脈沖渦流矩形傳感器的方向特性仿真分析

周德強(qiáng)，尤麗華，閆向陽(yáng)，張秋菊

（1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，無(wú)錫 214122；2.無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司，無(wú)錫 214024）

脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)方法是目前渦流檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。激勵(lì)脈沖包含的頻譜寬，可提取的缺陷信息豐富［1－2］，對(duì)深層缺陷檢測(cè)能力強(qiáng)［3－4］，應(yīng)用前景廣闊。傳統(tǒng)的圓柱形脈沖渦流傳感器可以對(duì)表面和近表面缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)［5－6］，但激勵(lì)磁場(chǎng)直接穿過(guò)檢測(cè)線(xiàn)圈，使得激勵(lì)信號(hào)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生很大的干擾。由于脈沖渦流圓柱型傳感器測(cè)量的是傳感器圓型區(qū)域的電導(dǎo)率平均值，對(duì)各向異性金屬材料的電導(dǎo)率缺陷及應(yīng)力的檢測(cè)存在很大的難點(diǎn)，而脈沖渦流矩形傳感器檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯，可以有效解決各向異性金屬部件缺陷或應(yīng)力的檢測(cè)問(wèn)題［5］。

脈沖矩形渦流傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：在裂紋檢測(cè)中由于提離效應(yīng)影響小而對(duì)微小裂紋具有高靈敏度；易于采用PCB技術(shù)制造；由于PCB技術(shù)的可行使得矩形探頭可以檢測(cè)復(fù)雜缺陷；能有效消除邊緣效應(yīng)的影響；由于具有方向特性，矩形探頭能夠產(chǎn)生均勻的渦流分布等［7－9］。脈沖渦流矩形傳感器的不同放置方式將引起磁場(chǎng)分布特性的改變以及渦流衰減規(guī)律的改變，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果，因此開(kāi)展脈沖渦流矩形傳感器的方向特性研究是十分必要的。

筆者采用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件，建立了脈沖渦流矩形傳感器檢測(cè)模型。通過(guò)電導(dǎo)率的改變，提取磁場(chǎng)的瞬態(tài)信號(hào)，對(duì)三維磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行了仿真分析，對(duì)比矩形探頭的兩種放置方式的方向特性。

1 仿真模型的建立和參數(shù)設(shè)置

1.1 仿真模型的建立

采用Comsol Multiphysics建立了脈沖渦流矩形探頭三維檢測(cè)模型。在A(yíng)C／DC模塊下選擇物理場(chǎng)為磁場(chǎng)并且在瞬態(tài)求解下進(jìn)行求解分析。由于矩形探頭放置方式不同檢測(cè)效果有所不同，因此建立了豎直放置和水平放置兩種檢測(cè)模型。豎直放置是傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，此時(shí)磁感應(yīng)線(xiàn)垂直穿過(guò)檢測(cè)試樣，如圖1所示；而水平放置時(shí)磁感應(yīng)線(xiàn)與被測(cè)試樣的表面平行，模型如圖2所示。

圖1 豎直放置仿真模型圖

圖2 水平放置仿真模型圖

1.2 電流密度設(shè)定及其他參數(shù)說(shuō)明

仿真中載荷的添加尤為關(guān)鍵，在繪制矩形線(xiàn)圈時(shí)，采用的是8塊矩形組合的方法。以豎直放置檢測(cè)模型為例，圖3為圖1線(xiàn)圈的俯視圖。激勵(lì)電流密度大小定義變量為C，得：

式中：N表示線(xiàn)圈的匝數(shù)；0.5表示設(shè)定的電流大小；t表示求解時(shí)間；A表示線(xiàn)圈的橫截面積；T表示線(xiàn)圈纏繞厚度，試驗(yàn)設(shè)定T＝3mm；H表示線(xiàn)圈的高度；d表示漆包線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)直徑，d＝0.3mm。

圖3 矩形線(xiàn)圈的俯視圖

按照逆時(shí)針?lè)较蛟O(shè)定電流密度方向，這樣可以使磁場(chǎng)方向?yàn)閦軸正向，便于后期數(shù)據(jù)處理。即按照?qǐng)D3所示標(biāo)號(hào)1～8的順序?yàn)楦鱾€(gè)線(xiàn)圈添加外部電流密度作為激勵(lì)。豎直放置模型的電流只需要添加x，y兩個(gè)方向，z方向始終為0。例如模塊1，只在x方向有電流，故x方向外部電流密度設(shè)為C，y方向?yàn)?。標(biāo)號(hào)4的模塊，其電流方向?yàn)?35°，根據(jù)向量分解原則，x方向外部電流密度為－C／sqrt（2），y方向?yàn)镃／sqrt（2），負(fù)號(hào)表示方向?yàn)閤軸負(fù)向，依次類(lèi)推完成對(duì)矩形線(xiàn)圈的電流設(shè)定。被測(cè)試樣為鋁板，其尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為100mm×100mm×10mm，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為＝3.774×107S／m。激勵(lì)線(xiàn)圈的長(zhǎng)，寬和高均為20mm，激勵(lì)電流幅值大小為0.5A，頻率為100Hz。傳感器放置在試樣上方0.5mm處，即提離高度為0.5mm。

1.3 渦流分布

截取了矩形探頭尺寸為20mm×20mm×30mm被測(cè)試樣表面的渦流分布圖，如圖4。從圖4（a）中可以看出，豎直放置時(shí)，渦流集中分布于激勵(lì)線(xiàn)圈的下方，中心區(qū)域渦流密度最小，從中心區(qū)域到外圍渦流密度逐漸增大。如圖4（b）所示，水平放置時(shí)，在矩形線(xiàn)圈中心兩側(cè)都有渦流分布，而且每一側(cè)的渦流密度都比較大，其中心區(qū)域渦流密度最大，渦流分布從中心區(qū)域向外圍逐漸減小。通過(guò)對(duì)比渦流密度的最大值可以看出：水平放置時(shí)的中心區(qū)域的渦流密度大于豎直放置時(shí)中心區(qū)域的渦流密度，有利于檢測(cè)微小缺陷等。

2 仿真試驗(yàn)安排及結(jié)果分析

激勵(lì)線(xiàn)圈放置方式的不同導(dǎo)致檢測(cè)效果不同，以被測(cè)試樣的電導(dǎo)率變化為誘導(dǎo)因素，即對(duì)不同電導(dǎo)率（電導(dǎo)率的變化通過(guò)對(duì)材料中電導(dǎo)率屬性進(jìn)行改變，試驗(yàn)中增量分別為10%，20%，30%，40%，50%）的數(shù)據(jù)求取差分信號(hào)，對(duì)比分析矩形激勵(lì)線(xiàn)圈的方向特性。數(shù)據(jù)處理流程圖如5所示。

圖4 渦流分布對(duì)比圖

圖5 仿真處理流程圖

以豎直放置的矩形探頭提取z軸磁通密度分量，模型如圖1所示。圖6為原始信號(hào)、電導(dǎo)率變化后的信號(hào)及差分信號(hào)。原始信號(hào)是電導(dǎo)率沒(méi)有變化的仿真所得信號(hào)；變化信號(hào)是增加電導(dǎo)率50%得到的信號(hào)；用原始信號(hào)減去變化信號(hào)，就得到了差分信號(hào)。差分處理的目的能有效提高傳感器的靈敏度。電導(dǎo)率變化從10%到50%，步距為10%，得到的差分信號(hào)如圖7所示。從圖7可以看出，差分信號(hào)的峰值與電導(dǎo)率的變化規(guī)律呈現(xiàn)出一定的關(guān)系，即隨著電導(dǎo)率變化的增大而增大。

提取差分信號(hào)峰值進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，電導(dǎo)率的變化與信號(hào)峰值的變化之間具有線(xiàn)性關(guān)系。為了對(duì)比矩形探頭不同方向的檢測(cè)效果，通過(guò)對(duì)比x，y，z三個(gè)方向磁通密度的變化來(lái)探究矩形探頭的方向性。

圖6 原始信號(hào)、變化信號(hào)及差分信號(hào)

圖7 z軸差分信號(hào)

圖8 z軸差分信號(hào)峰值

圖9 不同尺寸探頭豎直放置的三軸靈敏度

通過(guò)上述處理方法，得出矩形探頭20mm×20mm×20mm豎直放置時(shí)三個(gè)方向的檢測(cè)靈敏度，如圖9（a）所示。從圖9可以看出，z軸方向具有很大的靈敏度，x，y軸與z軸的差分信號(hào)峰值不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，與z軸相比，幾乎沒(méi)有靈敏度。為了進(jìn)一步探究不同尺寸矩形探頭豎直放置時(shí)磁場(chǎng)密度的變化規(guī)律，仿真研究了長(zhǎng)×寬×高分別為20mm×20mm×30mm，20mm×20mm×40mm的矩形探頭，其長(zhǎng)寬高比分別為1：1：1.5和1：1：2，仿真結(jié)果如圖9（b）和（c）所示。比較圖9（a）～（c）可以得出，矩形探頭豎直放置時(shí)，隨著長(zhǎng)、寬、高尺寸比例的增加，其x，y，z軸磁通密度發(fā)生變化，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。然而，其x軸、y軸靈敏度相對(duì)z軸靈敏度均可忽略不計(jì)。因此豎直放置檢測(cè)時(shí)，z軸靈敏度最大，其它方向分量近似為0，有利于集中渦流對(duì)被測(cè)試件深層方向的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，而其它方向的分量忽略不計(jì)。該種放置檢測(cè)方式有利于z軸方向缺陷或應(yīng)力的檢測(cè)。

以相同尺寸的矩形激勵(lì)線(xiàn)圈，水平放置在被測(cè)試樣上方，模型圖如圖2所示。按照上述分析豎直放置脈沖渦流矩形傳感器的方法，分析了水平放置相同脈沖渦流傳感器的三個(gè)方向的檢測(cè)效果，矩形探頭尺寸為20mm×20mm×20mm水平放置時(shí)仿真結(jié)果如圖10（a）所示。從圖10（a）中可以看出，x，y，z軸三個(gè)方向均有其磁場(chǎng)分量，而三個(gè)方向y軸靈敏度最大，其次是x軸，最小為z軸。為了進(jìn)一步研究脈沖渦流矩形傳感器的方向特性，仿真研究了不同長(zhǎng)寬比（1.5：1：1和2：1：1）矩形探頭對(duì)渦流信號(hào)的影響，其仿真結(jié)果如圖10（b）和（c）所示。從圖10（a）～（c）可以看出，隨著長(zhǎng)寬比例的增加，y軸靈敏度最大，且x軸、z軸的靈敏度相對(duì)y軸的靈敏度越來(lái)越小，當(dāng)長(zhǎng)、寬、高比例尺寸為2：1：1時(shí)，其x軸、z軸的靈敏度可忽略不計(jì)，因此，脈沖渦流矩形傳感器水平放置時(shí)，y軸靈敏度最大，隨著長(zhǎng)、寬、高比例的增加，其x軸、z軸靈敏度可忽略不計(jì)。該種放置檢測(cè)方式有利于y軸方向缺陷或應(yīng)力的檢測(cè)。

圖10 不同尺寸探頭水平放置時(shí)的三軸靈敏度

3 結(jié)論

應(yīng)用大型電磁學(xué)仿真軟件Comsol Multiphysics仿真分析了脈沖渦流矩形傳感器不同放置方式下的渦流分布。研究得出，水平放置方式下的渦流密度更大，更有利于檢測(cè)微小缺陷等；其次，采用仿真試驗(yàn)對(duì)矩形探頭的方向特性進(jìn)行了研究。從仿真試驗(yàn)分析結(jié)果可以得出：矩形探頭相對(duì)于圓柱型探頭具有方向特性。在水平放置與豎直放置兩種方式下，各個(gè)方向的傳感器靈敏度不同。豎直放置方式下z軸靈敏度最大，有利于對(duì)深層缺陷或應(yīng)力的檢測(cè)，水平放置方式下y軸靈敏度最大，有利于y軸方向缺陷或應(yīng)力的檢測(cè)。

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