基于渦流檢測(cè)的帶包覆層管測(cè)厚理論仿真分析

吳 婧，周鈺明，王學(xué)權(quán)

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610041）

1 前言

目前在化工、船舶、航空航天及核工業(yè)領(lǐng)域，通常在金屬管表面噴涂金屬或非金屬涂層來(lái)提高自身的耐腐蝕性和可靠性[1]，為了控制成本和質(zhì)量，需要對(duì)涂層的厚度進(jìn)行檢測(cè)。目前檢測(cè)涂層厚度的無(wú)損檢測(cè)方法主要有渦流測(cè)厚技術(shù)[2]、超聲測(cè)厚技術(shù)[3]、磁性測(cè)厚技術(shù)[4]、紅外熱波測(cè)厚技術(shù)[5]及太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)[6]等。針對(duì)導(dǎo)電材料的檢測(cè)，渦流檢測(cè)具有不需要耦合劑、檢測(cè)靈敏度高、可以進(jìn)行材料屬性的多參數(shù)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。在渦流檢測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常遇到各種復(fù)雜的情況，為了提高檢測(cè)探頭的靈敏度、信噪比以及熱漂移免疫性，會(huì)用到互感式探頭。與傳統(tǒng)的絕對(duì)式探頭相比，互感式探頭具有更好的靈敏度與靈活性。

本文采用ANSYS 軟件對(duì)互感式探頭不同激勵(lì)頻率、不同探頭提離和不同涂層厚度等因素進(jìn)行仿真，提取檢測(cè)線圈電壓，分析涂層厚度和渦流檢測(cè)信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期實(shí)現(xiàn)基于渦流信號(hào)幅值特征的包覆層管的厚度識(shí)別。

2 渦流測(cè)厚原理

將置于被檢工件上方的激勵(lì)線圈通有交變電流，激勵(lì)線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，處于交變磁場(chǎng)中的被檢工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流即渦流，交變的渦流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的次級(jí)磁場(chǎng)，次級(jí)磁場(chǎng)的存在會(huì)干擾原磁場(chǎng)的變化，使得穿過(guò)檢測(cè)線圈的磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)線圈阻抗和感應(yīng)電壓的變化。通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電壓信號(hào)，對(duì)線圈感應(yīng)電壓信號(hào)的波形進(jìn)行時(shí)域分析，可得到被測(cè)金屬板材厚度與線圈感應(yīng)電壓信號(hào)之間的關(guān)系，進(jìn)而利用這種關(guān)系來(lái)進(jìn)行金屬板材厚度檢測(cè)。對(duì)于金屬涂層厚度的測(cè)量，隨著涂層厚度的增加，板中渦流分布的區(qū)域增加，渦流引起電壓增大。渦流測(cè)厚通過(guò)測(cè)量電壓信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層厚度的測(cè)量。

3 ANSYS 有限元分析

3.1 有限元模型建立

互感式渦流檢測(cè)探頭由兩個(gè)獨(dú)立的線圈（激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈）組成，仿真模型包括涂層、基體、激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈及其鐵芯組成，各部分尺寸如表1 所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)采用自上而下的方式直接建立二維幾何模型，為激勵(lì)線圈及檢測(cè)線圈添加外電路，激勵(lì)線圈載壓5 V，檢測(cè)線圈外接電阻R1，表示開(kāi)路，以防檢測(cè)線圈短路，無(wú)感應(yīng)電壓。

表1 模型參數(shù)

3.2 劃分網(wǎng)格并設(shè)置邊界條件

為仿真模型劃分網(wǎng)格，形成四面體單元，在涂層及基體趨膚深度內(nèi)，加密網(wǎng)格，保證結(jié)果的精確度。

3.3 求解與結(jié)果后處理

設(shè)置激勵(lì)頻率，進(jìn)行諧波分析，分別查看管及涂層的電流密度云圖。

3.4 仿真數(shù)據(jù)分析

為互感式探頭渦流測(cè)厚，可直接提取檢測(cè)線圈的電壓實(shí)部與虛部值，研究檢測(cè)涂層厚度對(duì)檢測(cè)線圈電壓的影響，探頭與被測(cè)體之間的距離即提離為0.5 mm，線圈激勵(lì)電壓為5 V，激勵(lì)線圈頻率選取0.5 MHz、2.5 MHz 及4 MHz，檢測(cè)線圈電壓值與涂層厚度的關(guān)系，整體呈現(xiàn)正增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，當(dāng)激勵(lì)線圈頻率為2.5 MHz、4 MHz 時(shí)，涂層從0～5 μm 厚度呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，涂層厚度為5 μm 和10 μm 時(shí)的檢測(cè)電壓值低于0 μm。已知隨著激勵(lì)頻率的增大，檢測(cè)信號(hào)的靈敏度隨之增大，當(dāng)涂層厚度較薄時(shí)，探頭的干擾因素較大，檢測(cè)精度受限，從而導(dǎo)致檢測(cè)線圈電壓下降。當(dāng)涂層厚度由5 μm逐漸增加至30 μm 時(shí)，檢測(cè)線圈電壓整體趨勢(shì)為隨著涂層厚度的增加而逐漸增加。表2 為激勵(lì)頻率為2.5 MHz 時(shí)，檢測(cè)線圈電壓隨涂層厚度變化的具體值。

表2 涂層厚度對(duì)檢測(cè)線圈電壓的影響（激勵(lì)線圈頻率為2.5 MHz）

保持激勵(lì)線圈輸入電壓不變即為5 V，選取激勵(lì)頻率為2.5 MHz，依次改變探頭與被測(cè)體之間的提離距離為0.1 mm、0.5 mm、1 mm、6 mm，檢測(cè)線圈電壓值與涂層厚度的關(guān)系圖1 所示，提離值為0.1 mm 及0.5 mm 時(shí)，當(dāng)涂層厚度由5 μm逐漸增加至30 μm 時(shí)，檢測(cè)線圈電壓整體趨勢(shì)為隨著涂層厚度的增加而逐漸增加，提離值較大時(shí)，涂層厚度的檢測(cè)精度降低，提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生干擾，涂層厚度擾動(dòng)信號(hào)與提離擾動(dòng)信號(hào)相互作用使得檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)，為得到有用的檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)探頭應(yīng)盡量緊貼被檢管表面，可取提離值為0.5 mm。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用ANSYS 軟件，對(duì)基于渦流檢測(cè)的帶包覆層管的互感式探頭參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：①渦流檢測(cè)電壓信號(hào)隨著涂層厚度的增加總體呈增大趨勢(shì)。當(dāng)涂層從無(wú)到有，即從0～5 μm 變化時(shí)，電壓呈現(xiàn)為負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)?？紤]到渦流檢測(cè)的精度，在進(jìn)行包覆層厚度測(cè)量時(shí)，可以選擇5 μm 厚度為零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。②渦流檢測(cè)信號(hào)頻率選取2.5 MHz 以保證信號(hào)的靈敏度及檢測(cè)深度。③渦流測(cè)厚時(shí)，探頭的提離可選取0.5 mm 及以下。當(dāng)提離厚度繼續(xù)增大時(shí)，檢測(cè)線圈電壓值受提離干擾較大，失去準(zhǔn)確性。

圖1 不同提離下涂層厚度與檢測(cè)線圈電壓的關(guān)系