基于有限元仿真的陣列式渦流傳感器特性研究

胡文廣，張 軍，湯銀龍，王紫涵，宋華東，常 超

(1.國機(jī)傳感科技有限公司，遼寧沈陽 110043；2.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川成都 611731)

0 引言

無損檢測(non-destructive testing，NDT)在質(zhì)量控制、缺陷識別、可靠性評估方面具有重要的應(yīng)用價值。無損檢測廣泛應(yīng)用于航空、鐵路、汽車、石油等領(lǐng)域。無損檢測的方式很多，其中渦流檢測(eddy current testing，ECT)[1]是檢測金屬零件的重要方法。渦流檢測能夠?qū)ぜ暮穸?、距離、表面進(jìn)行檢測，用途廣泛[2-4]。

近幾年來，陣列式ECT傳感器成為傳感器的熱門研究方向[5-7]，陣列式ECT能夠提供更高的檢測速度，更高的檢測分辨率。利用一個線性或陣列排列的檢測線圈，能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測表面的大范圍覆蓋，與傳統(tǒng)渦流檢測相比，能夠提供比較多的缺陷信息[8]。陣列式ECT傳感器的另一個優(yōu)勢是像素化顯示，陣列式ECT在檢測對象表面移動或固定在檢測對象表面，缺陷信息經(jīng)過采集與處理后能夠形成缺陷圖像，達(dá)到對檢測對象整體檢測的目的。

本文基于有限元仿真方法，建立陣列式渦流傳感器有限元模型，并對傳感器特性進(jìn)行研究。

1 陣列式傳感器原理及設(shè)計

電磁感應(yīng)是渦流檢測的理論基礎(chǔ)，以材料中電磁性能變化進(jìn)行判斷被測試件的缺陷[9]。陣列式渦流傳感器集成多個陣列線圈，對平面進(jìn)行多點(diǎn)覆蓋，提高檢測清晰度[10]。

陣列式渦流傳感器原理如圖1所示，主控芯片為FPGA，該芯片負(fù)責(zé)處理所有控制任務(wù)、信號處理以及計算機(jī)通信。探頭通道為激勵信號輸出，陣列線圈探頭信號在右側(cè)接入。

圖1 陣列式渦流傳感器原理圖

傳感器外觀如圖2所示，傳感器包括沿陣列平面2個方向?qū)R的多個獨(dú)立勵磁極和1個陣列排列的感應(yīng)線圈組，每個檢測線圈都可以被視為1個像素單元，并且可以獨(dú)立激活，對缺陷進(jìn)行檢測。

圖2 4×4探頭陣列PCB傳感器

1.1 陣列式渦流傳感器理論分析

陣列式渦流傳感器示意圖如圖3所示，當(dāng)勵磁極通入交流電流Iin時，勵磁極電流產(chǎn)生的磁力線垂直穿過表面S，根據(jù)麥克斯韋方程：

圖3 陣列渦流傳感器示意圖

(1)

勵磁極產(chǎn)生磁場在傳感器下方被檢測材料表面P上產(chǎn)生的磁通量為：

(2)

BI=μHI

(3)

式中：ΦP為被檢測材料表面P上的磁通量；BI為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為相對磁導(dǎo)率。

該磁通量產(chǎn)生的電動勢為

(4)

式中：eI為感應(yīng)電動勢。

金屬材料在該電動勢作用下產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場與勵磁極產(chǎn)生磁場在空間合成磁場：

(5)

勵磁極兩側(cè)的線圈中的感應(yīng)電動勢為

(6)

式中：N為線圈匝數(shù)；ΦPi為第i匝線圈的磁通。

1.2 陣列式渦流傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

4×4探頭陣列PCB傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，3組與Y軸平行的勵磁極(A)和3組與X軸平行的勵磁極(B)把一個檢測區(qū)域劃分成4×4個方格，在每個方格中布置一個矩形感應(yīng)線圈。勵磁極的繞線寬度為0.5 mm，勵磁極之間的間隔為5.2 mm。每個矩形感應(yīng)線圈為25匝，磁極(A)與勵磁極(B)在多層PCB板上的不同層。

2 有限元仿真模型

由于陣列式渦流傳感器問題的復(fù)雜性，解析計算方法難度較大[11]，本文基于有限元仿真軟件COMSOL對陣列式渦流傳感器進(jìn)行建模，通過仿真能夠得到檢測線圈的信號輸出，從而評估傳感器性能。對仿真模型中的檢測線圈及勵磁極進(jìn)行編號，仿真模型如圖4所示。

有限元仿真模型的關(guān)鍵設(shè)定項(xiàng)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

采用上述有限元仿真模型，并加入缺陷，缺陷寬度為0.5 mm，深度為0.5 mm，長度與鋁板長度相同，對勵磁極A2施加大小為1 A，頻率為1 MHz的勵磁電流，鋁板表面磁場分布如圖5所示。

圖5 單勵磁極工作磁場分布

從仿真結(jié)果來看，由于缺陷相對于勵磁極A2分布對稱，因此勵磁極兩側(cè)磁場對稱分布，勵磁極兩側(cè)相鄰檢測線圈2-2與3-2感應(yīng)電動勢相同。此時采用單線圈電壓檢測分析模式，3-2與2-2線圈的輸出電壓幅值與其他勵磁極兩側(cè)6個線圈不一致，則3-2與2-2線圈下方含有缺陷。

圖6為缺陷周圍渦流分布的YZ截面圖。渦流繞過缺陷，從缺陷下方流過，根據(jù)陣列式渦流傳感器原理，金屬材料上含有缺陷后，渦流產(chǎn)生磁場減弱。

圖6 缺陷周圍渦流分布

3 陣列式渦流傳感器特性

在無缺陷鋁板與渦流傳感器模型上對電流響應(yīng)特性，頻率響應(yīng)特性，提離特性進(jìn)行仿真。

勵磁極輸入電流影響檢測線圈電壓輸出，在勵磁極中通入0.01～1 A電流，檢測線圈電壓輸出如圖7所示。隨著激勵電流增加，磁場增強(qiáng)，感應(yīng)電動勢增大。檢測線圈的電壓輸出與電流呈線性關(guān)系。

圖7 電流響應(yīng)特性

檢測線圈輸出電壓與激勵電流頻率的關(guān)系如圖8所示，感應(yīng)電動勢幅值與磁場變化相關(guān)，因此檢測線圈輸出電壓與激勵電流頻率呈線性關(guān)系。

圖8 頻率響應(yīng)特性

通過調(diào)節(jié)被測鋁板與檢測線圈之間的距離仿真陣列式渦流傳感器的提離特性。仿真結(jié)果如圖9所示，單個檢測線圈的輸出電壓隨提離值加大而增大。由于提離值增大后，鋁板上渦流減弱，并且渦流磁場對勵磁極產(chǎn)生的磁場阻礙作用減弱，檢測線圈輸出電壓隨提離值增大表現(xiàn)出敏感度下降趨勢。

圖9 提離特性

陣列式渦流傳感器提離值需要在合理范圍內(nèi)，提離值過大，檢測線圈電壓與缺陷耦合較弱，無法提供缺陷信息，本文中陣列渦流傳感器提離值為0.5 mm。

加入圖4所示的缺陷，缺陷沿Y軸從-7 mm掃描到7 mm，圖2中B2勵磁極與X軸重合。對陣列式渦流傳感器的缺陷響應(yīng)特性進(jìn)行研究，得到單線圈、雙線圈差分輸出特性。單線圈輸出如圖10所示。

圖10 單線圈輸出特性

當(dāng)缺陷處于檢測線圈正下方時，檢測線圈電壓幅值最大，當(dāng)缺陷遠(yuǎn)離檢測線圈時，檢測線圈輸出電壓不變?？梢愿鶕?jù)單個線圈輸出電壓變化情況判斷線圈下方缺陷。

圖2中的2-2與2-3線圈差分輸出信號結(jié)果如圖11所示。橫坐標(biāo)為缺陷所在位置，當(dāng)缺陷位于線圈中心位置時，差分信號幅值最大，缺陷遠(yuǎn)離檢測線圈或缺陷位于兩檢測線圈中間位置時，差分信號輸出為0。在動態(tài)檢測過程中，可以根據(jù)差分信號輸出電壓曲線，判斷缺陷與檢測器相對位置變化。

圖11 差分信號輸出特性

根據(jù)有限元仿真獲得的陣列式渦流傳感器特性，向檢測線圈正下方鋁板上加入4個缺陷，2-1線圈下缺陷大小為1 mm×1 mm×0.5 mm，2-3線圈下缺陷大小為2 mm×2 mm×0.5 mm，3-2線圈下缺陷大小為1 mm×1 mm×0.25 mm，4-4線圈下缺陷大小為2 mm×1 mm×1 mm。

分別開啟A2勵磁極，A3勵磁極產(chǎn)生的磁場可以覆蓋缺陷上方線圈。陣列式渦流傳感器有多種運(yùn)行模式，分別開啟B1，B2，B3勵磁極也能滿足檢測要求。仿真方案采用分別開啟A1、A2與A3勵磁極方式。

采用有限元仿真方法，對加入缺陷的陣列式渦流傳感器進(jìn)行仿真。含有缺陷信息的像素圖如圖12所示，像素圖中顯示的是線圈電壓，從像素圖上能夠明顯看出，2-1,2-3,3-2,4-4檢測線圈電壓幅值較高，下方含有缺陷。驗(yàn)證了陣列式渦流傳感器設(shè)計的有效性。

圖12 缺陷像素圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型平面陣列式脈沖渦流傳感器。這種新設(shè)計包括排列在2個方向的多個勵磁極和一個傳感線圈陣列，使得測量能夠滿足多種不同的應(yīng)用要求。檢測中移動被檢測對象時，可以選擇不同的激勵組合來觸發(fā)感應(yīng)線圈。通過對陣列式渦流傳感器進(jìn)行有限元仿真，并對傳感器特性進(jìn)行研究得到如下結(jié)論：

(1)采用有限元仿真軟件COMSOL對陣列式渦流傳感器進(jìn)行了仿真模型建立，通過觀測電磁場分布驗(yàn)證模型建立的正確性；

(2)單檢測線圈的輸出電壓幅值與勵磁極激勵電流幅值呈線性關(guān)系；

(3)單線圈輸出電壓幅值與勵磁極激勵電流頻率呈線性關(guān)系；

(4)提離值包含缺陷信息，當(dāng)提離值大于1 mm時，檢測線圈輸出電壓對提離值敏感度下降；

(5)單線圈輸出電壓幅值或雙線圈電壓差分信號中均能夠識別出缺陷與檢測線圈的相對位置信息。