平面柔性渦流傳感器工作頻率影響分析與驗證

唐 鶯,趙建強,胡恒江,陳棣湘,何赟澤

(國防科技大學機電工程與自動化學院，湖南長沙 410073)

?

平面柔性渦流傳感器工作頻率影響分析與驗證

唐 鶯,趙建強,胡恒江,陳棣湘,何赟澤

(國防科技大學機電工程與自動化學院，湖南長沙 410073)

平面柔性渦流傳感器能同時獨立測量電導率和提離，在應力評估、缺陷檢測方面具有較大優(yōu)勢。文中采用有限元法仿真分析了工作頻率對平面柔性渦流傳感器性能的影響，在工作頻率為500 kHz時，使用所設計的平面柔性渦流傳感器對鋁合金3A21進行了拉伸應力試驗，得到鋁合金電導率與拉伸應力的關系。實驗結(jié)果表明，在合適的工作頻率激勵下，平面柔性渦流傳感器能有效實現(xiàn)導電材料的電導率測量和應力大小的評估。

平面柔性渦流傳感器；工作頻率；應力評估；電導率；有限元法

0 引言

金屬部件長時間工作之后，容易因疲勞裂紋造成斷裂而失效。而應力是造成零件疲勞、斷裂的重要因素，也是表征構(gòu)件早期質(zhì)量的重要參量，有效評價應力變形狀態(tài)對于關鍵部件早期失效預測十分必要[1-2]。

傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)對材料進行應力評估存在檢測難度大、檢測效率低、價格昂貴等問題。比如X射線衍射法檢測設備價格昂貴，對測試操作要求較高[3-4]；超聲檢測需要使用耦合劑，對材料表面有一定要求，并受到被檢測材料厚薄的限制[5]。金屬材料具有的導電性能使得渦流檢測在應力評估、缺陷檢測方面具有較大優(yōu)勢[6-7]。

平面柔性渦流傳感器將激勵線圈和檢測線圈制作在同一薄的柔性襯底上，能夠適應較為復雜表面的被測材料，可以同時測量材料電導率和提離[8]。

對于平面柔性渦流傳感器而言，檢測的靈敏度受傳感器的工作頻率影響較大。本文利用有限元法仿真分析了工作頻率對傳感器性能的影響，并進行了鋁板應力評估實驗。實驗結(jié)果表明，在合適的工作頻率激勵下，平面柔性渦流傳感器能有效實現(xiàn)導電材料的電導率測量和應力大小的評估。

1 平面柔性渦流傳感器工作原理

平面柔性電磁傳感器由激勵線圈和感應線圈組成，激勵線圈和感應線圈按一定的規(guī)則周期分布在柔性基底上。其結(jié)構(gòu)和平面變壓器類似，如圖1所示。平面柔性傳感器的這種周期性結(jié)構(gòu)能夠提高激勵磁場的均勻性，同時，方便對電磁場的相互作用進行準確的建模。

圖1 平面柔性電磁傳感器示意圖

(1)

由式(1)所得轉(zhuǎn)移阻抗Z與被測材料的電導率和提離等物理屬性有關，而電導率反映了被測材料的損傷程度，提離體現(xiàn)了材料表面的粗糙度。因此，根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)移阻抗的幅度和相位可以獲得被測材料的電導率、磁導率、涂層厚度等絕對參數(shù)的相關信息，從而進行微損傷、應力分布等的評估。

平面柔性渦流傳感器測量所得被測材料物理屬性為感應單元覆蓋面下的平均值，感應單元的尺寸越小，測量的空間分辨力就越高。為了識別細微的裂紋損傷，需要減小感應單元的尺寸。但感應單元面積的減小，感應線圈和激勵線圈的磁鏈也會減小，這將導致感應電壓的幅值降低，增大信號處理的難度。對平面柔性渦流傳感器的設計要綜合考慮上述2方面因素。

有限元法由于具有可以模擬實際檢測條件，不需要設計制作大量傳感器以及人工缺陷試樣，被廣泛應用于解決電磁場問題。平面柔性渦流傳感器的結(jié)構(gòu)具有對稱性和周期性，非常適合有限元仿真分析。本文采用有限元法分析工作頻率對傳感器性能的影響。

2 傳感器有限元仿真模型

采用有限元分析軟件ANSYS，對圖1所示的平面柔性渦流傳感器結(jié)構(gòu)進行三維建模分析，圖2為平面柔性渦流傳感器的模型圖。選用三維單元類型SOLID97，這是一種基于節(jié)點的矢量位分析方法，節(jié)點自由度分別為AX、AY和AZ。采用六面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分。

圖2 平面柔性渦流傳感器模型圖

有限元仿真模型中，傳感器線圈寬度為0.2 mm，厚度為0.35 mm，激勵線圈和感應線圈的間距為0.1 mm，與實際傳感器尺寸保持一致。采用正弦電流激勵，電流幅值為1 A，初相位為0°。

3 傳感器工作頻率對檢測深度的影響

由電磁感應定律知，存在電磁耦合關系的激勵線圈和感應線圈，在相同幅值的正弦激勵電流作用下，激勵繞組的頻率越高，感應電壓幅值越大。在傳感器結(jié)構(gòu)確定后，可以相應提高工作頻率以獲得較大響應輸出。但工作頻率直接影響磁場在被測對象表面的透入深度，這關系到傳感器的可檢測深度?，F(xiàn)對空間波長分別為2.4 mm和3.6 mm的2種平面柔性渦流傳感器在不同工作頻率情況下仿真分析透入深度，其中被測材料電導率為1 MS/m、相對磁導率為20，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 透入深度與傳感器工作頻率的關系

由圖3知，在工作頻率為1 MHz以內(nèi)，空間波長對透入深度起主要作用，工作頻率高于1 MHz，透入深度與趨膚深度趨于一致?？梢?，高頻和較短的空間波長更加適合于近表面缺陷檢測和研究表面的應力分布。

4 傳感器工作頻率對轉(zhuǎn)移阻抗的影響

利用仿真分析平面柔性渦流傳感器轉(zhuǎn)移阻抗隨工作頻率變化情況。圖4是轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。

(a)轉(zhuǎn)移阻抗實部

(b)轉(zhuǎn)移阻抗虛部圖4 轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性

由圖4知，在低頻段，轉(zhuǎn)移阻抗的實部和虛部都很小，這是因為感應電壓幅值很小，隨著頻率的增加，感應電壓幅值迅速增加。

為了保證感應繞組兩端的電壓信號幅值滿足一定的檢測要求，傳感器的工作頻率不能選得太低，一般大于100 kHz；另一方面，工作頻率也不能過高，否則會大幅增加信號處理電路的復雜度，因此應當小于5 MHz。

5 實驗

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，綜合考慮選取傳感器工作頻率為500 kHz，分析平面柔性渦流傳感器響應信號與被測材料應力之間的相關性。

5.1 實驗設備

實驗設備主要包括：

(1)阻抗分析儀:使用高精度阻抗分析儀，用于轉(zhuǎn)移阻抗的測量，激勵頻率范圍為：20 Hz～20 MHz；

(2)平面柔性渦流傳感器如圖5所示；

(3)加載試件：本試驗樣品為軋制的鋁合金3A21，長為200 mm，寬為40 mm，厚2 mm，屈服強度約為100 MPa；

(4)拉伸實驗機:型號為WDW-E100D，是微機控制電子式萬能試驗機，最大加載容量為50 kN。拉伸實驗時，如圖5所示，試件兩端固定在實驗機上，將傳感器固定在試件一側(cè)，其他面為自由狀態(tài)，把實驗機調(diào)整為拉伸狀態(tài)。拉伸試驗在加載材料的彈性區(qū)進行。

圖5 實驗裝置

5.2 實驗結(jié)果

從0開始逐漸增加拉力，一直增加至2.5 kN左右，對每一拉力值進行5次重復轉(zhuǎn)移阻抗值的測量，最后取平均值作為實驗結(jié)果并記錄數(shù)據(jù)。拉力值依次為0.483 kN、1.051 kN、1.508 kN 、1.973 kN 、2.543 kN,對應的應力分別為：2.415 MPa、5.255 MPa、7.54 MPa、9.865 MPa、12.715 MPa。

將所得電導率值與所加應力繪制成圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，當拉應力增加時，電導率值隨之幾乎線形下降，這是金屬材料典型特性的表現(xiàn)。采用線性擬合的方式，得到擬合方程為

σ電=-0.150 8σ應+19.415 1

(2)

殘差值為0.005 9。

6 結(jié)論

本文仿真分析了工作頻率對平面柔性傳感器性能的影響，

圖6 應力與電導率關系圖

根據(jù)仿真結(jié)果，選取工作頻率為500kHz，對鋁合金進行了拉伸應力實驗。實驗結(jié)果表明，在較合適工作頻率激勵時，平面柔性渦流傳感器能夠用來評估電導率的分布，并以此來評估被測導電材料所處的應力狀態(tài)，為關鍵部件早期失效預測提供有力保證。

[1]JAMESMN，HUGHESDJ，CHENZ，etal，Residualstressesandfatigueperformance.EngineeringFailureAnalysis,2007,14(2)：384-395.

[2] 張春月,邊杰.航空發(fā)動機軸向力測量傳感器設計及應用.儀表技術(shù)與傳感器,2014(6)：13-15.

[3]CHAIBMOS,DJELOUAHH,BOUTKEDJIRTT．Propagationofultrasonicwavesinmaterialsunderbendingforces．NDT&EInt，2005(38)：283-289.

[4] 許占顯.用檢測殘余應力方法預報航空件突變斷裂的可行性．航空制造技術(shù)，2004(5)：69-72．

[5] 車俊鐵，侯強，于靜.兵器零部件微裂紋檢測方法的對比分析.兵器材料科學與工程，2005，28(5):44-47.

[6]WILSONJW,TIANGY,BARRANSS.Residualmagneticfieldsensingforstressmeasurement.NDT&EInt，2007(135):381-387.

[7] 趙建強,翁飛兵,潘孟春，等.平面?zhèn)鞲衅麝嚵杏邢拊Ｐ秃蛯嶒炑芯?計量技術(shù)，2012 (3):3-7.

[8] 趙建強.平面渦流傳感器關鍵技術(shù)研究：[學位論文].長沙：國防科技大學，2011.

[9] 趙建強,徐瑤.測量電導率和提離的平面?zhèn)鞲衅麝嚵?儀表技術(shù)與傳感器,2012(12)：167-169.

Analysis and Validation of Effect of Frequency on Planar Eddy Sensor

TANG Ying,ZHAO Jian-qiang,HU Heng-jiang,CHEN Di-xiang,HE Yun-ze

(College of Mechatronics and Automation,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The planar flexible eddy current sensor can test lift-off and conductivity independently at the same time，making it easy for defect testing and stress evaluation.The effects of the frequency on the performances of planar flexible eddy current sensor were analyzed by using the finite element method (FEM).The sensor working in frequency of 500 kHz was used for tensile stress testing of aluminum alloy 3A21,then the relationship between the aluminum alloy conductivity and the tensile stress was obtained.The experimental results show that the planar flexible eddy current sensor can be used for measurement of conductive material’s conductivity and evaluation of its stress when the exciting frequency is appropriate.

planar flexible eddy current sensor；frequency;stress evaluation；conductivity;finite element method

國家自然科學基金資助項目(61171134)

2014-10-22 收修改稿日期：2015-03-05

TM154.2

A

1002-1841(2015)08-0004-03

唐鶯(1971—)，副教授，博士，主要從事電磁無損檢測技術(shù)及其相關理論的研究。E-mail:tangyingtiger@163.com趙建強(1986—)，在讀博士研究生，主要研究方向為無損檢測。E-mail：jqzhao@qq．com