鐵磁性平板中不同走向裂紋脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的仿真研究*

王曉玉　柏雪倩　曹海霞　張　輝　楊賓峰

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077；2.空軍工程大學(xué)科研部，西安 710051)

0　引言

鐵磁性平板材料在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如飛機(jī)的機(jī)翼大梁、火車的鐵軌及石油儲(chǔ)罐的底板等，其在使用過程中，由于應(yīng)力的存在及腐蝕的作用，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生缺陷，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些缺陷，將可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此，必須定期對(duì)鐵磁性平板材料進(jìn)行安全檢查。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流(Remote Field Eddy Current，RFEC)檢測(cè)技術(shù)對(duì)內(nèi)外壁缺陷檢測(cè)靈敏度相同，而且其不受集膚效應(yīng)的限制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大厚度鐵磁性材料的檢測(cè)[1-5]。日本橫濱國(guó)立大學(xué)的N.Kasai等人采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)對(duì)石油儲(chǔ)罐的底板進(jìn)行了檢測(cè)[6]，南京航空航天大學(xué)王新等人設(shè)計(jì)了用于平板構(gòu)件檢測(cè)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器[7]，該傳感器可以檢測(cè)厚度不大于10mm的鐵磁性板材。

本文在分析了脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，仿真分析了脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流對(duì)鐵磁性平板中不同走向裂紋的檢測(cè)能力，研究了兩種不同走向裂紋對(duì)空間磁場(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律，比較了三維磁場(chǎng)分量對(duì)裂紋缺陷的檢測(cè)靈敏度，本文的研究結(jié)果為深入理解脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的作用機(jī)理提供了理論依據(jù)。

1　平板脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的檢測(cè)機(jī)理

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)是針對(duì)金屬管道進(jìn)行檢測(cè)的一種技術(shù)。激勵(lì)線圈產(chǎn)生的一部分電磁場(chǎng)從激勵(lì)源附近的近場(chǎng)區(qū)穿過管壁向管外傳播；由于管壁的屏蔽作用，另一部分電磁場(chǎng)被束縛在激勵(lì)線圈附近的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。由于渦流對(duì)管內(nèi)場(chǎng)的抑制作用，使得管內(nèi)場(chǎng)以很快的速度衰減；而穿過管壁向外傳播的部分電磁場(chǎng)沿管道軸線衰減速率比管內(nèi)磁場(chǎng)慢得多。當(dāng)距離激勵(lì)線圈一定距離時(shí)，會(huì)出現(xiàn)管外場(chǎng)強(qiáng)于管內(nèi)場(chǎng)的現(xiàn)象，這樣的一段區(qū)域，稱之為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。若將檢測(cè)線圈置于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，將會(huì)接收到二次穿過管壁的磁場(chǎng)，其中包含有缺陷信息，通過提取特征量對(duì)缺陷信息進(jìn)行提取，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)管壁缺陷的檢測(cè)。

如果將管道檢測(cè)中的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器直接應(yīng)用于平板結(jié)構(gòu)，在平板上間隔一定距離分別放置激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈，由于失去了傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流中管道的渦流屏蔽作用，平板激勵(lì)線圈一側(cè)的磁場(chǎng)始終強(qiáng)于平板另一側(cè)的磁場(chǎng)，也就實(shí)現(xiàn)不了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)，檢測(cè)線圈接收的信號(hào)只是從激勵(lì)線圈直接傳播而來(lái)的磁場(chǎng)，因此檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓不含平板的缺陷信息。平板導(dǎo)體件遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)示意圖如圖1所示，為了能在平板導(dǎo)體件上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)，必須對(duì)傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其通過給激勵(lì)線圈加裝屏蔽結(jié)構(gòu)來(lái)抑制激勵(lì)磁場(chǎng)的直接耦合分量向檢測(cè)線圈傳播，同時(shí)聚集激勵(lì)磁場(chǎng)能量向板下傳播。這樣，板下的磁場(chǎng)在距離激勵(lì)線圈一定距離將強(qiáng)于板上磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)的二次穿透，這時(shí)的磁場(chǎng)中就攜帶有平板的結(jié)構(gòu)信息，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)對(duì)平板導(dǎo)體件的檢測(cè)。

圖1　平板脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理示意圖

2　脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器模型的建立

為了解決矩形結(jié)構(gòu)傳感器存在的激勵(lì)磁場(chǎng)在空間中發(fā)散，不能有效向平板下側(cè)傳播的問題，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，給激勵(lì)線圈兩端加裝了聚磁板，來(lái)定向引導(dǎo)激勵(lì)磁場(chǎng)的傳播；與此同時(shí)，給檢測(cè)線圈加裝U形磁芯，建立了新的帶聚磁磁路的矩形脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器模型，使得激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿磁路傳播，從而來(lái)提高穿透平板的磁場(chǎng)強(qiáng)度，另外擁有高導(dǎo)磁率的U形磁芯對(duì)缺陷上方的磁場(chǎng)有很強(qiáng)的聚磁能力，從而進(jìn)一步提高檢測(cè)信號(hào)的幅度。

圖2　帶聚磁磁路和屏蔽結(jié)構(gòu)的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器仿真模型

帶聚磁磁路的矩形脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器模型如圖2所示(為方便觀察，圖(a)中沒有給出激勵(lì)線圈的屏蔽罩，圖(b)中為屏蔽罩結(jié)構(gòu))。激勵(lì)線圈為矩形，長(zhǎng)寬高分別為45mm×20mm×25mm，檢測(cè)線圈為圓柱形，內(nèi)半徑2mm，外半徑4mm，長(zhǎng)6mm；激勵(lì)線圈兩端聚磁板的長(zhǎng)與激勵(lì)線圈寬度一致，聚磁板寬為5mm，高為39.5mm；檢測(cè)線圈U形磁芯分為三部分，靠近激勵(lì)線圈的磁腿長(zhǎng)度為8mm，是另一側(cè)磁腿長(zhǎng)度的2倍，磁腿寬度均與檢測(cè)線圈外徑一致，磁腿高度均為14mm，檢測(cè)線圈內(nèi)導(dǎo)磁芯直徑與檢測(cè)線圈內(nèi)徑一致。

3　平板中不同走向缺陷對(duì)空間三維擾動(dòng)場(chǎng)的分析

不同走向的裂紋缺陷對(duì)磁場(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律不同，為了明晰磁場(chǎng)與缺陷的相互作用機(jī)理，進(jìn)而探索傳感器對(duì)不同走向裂紋的檢測(cè)能力，下面分別對(duì)與激勵(lì)場(chǎng)垂直和與激勵(lì)場(chǎng)平行的裂紋進(jìn)行空間三維擾動(dòng)場(chǎng)分析。

3.1　與激勵(lì)磁場(chǎng)垂直的缺陷擾動(dòng)場(chǎng)分析

為了確定檢測(cè)線圈的放置位置，有必要研究平板中的缺陷對(duì)空間磁場(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律，圖3為激勵(lì)線圈和缺陷示意圖，其中激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿Y向，與缺陷的走向垂直，缺陷的長(zhǎng)×寬×深為(24mm×2mm×2mm)，其中缺陷中心與激勵(lì)線圈中心的X坐標(biāo)相同，且處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

圖3　平板中缺陷示意圖

首先分析不同時(shí)刻時(shí)缺陷對(duì)三維磁場(chǎng)的擾動(dòng)特點(diǎn)，在缺陷上方沿X向(缺陷走向)以缺陷為中心的-25～25mm路徑上取各點(diǎn)磁場(chǎng)的X向、Y向和Z向分量隨時(shí)間的變化曲線，得出該路徑上磁場(chǎng)分量Bx、By和Bz隨時(shí)間的變化圖，分別如圖4所示，此時(shí)采用的激勵(lì)脈沖頻率為40Hz，占空比為10%。從圖中可以看出在激勵(lì)電流存在時(shí)與斷開后，三個(gè)方向上的磁場(chǎng)方向發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，這是由于加載的脈沖信號(hào)同時(shí)含有上升沿和下降沿所致；同時(shí)，也可以看出，在脈沖激勵(lì)信號(hào)斷開后，缺陷處仍有很強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng)，檢測(cè)信號(hào)的間接耦合分量正是由激勵(lì)斷開后的平板中感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生。選擇某一固定時(shí)間點(diǎn)觀察此路徑上各點(diǎn)三維磁場(chǎng)分量的變化特點(diǎn)，由于缺陷的存在，原本均勻的感應(yīng)場(chǎng)被破壞，導(dǎo)致空間磁場(chǎng)分布出現(xiàn)變化，Bx在缺陷邊緣有明顯的波動(dòng)，分別出現(xiàn)了兩個(gè)方向相反的極值；By在缺陷處出現(xiàn)了增量；Bz在缺陷內(nèi)部出現(xiàn)凹陷，在缺陷中間位置達(dá)到極小值，在缺陷邊緣位置出現(xiàn)兩個(gè)較大波動(dòng)。

圖4　三維磁場(chǎng)隨時(shí)間變化圖

圖5　空間三維磁場(chǎng)分布

以上分析了空間中三維擾動(dòng)磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，為了明晰特定時(shí)刻條件下(0.001s)磁場(chǎng)的擾動(dòng)情況，在平板上方以缺陷為中心的50mm×14mm范圍內(nèi)，每隔0.5mm取一條路徑，提取路徑上各點(diǎn)X向、Y向和Z向磁場(chǎng)分量，得出受缺陷擾動(dòng)的空間三維磁場(chǎng)分布，結(jié)果如圖5所示。Bx磁場(chǎng)在缺陷邊緣處出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，但兩個(gè)邊緣位置處的磁場(chǎng)方向相反；By磁場(chǎng)在缺陷處出現(xiàn)了較大負(fù)峰值；Bz磁場(chǎng)在缺陷寬度方向的邊緣處出現(xiàn)了正負(fù)極值，但出現(xiàn)的位置并未在缺陷寬度邊緣處，說(shuō)明Bz在缺陷寬度方向的磁場(chǎng)存在一定的擴(kuò)展度。對(duì)比三個(gè)方向上的磁場(chǎng)擾動(dòng)情況可以發(fā)現(xiàn)：Bx幅度最小，比其它兩個(gè)分量小一個(gè)數(shù)量級(jí)；Bz分量存在正負(fù)不同方向的磁場(chǎng)分量，并且其擾動(dòng)幅度是By的1/3。綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，By磁場(chǎng)擾動(dòng)最大，并且僅有單一方向的擾動(dòng)，因此，應(yīng)當(dāng)使檢測(cè)線圈拾取By磁場(chǎng)分量，也就可以確定檢測(cè)線圈的放置方位。

3.2　與激勵(lì)磁場(chǎng)平行的缺陷擾動(dòng)場(chǎng)分析

上面分析了與激勵(lì)場(chǎng)垂直的缺陷磁場(chǎng)分布，得出了此缺陷對(duì)Y向磁場(chǎng)擾動(dòng)最大的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上研究走向與激勵(lì)場(chǎng)平行的缺陷擾動(dòng)場(chǎng)，進(jìn)一步明晰傳感器對(duì)不同走向缺陷的靈敏度，此時(shí)，模型中缺陷的尺寸與3.1節(jié)中相同，裂紋缺陷的長(zhǎng)×寬×深為(24mm×2mm×2mm)，只是裂紋走向不同。從仿真結(jié)果圖6可以看出，出現(xiàn)較大幅值的區(qū)域?qū)?yīng)缺陷的寬度范圍，在缺陷寬度中心達(dá)到最大值。結(jié)合上面的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)Y向磁場(chǎng)的擾動(dòng)區(qū)域主要與缺陷的走向有關(guān)，那么沿垂直激勵(lì)場(chǎng)走向的缺陷的檢測(cè)靈敏度必然大于平行與激勵(lì)場(chǎng)走向的缺陷，這一點(diǎn)類似于管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流中對(duì)周向缺陷檢測(cè)靈敏度大于軸向缺陷的現(xiàn)象。

圖6　與激勵(lì)場(chǎng)平行的缺陷對(duì)By場(chǎng)的擾動(dòng)

4　結(jié)論

本文首先分析了平板脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的檢測(cè)原理，然后采用ANSYS軟件建立了帶有聚磁板和屏蔽結(jié)構(gòu)的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的仿真模型，接著分析了不同走向裂紋缺陷對(duì)空間磁場(chǎng)擾動(dòng)的規(guī)律，仿真結(jié)果表明：對(duì)于與激勵(lì)磁場(chǎng)垂直的缺陷，其對(duì)空間磁場(chǎng)By分量的擾動(dòng)最大，因此，檢測(cè)時(shí)需要提取該磁場(chǎng)分量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量檢測(cè)，對(duì)于與激勵(lì)磁場(chǎng)平行的缺陷，其檢測(cè)靈敏度低于與激勵(lì)場(chǎng)走向垂直的缺陷，這與管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)中，周向缺陷檢測(cè)靈敏度大于軸向缺陷的現(xiàn)象相吻合。本文的研究結(jié)果為深入理解脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的作用機(jī)理及設(shè)計(jì)對(duì)不同走向裂紋缺陷檢測(cè)的傳感器具有重要的理論價(jià)值。

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