锁相放大器OE2031在涡流无损检测方面的应用

兰州理工大学的陈国龙、靳伍银团队使用了两种具有差分拾取结构且大小相同的平面涡流探头（分别是科赫探头和圆形探头）来比较提离效应，并通过有效元分析得到了0°和90°裂纹扰动下的探头涡流分布情况，最终证明了科赫探头在低提离距离下检测90°裂纹的优点。涡流检测(Eddy currenttesting, ECT) 是常见的非破坏性检测方法之一，广泛用于检测金属材料表面或内部的缺陷。这种方法不仅在缺陷检测中起着关键作用，还可以获取有关金属材料结构和状态的信息。在使用ECT系统进行检测时，EC探头是不可或缺的部分，它可以获得从被测试样品反馈的电信号。2015 年，陈国龙团队将科赫曲线引入平面涡流传感器的设计，提出一种科赫曲线激励、螺线拾取方案。2021年，陈国龙团队将激励线圈设计为差分结构，提出一种具有并联性拓扑结构的科赫平面涡流传感器。然而在实际探测中，探头与样品之间总是存在提离距离，这可能会造成干扰，因此在该文章中，该团队进一步探究提离效应对科赫探头信号输出的影响，同时还将使用同样大小和绕线方法的圆形线圈探头，用于比较科赫探头的离板效应。

图1 科赫探头和圆形探头的线圈结构

【测量方法&部分测量结果 】

图2 科赫差分拾取探头的工作原理当接收到交流电时，科赫探头的激励线圈产生主磁场。当探头接近铝样品时，样品产生主磁场并诱导涡流。由于涡流也是交流电，根据楞次定律，在涡流周围会产生阻碍主磁场变化的次级磁场。在主磁场和次级磁场之间的相互作用下产生合成磁场。随后，通过拾取线圈获得合成磁场，并产生感应电动势。由于拾取线圈的特殊绕线方法，左右半部分的信号输出是相反的，并且可以互相抵消。当探头下没有缺陷时，拾取线圈的信号输出达到零，即在理想条件下具有自消属性。然而，当探头经过缺陷时，拾取线圈一半的信号输出会受到干扰。这时，拾取线圈的总输出信号不再为零，因此可以识别缺陷信息。由于这种特性，可以减少提离效应对探头的负面影响。

图3 试验系统原理图首先用函数发生器输出一个频率 100 kHz 、峰峰值300 mV的正弦激励信号和一个相同参数的 TTL 参考信号。其中，输出的 TTL 参考信号进入锁相放大器(OE2031)的参考通道；正弦激励信号进入功率放大器进行放大，然后将万用表串联在电路中以监测激励电流有效值，最后与传感器的激励线圈相连组成闭合回路，此过程完成对传感器的激励部分；接着对拾取线圈中的感应电动势进行获取，将拾取线圈与前置放大器的输入端相连对拾取到的信号进行放大，然后输出端进入锁相放大器的信号输入端，该信号与锁相放大器中的 TTL 参考信号进行运算，得到实部和虚部信号。

图4 实验结果: (a)检测0°裂纹，(b)检测90°裂纹。图5 实验结果:(a)科赫探头，(b)圆形探头图4(a)展示了对0°取向裂纹进行检查时输出信号的。通常情况下，随着离板距离的增加，值呈指数级下降，两个探头输出的响应信号在相同的提离距离下几乎相同。对于90°取向的裂纹，实验结果与有限元分析结果一致，如图13(b)所示。两个探头输出信号的值随着提离距离的增加呈指数级下降，而圆形探头的随着提离距离的增加下降速度较慢。与有限元结果类似，提离距离对科赫探头信号的影响比对圆形探头的影响更为明显。换句话说，圆形探头在小提离距离下的检测结果更稳定。科赫探头输出信号的在一定提离距离范围内明显大于圆形探头。当提离距离为0.1毫米时，科赫探头的比圆形探头大66.0%。随着提离距离的增加，直到提离距离超过1.2毫米，科赫探板距离超过1.2毫米，科赫探头的才不再大于圆形探头的。图5(a)和(b)分别显示了检测到90°裂纹时科赫和圆形探针信号输出的归一化结果。随着激发频率的增加，频率的提升变得越来越明显，随着提离距离的增加，1000 kHz的下降速度快于其他频率。

【总结】

该研究提出了基于科赫分形曲线的平面差分式拾取涡流探头。该探头通过差分结构绕制，有效地抑制了检测过程中的提离噪音。同时设计了一个尺寸相同的圆形差分式拾取涡流探头，以比较这两种探头的提离效应。从有限元分析和实验结果可以得出以下结论：1. 在低离板距离下，90°裂纹对科赫探头的干扰比对圆形探头更强烈。2. 当离板距离小于1.2毫米时，科赫探头比圆形探头更适合检查90°取向的裂纹。3. 1000kHz信号的提离距离对值的影响比100kHz和500kHz更为明显。