基于電渦流傳感器的金屬材料表面形貌三維可視化檢測*

吳相楠，李隴杰，張 冰，丁 暉

(西安交通大學電氣學院，西安710049)

電渦流傳感技術是常用無損檢測方法之一，常用來檢測金屬材料表面裂紋，也可用于位移、振動、轉速、厚度等物理量的檢測。同其它無損檢測技術相比，電渦流檢測技術在材料裂紋識別、無損探傷方面具有非接觸、無污染、操作方便等特點。因此在諸如飛行器安全檢測、油氣管道失效事故預防等領域內有著廣泛而重要的應用［1－5］。

采用電渦流傳感器進行測量時，被測金屬材料中的電渦流往往分布在一定的范圍內。當傳感器檢測金屬表面上某一點的位移時，該點周圍區域中的電渦流產生的磁場也會通過檢測線圈，從而會影響測量結果［6－9］。因此對于特殊的設備如線膛炮內壁，螺紋管道內壁形貌的檢測，被檢測點周圍的膛線或螺紋會對測量結果產生較大影響。而常規的電渦流傳感器由于有限的空間分辨力難以勝任特殊材料或設備表面形貌的檢測要求。尤其當金屬表面發生磨損、裂紋情況時，常規電渦流傳感器很難準確捕獲到裂紋位置及形貌特征［10－12］。

為提高電渦流傳感器的空間分辨檢測能力，需要設法提高被測金屬材料中形成的電渦流的集中度。因為當環狀電渦流半徑越小，電渦流沿徑向衰減速度越快，被測點周圍區域對測量結果的影響就會越小。目前常用的手段主要是盡量縮小傳感器尺寸［13］。但是小尺寸傳感器不僅難以加工，而且小尺寸傳感器勢必會使用較細的漆包線或較少的線圈匝數。細漆包線只能運行通過較小的電流強度，而小線圈直徑和較少的線圈匝數會限制傳感器的等效阻抗值，由此會降低傳感器的檢測靈敏度。因此通過縮小傳感器直徑提高空間測量分辨能力是非常有限的。

針對這一問題，本文基于利用高磁導率屏蔽套限制磁場分布的思想，設計制作了一種高空間分辨力的電渦流傳感器。以下介紹對該種傳感器的仿真及實驗研究。

1 高空間分辨能力電渦流位移傳感器原理及仿真

1．1 屏蔽套對電渦流傳感器空間檢測分辨能力的改善作用

圖1為屏蔽套及磁芯對線圈周圍磁場分布的影響示意圖。激勵線圈在其周圍產生磁場，被測金屬材料在交變磁場的作用下感應出電渦流(圖1(a))。為縮小產生的環狀電流半徑，提高渦流場的集中度，在線圈外增加具有高磁導率的屏蔽套。高磁導率屏蔽套對激勵線圈產生的磁場進行分路，使大部分磁通通過屏蔽套本身。這樣減少了擴散到屏蔽套外空間的磁通量，達到限制渦流場分布范圍，提高傳感器空間分辨檢測能力的目的(圖1(b))。此外，由于磁芯對磁場具有一定的聚焦作用，在激勵線圈中間放置具有高磁導率的磁芯，可進一步改善傳感器的空間分辨檢測能力(圖1(c))。高磁導率物質同時還具有增強磁感應強度的作用，因此有助于提高整個傳感器的檢測靈敏度。

圖1 屏蔽套及磁芯對線圈周圍磁場分布的影響

1．2 仿真條件

有限元分析是電磁場分析的重要技術手段［14－15］。本文設計的傳感器由線圈、高磁導率磁芯和屏蔽套組成。其結構可視作軸對稱結構。傳感器結構可劃分為6個區域:區域A1為鐵氧體磁芯，A2為被測金屬板，A3為銅線圈，A5，A6為近場及遠場空間。區域 A1、A2、A4、A5、A6，有限元都只需要一個自由度。區域A3代表激勵線圈(線圈匝數設為20)，其中通有激勵電流，具有兩個自由度。區域1～5選用PLANE53單元，區域6選用INFIN110單元。

為達到較好的分析目的，同時考慮到節省運算量，本文將靠近激勵線圈的近場區域網格劃分較細;遠場區電場和磁場強度都較低，隨空間變化也較為平緩，網格劃分就較稀疏。采用兩種邊界條件:一種是區域6的外圓周，采用ANSYS提供的開放邊界條件;另一種是仿真區域的左邊界及軸對稱結構的對稱軸，強加邊界條件:Az=0。

1．3 仿真結果及分析

分別對帶屏蔽套和不帶屏蔽套的電渦流傳感器在被測金屬導體內產生的電渦流密度分布進行仿真。傳感器所加激勵電壓均為1 V，傳感器距被測導體平板距離為1 mm。仿真結果如圖2所示。

圖2 屏蔽套對傳感器在被測金屬板中產生電渦流密度的影響

圖中橫坐標表示距傳感器對稱軸的徑向距離，縱坐標表示距傳感器端面的軸向距離。圖中十字大小表示電渦流密度大小，單位為A/m2。從該圖可看出，由于趨膚效應的影響，渦流主要分布在被測導體平板上表面，且高磁導率屏蔽套能有效地將被測平板中的渦流集中在較小區域內。

進一步地，提取出被測金屬板表面下0．375 mm處渦流密度分布對比，如圖3所示。圖3(a)反映了不同傳感器作用下測試對象中產生的電渦流場的集中度，表明在有屏蔽套的情況下電渦流分布更加集中。圖3(b)表明，無屏蔽套的傳感器在被測導體中激勵出的渦流強度大于有屏蔽套的傳感器。這說明帶屏蔽套的傳感器的檢測靈敏度降低了。

作者同時對帶屏蔽套和不帶屏蔽套的電渦流傳感器在被測金屬導體內產生磁感應強度分別進行了仿真，得到了與圖2和圖3類似的結果即:在有屏蔽套的測量系統中，被測平板中與對稱軸距離超出屏蔽套外徑位置處的磁感應強度迅速下降;而在無屏蔽套的測量系統中，磁感應強度沿徑向衰減較慢。限于篇幅，詳細結果未列出。

圖3 屏蔽套對渦流密度分布影響對比

2 實驗及分析

2．1 帶屏蔽套傳感器測量空間分辨能力的驗證

選用鎳鋅鐵氧體作為傳感器磁芯和屏蔽套的材料。屏蔽套內徑3 mm，外徑5 mm，高為10 mm;磁芯為圓柱體，底面半徑2 mm，高10 mm。線圈采用直徑0．25 mm的漆包線繞制而成，匝數為24匝。傳感器外觀圖見圖4所示。被測物選用帶有裂紋的條紋鋼板，陽線陰線寬度分別為3．4 mm和5．8 mm;陽線與陰線高度差0．8 mm;裂紋寬度約0．5 mm。鋼板材質為45號鋼。鋼板外觀如圖5所示。被測金屬板固定在平移臺上，平移臺帶動金屬板水平移動經過傳感頭，獲得被測板表面沿條紋垂直方向的單行掃描數據。均勻調節三維調節架的上下位置，進而獲得傳感器對整個被測金屬板表面的二維圖像檢測數據。

圖4 帶屏蔽套的傳感器外觀圖

圖5 表面帶裂紋的條紋金屬板

對比帶屏蔽套和不帶屏蔽套的傳感器在同樣的實驗條件下，對金屬板單行掃描部分數據如圖6所示。圖中的橫軸為傳感器沿沿垂直條紋方向的移動距離。由該圖可看出，傳感器經過陽線和陰線邊界時，傳感器輸出發生變化。其中帶屏蔽套的傳感器在陰線陽線交界處變化比較陡峭，這說明傳感器對金屬板形貌的變化具有較好的空間分辨能力。此外，觀察傳感器經過裂紋處輸出的變化也可發現，帶屏蔽套的傳感器對裂紋特征的響應強度要遠高于不帶屏蔽套的傳感器。這說明帶屏蔽套傳感器在檢測裂紋時，能夠抑制金屬板表面本身形貌(陰/陽線)的影響，靈敏地檢測出裂紋特征。

圖6 兩種傳感器對帶裂紋的金屬板單行掃描部分數據

2．2 金屬板形貌可視化檢測技術

采用Labwindows/CVI軟件中三維可視化的控件3D Graph，將傳感器對金屬板二維掃描數據轉化為可視化圖形，可直觀地觀察被測金屬板表面形貌的變化，并準確判定裂紋產生的位置及形貌特征。

傳感器對金屬板的二維掃描數據見圖7(a)所示。從該圖中可明顯觀察到傳感器經過金屬板表面裂紋處時信號產生的畸變。將圖7(a)掃描數據轉化為圖形顯示，結果見圖7(b)所示。對比圖7(b)和圖5可看出:圖7(b)準確地顯示出裂紋所在的位置，圖中的白色部分表明被測金屬板陽線高度高于其它地方，這和實際用卡尺測量的金屬板陽線高低變化趨勢是相符的。

圖7 傳感器對金屬板二維掃描數據及可視化圖形轉換結果

3 結論

論文通過有限元分析及對帶裂紋金屬條紋板的實驗檢測，證明了所設計的帶屏蔽套電渦流傳感器具有較高的空間分辨檢測能力。采用的三維可視化技術將大量復雜數據中潛在的特征直觀而準確地顯現出來，正確地顯示出被測金屬板的表面形貌變化，同時能夠準確地顯示出裂紋的位置及特征。論文研究結果對提高電渦流傳感器在實際中的應用水平具有重要意義。

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