電磁探傷儀探頭繞制方法的改進

光氣測井與檢測教育部重點實驗室（西安石油大學） 王 力 黨 博陜西省榆林市靖邊縣長慶井下對外合作項目部 陳 磊

1 引言

瞬變電磁法又稱時間域電磁法，簡稱TEM[1]，它利用介質(zhì)之間的電性差異來實現(xiàn)對目標體的測量，是一種基于研究人工形成的電磁場空間、時間分布規(guī)律以勘查地質(zhì)構(gòu)造和尋找目標礦場的勘探方法。而電磁探傷儀采用瞬變電磁原理，對不接地回線通以交變的電流，該電流在套管中產(chǎn)生交變的磁場，當套管置身于交變磁場當中，導體中就會有渦流，且由于套管自身缺陷、尺寸、材質(zhì)的變化，會導致感應(yīng)電流的變化。變化的電流產(chǎn)生磁場，被探頭識別，從而實現(xiàn)管柱損傷的探測和識別。

根據(jù)瞬變電磁信號的特點，設(shè)計了瞬變電磁測井系統(tǒng)。在電磁檢測儀系統(tǒng)中，磁探頭是整個儀器的核心，磁探頭性能的好壞將直接影響儀器的靈敏度、分辨率和可靠性。磁探頭實際上是渦流檢測中的換能器，它是靠檢測線圈來建立交變磁場，把能量傳遞給被檢物體，同時又通過渦流所建立的交變磁場來獲得被檢物體的質(zhì)量信息。

渦流換能器有許多種不同的類型，但最主要的是以下三種：

（1）按照檢測線圈的輸出信號的不同分類：有參量式和變壓器式兩種，參量式線圈輸出的信號是線圈阻抗的變化，變壓器式線圈，輸出的是線圈上的感應(yīng)電壓信號。

（2）按照檢測線圈和工件的相對位置（使用方法）分類：有穿過式換能器、內(nèi)通過式換能器、表面式換能器、叉式換能器。穿過式由環(huán)行線圈組成，用于檢測管子或圓孔的內(nèi)部。內(nèi)通過式是將探頭放入被檢物體內(nèi)部，一般用于檢測管材和棒材。表面式由平面線圈組成，用于檢測平坦的表面或相當大曲率的表面。叉式線圈通常用于檢測平坦的金屬薄板。

（3）按照工作方式分類（即繞制方式）分類：有絕對式渦流換能器、差分式渦流換能器、絕對式和差分式組合渦流換能器。絕對式由單個線圈或其等價形式構(gòu)成，直接測量線圈的阻抗或感應(yīng)電壓，可以用于材質(zhì)的分選和測厚、探傷。差分式由一對反向連接的線圈組成，因此當兩個線圈處于相同條件下時，所測的阻抗或感應(yīng)電壓凈值相互抵消，線圈僅能感應(yīng)出受檢材料的變化，抵消了同時作用于兩個線圈的噪聲和其他不需要的信號，一般用于棒材和管材的檢測。組合式輸出取決于線圈的精確配置和連接方式。

根據(jù)以上的探頭分類和自身的使用特點，電磁檢測儀的磁探頭采用內(nèi)通過式變壓器互感線圈。

2 影響渦流探頭的因素分析

2.1 提離效應(yīng)

渦流傳感器與被檢測物間的相對位置十分敏感。把檢測傳感器與被檢測物之間距離變化而引起檢測線圈阻抗變化的現(xiàn)象稱為提離效應(yīng)，兩者之間的間隙稱為提離。提離效應(yīng)會影響檢測線圈信號的幅度，降低檢測的靈敏度，是一種干擾信號。因此，需要加以抑制。為減小提離效應(yīng)，探頭與被檢材料之間的間隙應(yīng)盡量小。可以通過加大探頭的直徑，增加線圈的安匝數(shù)或者增大線圈的發(fā)射功率來實現(xiàn)。

2.2 集膚效應(yīng)

由于集膚效應(yīng)，在待測金屬中感生的渦電流將趨于金屬表面，越往下渦流密度越小，按負指數(shù)衰減。可以通過降低加載信號的頻率來減小集膚效應(yīng)。然而過分降低信號頻率，就會對檢測線圈和受檢物之間的能量耦合產(chǎn)生影響，使其效率降低，從而降低了靈敏度。所以在選擇信號頻率時，應(yīng)當兼顧到檢測靈敏度。

2.3 探頭的直徑和長度

對于本儀器所選用的探頭，渦流和它的磁通量與到線圈的中心距離成正比。因此損傷處相對于探頭中心的位置不同，會導致檢測的靈敏度存在差異。檢測線圈的直徑和長度對檢測靈敏度和分辨率具有很大的影響。損傷的靈敏度與線圈直徑成反比，直徑小，磁通量就小，直徑大，磁通量就大，但會降低檢測靈敏度。探頭越長，靈敏度越高，但分辨率下降。因此，必須選擇一個長度與直徑合適的比例，這樣才能在最大的檢測深度、最大靈敏度、最小的分辨力之間取得平衡，達到良好的檢測效果。

3 螺線管磁場分布特

利用畢奧一薩伐爾定律[2]推導出單匝線圈、單層和多層密匝螺線管近軸任意點處磁感應(yīng)強度系列化計算公式。

圖1 單線圈模型

圖1 給出了單線圈模型。根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，距電流元Idl任意點處的磁感應(yīng)強度為：

式中u為真空中的磁導率(N/A2)，I為通過電流元的電流強度(A)；dl為電流元的線元矢量，r為電流元到任意點的矢徑(m)。

r，R分別為R的模和單位矢量。圖2為單線圈任意點磁感應(yīng)強度模型。設(shè)圖中線圈半徑為R，以其中心為原點建立坐標系，線圈中電流強度為I，由于對稱性，任意點M(r 0，y，0)處的磁感應(yīng)強度只有Bx和By兩個分量。設(shè)A為O`點到P點的距離， 由圖寫出dl和矢量表達式為：

將上帶入畢奧一薩伐爾定律，任意點的磁感應(yīng)強度為：

沿x軸方向（螺線管軸向）磁感應(yīng)強度分量為：

由圖可以求出cosa，cosw，dl，r2，將其代入上式并簡化得：

當R》y，即點M距離線圈軸線較近時，略去2Rcosy/(R2+y2+r02)高次項按級數(shù)展開，上式變?yōu)椋?/p>

對上式積分并化簡，得真空中單線圈近軸任意點軸向磁感應(yīng)強度：

單層密匝螺線管模型如圖2所示。

圖2 單層和多層密匝螺線管模型

設(shè)管長為2L，半徑為R，n為單位長度上的匝數(shù)，dl內(nèi)有ndl匝線圈，總效果是一匝的ndl倍。圖中的(x-l)相當于式上中的r。對上式從一L到L積分，考慮R》y，得單層密匝螺線管近軸任意點軸向磁感應(yīng)強度：

多層密匝螺線管模型如上圖.設(shè)其內(nèi)半徑為R1，外半徑為R2，總長為2L，電流強度為I，匝數(shù)為N，j=NI/2L(R2-R1)表示連續(xù)電流分布時的電流密度，j dR相當于上式中的n，對上式中的R從R1到R2積分可得到多層密匝螺線管任意點軸向磁感應(yīng)強度：

對于單雜圓心出的磁場為Bx=u0I/2R。

單層中心點的磁感應(yīng)強度為Bx=nu0I{L/(R2+L2)1/2}。

4 磁探頭的繞制方式改進

探頭制作的好壞直接關(guān)系檢測系統(tǒng)的靈敏度，決定整個儀器的性能。探頭由磁芯、發(fā)射線圈和接收線圈組成。探頭的繞制主要從所用的繞線、探頭的磁芯、繞制方式這幾方面來考慮。電磁探頭使用漆包線直接繞制在磁芯上，磁芯可以增加探頭的靈敏性。磁探頭用以激勵產(chǎn)生和采集電磁場信號，是儀器核心的傳感測量裝置。系統(tǒng)目前所用的信號接收探頭采用差分自比較式的繞制方案，該形式也可以歸結(jié)為單芯多層筒式變壓器結(jié)構(gòu)。差分自比較式的接收探頭繞組應(yīng)具有良好的對稱性，這樣才能保證與后級差分儀表放大器配合工作，既減少噪聲、抑制溫漂又對有用信號敏感，并使得正負半周的二次場采樣數(shù)據(jù)凈值相等以便于數(shù)據(jù)解釋處理。原先儀器的接收探頭繞制過程中的問題是，一方面由于每層的線匝在兩端不能很好地對齊，容易出現(xiàn)上層線滑落至下層或跳線的情況；二是由于各層線匝沿探頭徑向相疊，外層線匝半徑逐漸增大，有效繞線長度減小，這兩方面都使得探頭的對稱性受損并且難以控制，以四層接收線圈為例其如圖3所示。

圖3 接收線圈基本繞制方法示意圖

針對上述問題，一個可行的解決思路就是通過對線匝進行某些交換，以使原來的非對稱探頭得到對稱性。若探頭具有空間結(jié)構(gòu)的完全對稱性，則兩個接收線圈的繞組長度相等進而電阻相等，并且兩個線圈所圍回路形狀相同進而電感和分布電容相等，這樣它們與徑向、軸向磁場的交鏈相等從而使接收端的差分輸出電壓信號幅度相等而相位相反，以獲得最為理想的接收效果，這種類似于多股辮線的差分探頭繞制方案如圖4所示。

圖4 對稱接收線圈的繞法示意圖

可以看出這種方案是讓接收線圈1和2的繞組交錯相鄰，并且各取其中之一分成兩層一組，每組在軸向長度的中點處進行一次完全交換，這樣即使各組間不完全等效但組內(nèi)接收線圈1和2的繞組是等效的，使得從整體上兩個接收線圈繞組是對稱等效的。該繞制操作的復(fù)雜性增加，如諸多的引線接頭和分段會帶來如絕緣、層間平整度、線匝交叉點處理等實際問題，但在提高探頭對稱性上無疑是對原來分開直接疊繞方案的優(yōu)化。

5 結(jié)論

在瞬變電磁原理、提高探頭性能的基礎(chǔ)上優(yōu)化了探頭的繞制方法，經(jīng)驗證，探測性能得到了很大的提高。但實際應(yīng)用中要綜合考慮各種因素，以達到應(yīng)用所要求的精度、靈敏度、穩(wěn)定性，如果要應(yīng)用于精確測量就必須保證材料的處理、探頭的制作工藝以及各參數(shù)的考慮和計算，并應(yīng)用提高靈敏度和降噪的方法。另外，除了探頭本身盡可能改善性能外，提高系統(tǒng)性能更需要后續(xù)電路的匹配和精確設(shè)計。

[1]王會永.磁性材料及其應(yīng)用[M].國防工業(yè)出版社,1989.

[2]陳熙謀.電磁學[M].高等教育出版社,1994.

[3]房蔓楠,魏福玉.螺線管磁場分布特征及應(yīng)用[J].長春郵電學院學報,1994.