脈沖渦流矩形傳感器參數(shù)仿真優(yōu)化設(shè)計

閆向陽，周德強(qiáng)，2，左曉芳，尤麗華，張秋菊

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122;2.無錫國盛精密模具有限公司，江蘇 無錫 214024）

0 引言

脈沖渦流無損檢測方法是目前渦流檢測領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，激勵脈沖包含的頻譜寬可提取的缺陷信息豐富［1］，對深層缺陷檢測能力強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。傳統(tǒng)的圓柱形脈沖渦流傳感器可以對表面和近表面缺陷進(jìn)行定量檢測［2］，但激勵磁場直接穿過檢測線圈，使得激勵信號對檢測信號產(chǎn)生很大的干擾。文獻(xiàn)［3］指出:在矩形載流線圈激勵下，感應(yīng)電磁場在金屬鋁板中的衰減率較傳統(tǒng)的渦流激勵線圈要小，矩形載流線圈激勵的渦流滲透深度更深。此外，脈沖激勵矩形線圈具有如下優(yōu)點(diǎn)［4-6］:在裂紋檢測中由于提離效應(yīng)影響小而對微小裂紋具有高靈敏性;能有效消除邊緣效應(yīng)的影響;由于具有方向特性，矩形探頭能夠產(chǎn)生均勻的渦流分布等。我國學(xué)者何赟澤等［7-9］也對脈沖渦流矩形傳感器開展了大量研究，提出了蝶形圖新型特征量等對缺陷進(jìn)行定量與分類識別的方法;因此，開展脈沖渦流矩形傳感器的優(yōu)化設(shè)計十分必要。

脈沖渦流矩形傳感器可采用2種方式進(jìn)行檢測:脈沖渦流矩形傳感器平行與垂直被檢測對象。本研究以脈沖渦流矩形傳感器平行于被檢測對象為模型，采用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件建立脈沖渦流矩形傳感器檢測模型，通過電導(dǎo)率的改變，提取磁場的瞬態(tài)信號;通過改變矩形傳感器的尺寸參數(shù)即改變長、寬、高的比值，分析傳感器尺寸參數(shù)的變化對傳感器靈敏度及線性度的影響。

1 仿真模型的建立和參數(shù)設(shè)置

1.1 仿真模型的建立

在實際電磁檢測中，由于檢測條件的復(fù)雜性和不確定性，許多問題無法通過數(shù)學(xué)解析式或者實驗方法求得解析解。而隨著計算機(jī)微處理器的性能大幅度提高，以“軟”代“硬”成為一種趨勢，有限元仿真在科研領(lǐng)域越來越受到青睞。有限元仿真可以模擬各種復(fù)雜條件下的實驗并得出有效的結(jié)果［10］，具有很好的參考價值。

本研究采用Comsol Multiphysics建立脈沖渦流矩形探頭傳感器三維模型，在AC/DC模塊下選擇物理場為磁場并且在瞬態(tài)求解下進(jìn)行計算仿真。整體建模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脈沖渦流矩形探頭有限元仿真模型圖Fig.1 Model of the finite element method for pulsed eddy current rectangular probe

1.2 電流密度大小及方向的設(shè)定

在繪制矩形線圈時，采用的是8塊矩形組合的方法。圖2為線圈的俯視圖。激勵電流密度大小定義變量為 curd，curd=N ×0.5 ×sign(t)/A，N=TH/d2。式中，N為線圈的匝數(shù)，0.5為設(shè)定的電流大小，t為時間，A為線圈的橫截面積，T為線圈的厚度(設(shè)定為3 mm)，H為線圈的高度，d為漆包線直徑(設(shè)定為0.3 mm)。按照逆時針方向設(shè)定電流密度方向，這樣可以使磁場方向為z軸正向，便于后期數(shù)據(jù)處理。即按照圖2所示1～8的順序為各個線圈添加外部電流密度，此模型的電流只需要添加x，y 2個方向，z方向始終為0。例如模塊1，只在x方向有電流，故x方向外部電流密度設(shè)為curd A/m2，y方向為0;標(biāo)號4的模塊，其電流方向為135°，則x方向外部電流密度為－curd/sqrt(2)A/m2，y方向為 curd/sqrt(2)A/m2，依次類推完成對矩形線圈的電流設(shè)定。

圖2 矩形線圈的俯視圖Fig.2 Top view of the rectangular coil

1.3 其他參數(shù)說明

被測試樣為鋁板，其尺寸為100 mm×100 mm×10 mm(長×寬×高)，相對磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率σ=37.74 MS/m。激勵電流幅值為0.5 A，頻率為100 Hz，激勵線圈擬采用0.3 mm的漆包線繞制而成，線圈匝數(shù)視矩形線圈尺寸而定。傳感器放置在試樣上方0.5 mm處，即提離高度為0.5 mm。

2 仿真實驗安排及結(jié)果分析

本研究采用單因素輪換法進(jìn)行仿真實驗，即控制矩形線圈的2個變量不變，改變另外一個變量來探究傳感器的靈敏度。由于線圈的長寬在對電導(dǎo)率的仿真中無法特別確定，故首次實驗保持長寬相等，改變高度來仿真求解，即按比例變化為1∶1∶h，h 表示高度，取值 1 ～2，每次遞增 0.25。設(shè)定比例基值為20 mm，線圈厚度為3 mm。實驗安排如表1所示。

每次仿真都是求取5 ms內(nèi)500個點(diǎn)的磁場變化情況，提取試樣上方0.5 mm處的磁通密度z軸分量作為研究對象。電導(dǎo)率沒有變化時的數(shù)據(jù)，稱之為參考信號，然后電導(dǎo)率逐次增加10%求取信號。采用各個電導(dǎo)率變化仿真得到的信號減去參考信號得到差分信號。差分信號有明顯的峰值以及豐富的各種信息，可以有效地提高傳感器的靈敏度。如圖3所示，黑色線為參考信號，即電導(dǎo)率沒有變化的信號，藍(lán)色線為電導(dǎo)率變化50%的信號，粉紅色線為參考信號減去電導(dǎo)率變化信號得到的差分信號。

表1 不同高度的激勵線圈尺寸參數(shù)Table 1 Coil size parameters at various height

經(jīng)提取不同電導(dǎo)率變化的差分信號峰值繪制如圖4所示的曲線。該曲線反應(yīng)的是當(dāng)長、寬、高比值為1∶1∶2的時候差分信號連線，其斜率反映矩形線圈傳感器的靈敏度與線性度。通過對比不同尺寸參數(shù)下的差分信號峰值特征分析，得到不同尺寸傳感器的優(yōu)劣，進(jìn)而優(yōu)化選擇出最佳的尺寸參數(shù)。

圖3 參考信號、電導(dǎo)率變化和差分信號與采樣時間的關(guān)系Fig.3 Comparison of reference signal，conductivity changing and differential signal at various sampling time

圖4 差分信號峰值與電導(dǎo)率變化關(guān)系Fig.4 Dependence of peak of differential signal on conductivity changing

圖5為長寬比例不變，高度變化的綜合圖。通過對比可知在長∶寬∶高為1∶1∶1.5時靈敏度最高，線性度也最好，即為最優(yōu)比值。

圖5 電導(dǎo)率變化與差分信號峰值的關(guān)系Fig.5 Relationship between differential signal with conductivity changing

同理，對比長和寬因素的變化進(jìn)行第2組實驗，此次保持寬和高的比為1∶1，變化長度進(jìn)行優(yōu)化選擇。實驗安排如表2所示。

同樣在不同尺寸下提取差分信號峰值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。由于長、寬因素在線圈中無特定量，即長、寬為等價的，通過對比長、寬時的曲線數(shù)據(jù)，可知，當(dāng)長、寬比例為2∶1時為最優(yōu)比值。

因此當(dāng)長、寬、高綜合考慮時，由于高是相對于長、寬的1.5倍，而長、寬優(yōu)化比為2∶1，因此對比長、寬、高比值為 2∶1∶1.5、2∶1∶3、2∶1∶2.25 時的數(shù)據(jù)，及長、寬、高尺寸(單位mm)分別為(40，20，30)、(40，20，60)、(40，20，45)，其結(jié)果如圖 7所示。從圖7可知，當(dāng)長、寬、高比值為2∶1∶1.5時，脈沖渦流矩形傳感器的靈敏度、線性度最好。

綜合3組實驗分析可知，脈沖渦流矩形傳感器當(dāng)長、寬、高比值為2∶1∶1.5時為最優(yōu)化方案。

表2 不同長度的激勵線圈尺寸參數(shù)Table 2 The coil size parameters at various length

圖6 電導(dǎo)率變化與差分信號峰值的關(guān)系Fig.6 Relationship between differential signal with conductivity changing

圖7 電導(dǎo)率變化與差分信號峰值的關(guān)系Fig.7 Relationship between differential signal with conductivity changing

3 結(jié)論

1)脈沖渦流矩形傳感器靈敏度線性度與被檢試樣長寬比及高度均有關(guān)。

2)在長寬不變的情況下，當(dāng)長、寬、高比為1∶1∶1.5時出現(xiàn)差分峰值的最大斜率，最佳線性度，即該比值是傳感器的線性度及靈敏度最高;在高度不變時，當(dāng)長寬比為2∶1時傳感器最優(yōu)，通過對比不同高度得到長、寬、高最佳比為2∶1∶1.5。

3)本研究通過對矩形線圈尺寸的有限元仿真，找出了最優(yōu)化比值，有利于進(jìn)一步提高脈沖渦流矩形傳感器的檢測性能，使矩形脈沖渦流傳感器具有更強(qiáng)的穿透力，最佳的靈敏度與線性度，為工程實踐中矩形線圈的尺寸選擇提供了一定的借鑒與參考。

4)后續(xù)工作可根據(jù)仿真得出的結(jié)論，制作不同尺寸的脈沖渦流矩形傳感器，對仿真得出的結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

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