基于渦流檢測的軌道炮沉積層厚度測試仿真

向紅軍，王俊曉,2，郝雁軍，魯 飛，肖 靜

(1.陸軍工程大學(xué)， 石家莊 050003； 2. 73146部隊(duì), 福建 泉州 362000;3.北京軍事代表局， 北京 100000; 4.陸軍第81集團(tuán)軍， 河北 張家口 075000)

電磁軌道炮由于具有初速精確可控、高初速、超遠(yuǎn)程打擊等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程火力支援、火力壓制、臨近空間攻防等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前各國研究的熱點(diǎn)[1-2]。軌道炮從提出到現(xiàn)在已經(jīng)過去半個(gè)多世紀(jì)，但是仍然處于工程樣機(jī)研制階段，沒有走向戰(zhàn)場，主要是因?yàn)槠潆娫葱⌒突图杉夹g(shù)、軌道壽命技術(shù)、超遠(yuǎn)程一體化彈藥技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)還沒有完全攻克，制約了其工程化研制進(jìn)程。軌道在發(fā)射鋁質(zhì)電樞時(shí)，由于軌道和電樞界面之間的高速滑動電接觸，在歐姆熱、摩擦熱和沖擊電流等作用下，鋁質(zhì)電樞和軌道的接觸面會出現(xiàn)熔蝕，大大降低摩擦阻力，并在軌道表面產(chǎn)生沉積，形成類似電鍍效應(yīng)的沉積層[3-6]。在重復(fù)發(fā)射時(shí)，沉積層將對發(fā)射軌道的壽命和發(fā)射性能產(chǎn)生影響。為此，分析軌道炮重復(fù)發(fā)射軌道的沉積層特性，對研究電磁軌道的壽命和重復(fù)發(fā)射性能具有非常重要的作用。沉積層厚度測量是分析其特性的重要環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的厚度測量方法有很多，包括接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量容易造成軌道表面的損傷和污染；非接觸式測量包括電磁超聲測厚、激光測厚和射線測厚等[7]。由于沉積層厚度大約在微米級，而電磁超聲測厚由于其自身的測量盲區(qū)，很難對涂敷薄層進(jìn)行厚度測量。因此，利用電磁超聲測厚技術(shù)難以滿足使用要求。激光測厚的成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜；射線測厚又存在射線源，對安全要求高。因此，上述方法均不適用于軌道沉積層厚度的測量。

渦流檢測具有靈敏度高，操作使用方便的特點(diǎn)，非常適合用于涂敷表面和金屬薄板厚度的測量[8]。為此，本研究將基于渦流檢測技術(shù)，對沉積層的厚度進(jìn)行測量，構(gòu)建相應(yīng)的仿真模型，分析不同參數(shù)下的測試性能，為沉積層厚度的測量提供有效的方法手段。

1 渦流測厚工作原理

渦流測厚的工作原理如圖1所示。渦流測厚探頭主要由檢測線圈、激勵(lì)線圈、鐵芯等構(gòu)成。當(dāng)在激勵(lì)線圈中通入正弦交流電流時(shí)，激勵(lì)線圈將產(chǎn)生激勵(lì)磁場[9-10]。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，激勵(lì)磁場將在鋁沉積層和銅軌道上感應(yīng)出渦流。渦流產(chǎn)生渦流場。由于沉積層和銅軌道電導(dǎo)率不同，使得該渦流場與無沉積層時(shí)的渦流場存在一定的差異。該渦流場被檢測線圈接收后，在接收線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓包含了沉積層的厚度信息。通過分析該感應(yīng)電壓，即可得到沉積層的厚度。

2 沉積層厚度檢測有限元模型

通過建立基于渦流的沉積層厚度檢測有限元模型，分析不同參數(shù)下的沉積層厚度檢測性能，不斷提高渦流檢測探頭的靈敏度。

2.1 幾何模型構(gòu)建

根據(jù)渦流檢測沉積層厚度的工作原理可知，其仿真分析涉及磁場和渦流的分析計(jì)算，因此可以選擇Comsol Multi-physics中的Magnetic Fields磁場模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，求解器選擇頻域求解器。

渦流檢測探頭為軸對稱模型，如圖1。為此，為提高仿真效率，可以建立渦流檢測探頭的二維軸對稱模型。基于Comsol Multi-physics建立的沉積層厚度檢測有限元幾何模型如圖2所示。其中，各部分的尺寸如下：磁芯的直徑為20 mm，高度為50 mm；檢測線圈的內(nèi)徑為20 mm，外徑為50mm，高度為50 mm，匝數(shù)位1 400匝；激勵(lì)線圈的內(nèi)徑為50 mm，外徑為70 mm，高度為50 mm，匝數(shù)為1 000匝；金屬銅軌道的直徑為200 mm，高度為40 mm，其中沉積層高度為10 μm；渦流探頭和待測金屬軌道之間的距離為1 mm；根據(jù)磁場仿真需要，設(shè)置的空氣域直徑為400 mm，高度為200 mm。

圖1 渦流測厚工作原理

圖2 有限元幾何模型

2.2 材料添加

圖2中，需要對不同的域賦予不同的材料屬性。其中空氣域的材料設(shè)置為空氣，為了提高計(jì)算模型的收斂性，將其電導(dǎo)率設(shè)置為1 S/m，其余各材料屬性參數(shù)的設(shè)置如表1所示。表1中，σ為材料的電導(dǎo)率，μr為材料的相對磁導(dǎo)率，εr為相對介電常數(shù)。

表1 材料屬性參數(shù)

2.3 物理場設(shè)置

整個(gè)模型的邊界條件設(shè)定為狄利克萊邊界條件，即邊界上磁矢勢為0。此外 ，由于所選模型為二維軸對稱模型，在對稱面上會設(shè)置對稱邊界條件。磁場設(shè)置中，將激勵(lì)線圈和檢測線圈均設(shè)為均勻多匝線圈，其中激勵(lì)線圈的激勵(lì)源設(shè)為電流0.56 A，檢測線圈的激勵(lì)源設(shè)為電流0 A，表明檢測線圈為開路。兩種線圈的線徑均設(shè)為直徑0.5 mm。

2.4 網(wǎng)格剖分

由于需要關(guān)注的是待測軌道和沉積層中的渦流，因此需要對沉積層和軌道的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。設(shè)置沉積層網(wǎng)格的最大尺寸為8 μm，軌道的網(wǎng)格最大尺寸為1 mm，剖分后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格剖分

2.5 求解與計(jì)算

在求解器參數(shù)設(shè)置中，設(shè)置求解頻率分別為100 Hz、600 Hz、1 100 Hz和1 600 Hz，然后進(jìn)行求解計(jì)算，從而得到不同頻率下待測軌道和沉積層中的渦流分布，以及檢測線圈的輸出電壓。其中頻率為1 100 Hz時(shí)，待測軌道和沉積層中的渦流密度分布如圖4所示。從圖4可以看出，銅軌道中的渦流密度大約為-4.5×106A/mm2，沉積層中的渦流密度大約為-1×106A/mm2。

圖4 渦流密度分布

同時(shí)，通過仿真，得到不同激勵(lì)頻率下，檢測線圈的感應(yīng)電壓的幅值如圖5所示。從圖5可以看出，隨著頻率的升高，檢測線圈中的電壓幅值逐漸增大，有利于沉積層厚度的檢測。

3 不同參數(shù)對渦流探頭性能的影響

在利用渦流探頭測量厚度時(shí)，通常利用差分法來減小測量誤差。將檢測探頭得到的幅值電壓信號與標(biāo)準(zhǔn)軌道測得的幅值電壓信號的差值作為探頭輸出信號，并對不同參數(shù)情況下的仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 不同激勵(lì)頻率對探頭性能的影響

利用上述仿真模型，對不同沉積層厚度、不同激勵(lì)頻率下的沉積層進(jìn)行仿真分析，得到的電壓幅值信號差分曲線和相位差信號曲線如圖6、圖7所示。

圖5 電壓幅值曲線

圖6 差分幅值電壓曲線

圖7 相位差曲線

從圖6和圖7可以看出，相同頻率下，沉積層厚度越大，輸出的幅值電壓信號越大，但是相位差變化不大。因此，可以選擇幅值電壓的差分信號作為沉積層厚度的檢測信號。根據(jù)幅值電壓信號的差值，即可計(jì)算得出沉積層厚度。

同時(shí)，從圖6還可以看出，在相同厚度下，隨著頻率的增大，輸出電壓的幅值越大。因此，適當(dāng)增大激勵(lì)頻率，可以提高渦流探頭對沉積層厚度檢測的靈敏度。

3.2 不同提離距離對探頭性能的影響

為了避免對軌道表面造成損傷，渦流探頭和軌道之間是一種非接觸式測量。此時(shí)探頭和軌道之間的距離也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。從模型可知，上述仿真是在提離距離為1 mm時(shí)進(jìn)行的。下面利用上述仿真模型，對探頭的提離距離進(jìn)行仿真計(jì)算，其中沉積層厚度為10 μm。通過仿真，得到不同頻率和不同提離距離下的結(jié)果如圖8所示。

圖8 差分幅值電壓曲線

從圖8可以看出，隨著提離距離的增大，渦流探頭幅值電壓的差值先減小然后小幅增大，最后再快速減小。因此，從總體變化趨勢看，較小的提離距離有利于提高渦流探頭的靈敏度。

3.3 鐵芯對渦流探頭性能的影響

鐵芯會增加耦合磁場的強(qiáng)度，為分析鐵芯對渦流探頭的影響。在沉積層厚度為10 μm，激勵(lì)頻率為1 600 Hz時(shí)，對有無鐵芯兩種情況下的模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到渦流探頭的幅值電壓差值如圖9所示。

從圖9可以看出，在渦流檢測探頭中增加鐵芯時(shí)，幅值電壓差值隨著沉積層厚度的變化趨勢更快，曲線具有更高的斜率。因此，鐵芯可以增加渦流探頭的靈敏度，從而提高渦流探頭的測試性能。

圖9 有無鐵芯時(shí)的差分幅值電壓曲線

3.4 不同線圈高度對探頭性能的影響

在激勵(lì)線圈和檢測線圈的半徑保持不變的情況下，通過改變兩線圈的高度，則線圈的匝數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)變化。雖然線圈高度變大、匝數(shù)增多會增大線圈和待測軌道之間的磁場耦合程度，但是匝數(shù)增多也會導(dǎo)致線圈電阻的變大，影響激勵(lì)線圈中的電流。為此，需要分析線圈的高度或匝數(shù)對探頭性能的影響。根據(jù)圖2建立的仿真模型可知，在線圈內(nèi)外徑和導(dǎo)線截面保持不變的情況下，激勵(lì)線圈高度h1和其匝數(shù)N1之間的關(guān)系為

N1=h1/50×1 000

(1)

同理，檢測線圈高度h2和其匝數(shù)N2之間的關(guān)系可以表示為：

N2=h2/50×1 400

(2)

在激勵(lì)線圈和檢測線圈高度保持一致的情況下，利用上述仿真模型進(jìn)行計(jì)算，得到仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 差分幅值電壓曲線

從圖10可以看出，隨著線圈高度的增大，差分幅值電壓先不斷增大，然后逐漸趨于平緩，其理想的線圈高度大約為55 mm。因此，對于渦流探頭來說，存在最佳的線圈高度，使其差分幅值電壓達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

通過對基于渦流檢測技術(shù)的沉積層厚度測試的仿真分析，可以看出：隨著沉積層厚度的增加，渦流探頭的差分幅值信號逐漸增大，因此，利用渦流檢測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)沉積層厚度的測量。同時(shí)，隨著激勵(lì)頻率的增大、提離距離的減小和鐵芯的增加，渦流探頭的靈敏度會增大；此外，線圈存在最佳的高度，可使渦流探頭得到最大的差分幅值。因此，要提高渦流探頭對沉積厚度的測試效果，可以適當(dāng)增大激勵(lì)頻率、減小提離距離并增加鐵芯，選擇最佳的線圈高度。