particulate Sheet[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement.(Accepted) .

[5]陈国龙, 张帅帅, 曹政, 等. 绝对式科赫分形平面涡流传感器裂纹检测性能研究 [J]. 仪器仪表学报, 2022, 43(10):98-107.

[6] CHEN G, CAO Z, ZHANG W. A novel planar differential koch fractal eddy current probe with parallel wound topological structure[J]. Journal of Sensors, 2021, 2021:6671189 .

[7] CHEN G, CAO Z. Quantitative evaluation of eddy current distribution by relative entropy and cross entropy[J]. Measurement & Control, 2021, 54(3-4):164-169 .

[8] GUOLONG C, ZHENG C, WUYIN J. Jensen-shannon divergence of two eddy current distributions induced by circular and fractal koch excitation coils[J]. International Journal of Engineering, 2022, 35(7):1330-1342 .

[9]CHEN G, WANG K, CAO Z, et al. Information entropy of angular spectrum for quantitatively evaluating eddy current distribution varying in time domain[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University (Science), 2022. (Article in Press).

作 者：陈国龙

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 强

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