光氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安石油大學(xué)） 王 力 黨 博陜西省榆林市靖邊縣長(zhǎng)慶井下對(duì)外合作項(xiàng)目部 陳 磊

1 引言

瞬變電磁法又稱(chēng)時(shí)間域電磁法，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM[1]，它利用介質(zhì)之間的電性差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)體的測(cè)量，是一種基于研究人工形成的電磁場(chǎng)空間、時(shí)間分布規(guī)律以勘查地質(zhì)構(gòu)造和尋找目標(biāo)礦場(chǎng)的勘探方法。而電磁探傷儀采用瞬變電磁原理，對(duì)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(chǎng)，當(dāng)套管置身于交變磁場(chǎng)當(dāng)中，導(dǎo)體中就會(huì)有渦流，且由于套管自身缺陷、尺寸、材質(zhì)的變化，會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電流的變化。變化的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，被探頭識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)管柱損傷的探測(cè)和識(shí)別。

根據(jù)瞬變電磁信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了瞬變電磁測(cè)井系統(tǒng)。在電磁檢測(cè)儀系統(tǒng)中，磁探頭是整個(gè)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(shí)際上是渦流檢測(cè)中的換能器，它是靠檢測(cè)線圈來(lái)建立交變磁場(chǎng)，把能量傳遞給被檢物體，同時(shí)又通過(guò)渦流所建立的交變磁場(chǎng)來(lái)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(lèi)型，但最主要的是以下三種：

（1）按照檢測(cè)線圈的輸出信號(hào)的不同分類(lèi)：有參量式和變壓器式兩種，參量式線圈輸出的信號(hào)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(hào)。

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

（3）按照工作方式分類(lèi)（即繞制方式）分類(lèi)：有絕對(duì)式渦流換能器、差分式渦流換能器、絕對(duì)式和差分式組合渦流換能器。絕對(duì)式由單個(gè)線圈或其等價(jià)形式構(gòu)成，直接測(cè)量線圈的阻抗或感應(yīng)電壓，可以用于材質(zhì)的分選和測(cè)厚、探傷。差分式由一對(duì)反向連接的線圈組成，因此當(dāng)兩個(gè)線圈處于相同條件下時(shí)，所測(cè)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(shí)作用于兩個(gè)線圈的噪聲和其他不需要的信號(hào)，一般用于棒材和管材的檢測(cè)。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(lèi)和自身的使用特點(diǎn)，電磁檢測(cè)儀的磁探頭采用內(nèi)通過(guò)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(cè)物間的相對(duì)位置十分敏感。把檢測(cè)傳感器與被檢測(cè)物之間距離變化而引起檢測(cè)線圈阻抗變化的現(xiàn)象稱(chēng)為提離效應(yīng)，兩者之間的間隙稱(chēng)為提離。提離效應(yīng)會(huì)影響檢測(cè)線圈信號(hào)的幅度，降低檢測(cè)的靈敏度，是一種干擾信號(hào)。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?？梢酝ㄟ^(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 集膚效應(yīng)

由于集膚效應(yīng)，在待測(cè)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(fù)指數(shù)衰減?？梢酝ㄟ^(guò)降低加載信號(hào)的頻率來(lái)減小集膚效應(yīng)。然而過(guò)分降低信號(hào)頻率，就會(huì)對(duì)檢測(cè)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(hào)頻率時(shí)，應(yīng)當(dāng)兼顧到檢測(cè)靈敏度。

2.3 探頭的直徑和長(zhǎng)度

對(duì)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(duì)于探頭中心的位置不同，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的靈敏度存在差異。檢測(cè)線圈的直徑和長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)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(huì)降低檢測(cè)靈敏度。探頭越長(zhǎng)，靈敏度越高，但分辨率下降。因此，必須選擇一個(gè)長(zhǎng)度與直徑合適的比例，這樣才能在最大的檢測(cè)深度、最大靈敏度、最小的分辨力之間取得平衡，達(dá)到良好的檢測(cè)效果。

3 螺線管磁場(chǎng)分布特

利用畢奧一薩伐爾定律[2]推導(dǎo)出單匝線圈、單層和多層密匝螺線管近軸任意點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度系列化計(jì)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(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

式中u為真空中的磁導(dǎo)率(N/A2)，I為通過(guò)電流元的電流強(qiáng)度(A)；dl為電流元的線元矢量，r為電流元到任意點(diǎn)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(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度模型。設(shè)圖中線圈半徑為R，以其中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，線圈中電流強(qiáng)度為I，由于對(duì)稱(chēng)性，任意點(diǎn)M(r 0，y，0)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度只有Bx和By兩個(gè)分量。設(shè)A為O`點(diǎn)到P點(diǎn)的距離， 由圖寫(xiě)出dl和矢量表達(dá)式為：

將上帶入畢奧一薩伐爾定律，任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

沿x軸方向（螺線管軸向）磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為：

由圖可以求出cosa，cosw，dl，r2，將其代入上式并簡(jiǎn)化得：

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

對(duì)上式積分并化簡(jiǎn)，得真空中單線圈近軸任意點(diǎn)軸向磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhǎng)為2L，半徑為R，n為單位長(zhǎng)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(dāng)于式上中的r。對(duì)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(diǎn)軸向磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhǎng)為2L，電流強(qiáng)度為I，匝數(shù)為N，j=NI/2L(R2-R1)表示連續(xù)電流分布時(shí)的電流密度，j dR相當(dāng)于上式中的n，對(duì)上式中的R從R1到R2積分可得到多層密匝螺線管任意點(diǎn)軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度：

對(duì)于單雜圓心出的磁場(chǎng)為Bx=u0I/2R。

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

4 磁探頭的繞制方式改進(jìn)

探頭制作的好壞直接關(guān)系檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，決定整個(gè)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(lái)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(lì)產(chǎn)生和采集電磁場(chǎng)信號(hào)，是儀器核心的傳感測(cè)量裝置。系統(tǒng)目前所用的信號(hào)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(duì)稱(chēng)性，這樣才能保證與后級(jí)差分儀表放大器配合工作，既減少噪聲、抑制溫漂又對(duì)有用信號(hào)敏感，并使得正負(fù)半周的二次場(chǎng)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(guò)程中的問(wèn)題是，一方面由于每層的線匝在兩端不能很好地對(duì)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(zhǎng)度減小，這兩方面都使得探頭的對(duì)稱(chēng)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(duì)上述問(wèn)題，一個(gè)可行的解決思路就是通過(guò)對(duì)線匝進(jìn)行某些交換，以使原來(lái)的非對(duì)稱(chēng)探頭得到對(duì)稱(chēng)性。若探頭具有空間結(jié)構(gòu)的完全對(duì)稱(chēng)性，則兩個(gè)接收線圈的繞組長(zhǎng)度相等進(jìn)而電阻相等，并且兩個(gè)線圈所圍回路形狀相同進(jìn)而電感和分布電容相等，這樣它們與徑向、軸向磁場(chǎng)的交鏈相等從而使接收端的差分輸出電壓信號(hào)幅度相等而相位相反，以獲得最為理想的接收效果，這種類(lèi)似于多股辮線的差分探頭繞制方案如圖4所示。

圖4 對(duì)稱(chēng)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(cuò)相鄰，并且各取其中之一分成兩層一組，每組在軸向長(zhǎng)度的中點(diǎn)處進(jìn)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(gè)接收線圈繞組是對(duì)稱(chēng)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(huì)帶來(lái)如絕緣、層間平整度、線匝交叉點(diǎn)處理等實(shí)際問(wèn)題，但在提高探頭對(duì)稱(chēng)性上無(wú)疑是對(duì)原來(lái)分開(kāi)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(yàn)證，探測(cè)性能得到了很大的提高。但實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮各種因素，以達(dá)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(cè)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(jì)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(jì)。

[1]王會(huì)永.磁性材料及其應(yīng)用[M].國(guó)防工業(yè)出版社,1989.

[2]陳熙謀.電磁學(xué)[M].高等教育出版社,1994.

[3]房蔓楠,魏福玉.螺線管磁場(chǎng)分布特征及應(yīng)用[J].長(zhǎng)春郵電學(xué)院學(xué)報(bào),1994.