基于有限元仿真的渦流探頭特性研究

胡文廣，董 冰，蔡 軍，張 軍，宋華東，程權(quán)波，常 超

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

0 引言

無損檢測(cè)(non-destructive testing，NDT)是一門綜合學(xué)科，是指在不改變被測(cè)對(duì)象，通過測(cè)量聲光熱力電參數(shù)的變化對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)估[1]。在工業(yè)無損檢測(cè)中，檢測(cè)方法包括：超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)[2]。無損檢測(cè)在航空航天、船舶、公路鐵路、石油輸送等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[3]。渦流檢測(cè)(eddy current testing，ECT)由于具有非接觸、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在無損檢測(cè)領(lǐng)域占有重要的位置并發(fā)揮重要作用[4]。

文獻(xiàn)[5]對(duì)陣列渦流傳感器進(jìn)行了有限元仿真與實(shí)驗(yàn)，并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6]分析了激勵(lì)頻率與提離對(duì)渦流探頭的影響。文獻(xiàn)[7]提出了渦流與電磁復(fù)合檢測(cè)方式。文獻(xiàn)[8]指出當(dāng)探頭與被測(cè)試件間距離發(fā)生變化時(shí)，線圈與試件間的互感發(fā)生變化，因此會(huì)影響線圈的輸出特性。而試件表面的涂層厚度，試件表面的粗糙度，操作人員的水平均會(huì)影響提離變化[9]。而這種影響會(huì)掩蓋缺陷或?qū)θ毕葸M(jìn)行誤判[10]。本文提出的探頭采用差分輸出能夠有效消除提離效應(yīng)的影響。

本文基于有限元仿真方法，采用Maxwell軟件建立渦流探頭有限元模型，并對(duì)探頭特性進(jìn)行研究。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，驗(yàn)證有限元方法的正確性。

1 渦流探頭原理及設(shè)計(jì)

1.1 渦流探頭理論分析

渦流探頭仿真模型如圖1所示，發(fā)射線圈中通入交流電流作為激勵(lì)，在空間激發(fā)出交變電磁場(chǎng)，根據(jù)麥克斯韋方程

圖1 渦流探頭示意圖

(1)

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；JT為發(fā)射線圈中電流密度。

交變電磁場(chǎng)在被測(cè)試件中感應(yīng)出渦流：

(2)

JS=σES

(3)

式中：BS為試件中磁感應(yīng)強(qiáng)度；ES為試件中電場(chǎng)強(qiáng)度；σ為試件電導(dǎo)率；JS為試件中的電流密度。

接收線圈處磁場(chǎng)是由發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)共同作用的結(jié)果：

(4)

BR=μHR

(5)

式中：HR為空間磁場(chǎng)強(qiáng)度；BR為空間磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為磁導(dǎo)率。

空間磁場(chǎng)在單匝線圈中產(chǎn)生的磁通量：

(6)

(7)

式中：φA、φB分別為A、B線圈中單匝線圈磁通量；BA、BB為磁感應(yīng)強(qiáng)度；SA與SB分別為線圈A與線圈B中單匝線圈圍成的面積。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在A、B線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

(8)

(9)

式中：eA、eB為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；N為線圈匝數(shù)。

接收線圈繞向相反，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為差分輸出時(shí)：

(10)

式中Δe為差分輸出電壓。

由式(4)可知，空間磁場(chǎng)強(qiáng)度由激發(fā)電流和感應(yīng)電流共同決定。式(3)中感應(yīng)電流受被測(cè)試件電導(dǎo)率影響。式(5)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度受被測(cè)試件磁導(dǎo)率影響。式(6)～式(10)中，接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)因此由激發(fā)電流、被測(cè)試件磁導(dǎo)率、被測(cè)試件電導(dǎo)率共同決定。

當(dāng)試件中沒有缺陷時(shí)，A與B線圈下方渦流幅值相位方向相同，因此線圈差分輸出為0。

當(dāng)靠近線圈的一側(cè)試件含有缺陷時(shí)，缺陷處的電導(dǎo)率為0，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，缺陷的出現(xiàn)改變了試件中渦流、磁場(chǎng)分布的對(duì)稱性，因此線圈差分輸出不為0。

在渦流檢測(cè)領(lǐng)域中，渦流由電磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生，在金屬材料內(nèi)部，感應(yīng)電流隨著深度增大而衰減且明顯集中在試件表面[11]。渦流透入深度為：

(11)

式中f為激勵(lì)頻率。

1.2 渦流探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渦流探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，發(fā)射線圈與接收線圈分布在不同層，發(fā)射線圈與接收線圈固定在PCB板上。發(fā)射線圈為420匝，接收線圈為260匝。

圖2 渦流探頭結(jié)構(gòu)

2 渦流探頭有限元模型建立

通過有限元仿真軟件Maxwell建立3D仿真模型，仿真模型接收線圈與發(fā)射線圈的相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。接收線圈A與接收線圈B的繞線方向相反，接收線圈A與接收線圈B構(gòu)成差分輸出。

圖3 渦流探頭仿真模型

采用軟件的自動(dòng)剖分功能，仿真模型網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 仿真模型網(wǎng)格剖分圖

仿真模型中的參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

如圖5所示，發(fā)射線圈被電流激勵(lì)后，在被測(cè)鋁試件表面產(chǎn)生渦流。

圖5 試件表面渦流大小分布

3 渦流探頭特性研究

在被測(cè)鋁試件表面加入10 mm×10 mm×2 mm的缺陷，缺陷與線圈相對(duì)位置如圖6所示。仿真缺陷在線圈下方移動(dòng)時(shí)，線圈差分輸出電壓變化情況。

圖6 仿真缺陷模型

線圈差分電壓輸出如圖7所示，缺陷在距離探頭較遠(yuǎn)(>20 mm)時(shí)，線圈差分輸出為0。當(dāng)線圈位于探頭正下方時(shí)，差分探頭輸出也為0。當(dāng)缺陷掃過探頭下方時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙峰較大值，值為5.96 mV。

圖7 不同試件探頭電壓輸出

缺陷的存在導(dǎo)致被測(cè)試件中渦流分布發(fā)生改變，缺陷位置處沒有渦流，因此導(dǎo)致接收線圈A與接收線圈B所處位置的磁場(chǎng)分布不同，進(jìn)而線圈差分輸出不為0。含有缺陷試件表面渦流分布如圖8所示。

圖8 鋁試件渦流分布

將被測(cè)試件材料換成Q235，同樣加入10 mm×10 mm×2 mm缺陷。Q235與鋁試件中，相同缺陷探頭輸出并不相同，Q235試件中，差分探頭輸出幅值中含有2個(gè)極大值，而鋁試件中，差分探頭輸出幅值中含有4個(gè)極大值。鋁試件中探頭幅值最大值出現(xiàn)的位置為-11 mm和11 mm處，而Q235中探頭幅值最大值出現(xiàn)的位置為-5 mm和5 mm處。

對(duì)于Q235材料，缺陷位置處不僅電導(dǎo)率發(fā)生突變，相對(duì)磁導(dǎo)率也發(fā)生突變，Q235材料表面渦流分布如圖9所示。Q235表面渦流最大值為74 347 A/m2，小于相同條件下鋁試件表面渦流最大值139 800 A/m2。但是由于Q235的相對(duì)磁導(dǎo)率較高，Q235材料表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為57 Gs(1 T=104Gs)，而鋁表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 Gs。相同缺陷對(duì)Q235材料磁場(chǎng)分布影響較大，Q235的差分輸出最大值為11.42 mV，大于鋁試件差分輸出最大值5.96 mV。

圖9 Q235試件渦流分布

在仿真軟件中設(shè)置Q235試件仿真條件中不考慮渦流，只計(jì)算缺陷引起的磁導(dǎo)率變化導(dǎo)致的探頭輸出情況，結(jié)果如圖10所示。考慮渦流效應(yīng)后，在探頭接近缺陷時(shí)，探頭輸出電壓增大。而探頭在缺陷正上方時(shí)，渦流對(duì)探頭輸出電壓影響很小，不考慮渦流效應(yīng)時(shí)探頭電壓11.83 mV，考慮渦流效應(yīng)時(shí)探頭電壓11.42 mV。

圖10 渦流效應(yīng)對(duì)探頭輸出影響

改變Q235試樣上缺陷深度，缺陷深度分別為0.5 mm，1.0 mm，2.0 mm，仿真結(jié)果如圖11所示，隨著缺陷深度的增加，探頭輸出電壓逐漸變大。

圖11 缺陷深度對(duì)探頭輸出影響

在Q235試件上分別對(duì)10 mm×10 mm×2 mm缺陷，5 mm×5 mm×2 mm缺陷進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖12所示。

圖12 缺陷大小對(duì)探頭輸出影響

4 渦流探頭實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室中搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，探頭中的PCB板如圖13所示。接收線圈A、接收線圈B固定在PCB板上，最后將整個(gè)PCB封裝成探頭。

圖13 探頭PCB板

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖14所示，采集系統(tǒng)對(duì)渦流探頭進(jìn)行供電與數(shù)據(jù)采集，通過計(jì)算機(jī)軟件讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖14 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)試件為Q235材料，在試件表面有10 mm×10 mm的缺陷，缺陷深度分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，由圖15可知，隨著缺陷深度的增加，探頭輸出的幅值增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

圖15 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文介紹了一種渦流檢測(cè)探頭，探頭由1個(gè)激勵(lì)線圈與2個(gè)接收線圈組成，多個(gè)線圈被固定在PCB板上，PCB板被灌封在殼體內(nèi)形成探頭，探頭中的2個(gè)接收線圈構(gòu)成差分輸出。差分輸出的形式能夠減小探頭提離的影響。通過對(duì)探頭進(jìn)行有限元仿真與實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)渦流探頭進(jìn)行了理論分析，當(dāng)試件中含有缺陷時(shí)，試件的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率發(fā)生突變均會(huì)導(dǎo)致空間磁場(chǎng)分布變化，進(jìn)而導(dǎo)致探頭具有輸出電壓；

(2)采用有限元仿真軟件Maxwell對(duì)探頭進(jìn)行了模型建立，并對(duì)鋁試件、Q235試件進(jìn)行了仿真，相同缺陷在Q235試件中探頭輸出電壓為11.42 mV，在鋁試件中探頭輸出電壓為5.96 mV；

(3)對(duì)于鐵磁性材料(如Q235)，探頭輸出電壓是由渦流與試件磁導(dǎo)率變化共同作用的結(jié)果；

(4)仿真結(jié)果表明缺陷越深，缺陷越大，探頭輸出電壓值越大；

(5)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。