脈沖渦流矩形傳感器參數(shù)的仿真優(yōu)化與實驗*

周德強，閆向陽，尤麗華，張秋菊

（1．江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122;2．無錫國盛精密模具有限公司，江蘇無錫 214024）

0 引言

脈沖渦流無損檢測方法是目前渦流檢測領(lǐng)域的一個研究熱點，激勵脈沖包含的頻譜寬，可提取的缺陷信息豐富［1］，對深層缺陷檢測能力強，應(yīng)用前景廣闊。傳統(tǒng)的圓柱形脈沖渦流傳感器可以對表面和近表面缺陷進行定量檢測［2］，但激勵磁場直接穿過檢測線圈，使得激勵信號對檢測信號產(chǎn)生很大的干擾。文獻［3］指出，在矩形載流線圈激勵下，感應(yīng)電磁場在金屬鋁板中的衰減率較傳統(tǒng)的渦流激勵線圈要小，矩形載流線圈激勵的渦流滲透深度更深。此外，脈沖激勵矩形線圈具有如下優(yōu)點［4～7］:在裂紋檢測中由于提離效應(yīng)影響小而對微小裂紋具有高靈敏度;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。我國學(xué)者何赟澤等人也對脈沖渦流矩形傳感器開展了大量研究，提出了蝶形圖新型特征量等對缺陷進行定量與分類識別［8～10］。因此，開展脈沖渦流矩形傳感器的優(yōu)化設(shè)計十分必要。

脈沖渦流矩形傳感器可采用2種方式進行檢測:脈沖渦流矩形傳感器平行與垂直被檢測對象。本文以脈沖渦流矩形傳感器平行于被檢測對象為模型，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模型，通過電導(dǎo)率的改變，提取磁場的瞬態(tài)信號。通過改變矩形傳感器的尺寸參數(shù)即改變長、寬、高的比值，分析傳感器尺寸參數(shù)的變化對傳感器靈敏度和線性度的影響。然后根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計制作了3種尺寸的矩形探頭，并使用這些探頭對鋁板的表面缺陷進行了檢測，通過對比仿真和實驗的結(jié)果，得出了矩形傳感器的最佳尺寸參數(shù)。

1 仿真模型的建立和參數(shù)設(shè)置

1．1 仿真模型的建立

本文采用Comsol Multiphysics建立了脈沖渦流矩形探頭傳感器三維模型。在AC/DC模塊下選擇物理場為磁場，并且在瞬態(tài)求解下進行仿真分析。整體建模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脈沖渦流矩形探頭有限元仿真模型圖Fig 1 Finite element simulation model of pulsed eddy current rectangular probe

1．2 電流設(shè)定與其他參數(shù)說明

圖2為線圈的俯視圖。激勵電流密度大小定義變量為curd，curd=N×0．5 ×sgnt/A，N=T×H/d2。其中，N為線圈的匝數(shù)，0．5為設(shè)定的電流大小，t為時間，A為線圈的橫截面積，T表示線圈的厚度，實驗設(shè)定為3 mm，H為線圈的高度，d為漆包線直徑，擬定為0．3 mm。按照逆時針方向設(shè)定電流密度方向，磁場方向z軸為正向。按照圖示①～⑧的順序為各個線圈添加外部電流密度，此模型的電流只需要添加x，y2個方向，z方向始終為0。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curdA/m2，y方向為0;模塊4其電流方向為135°角，則x方向外部電流密度為－curd/sqrt（2）A/m2，y方向為curd/sqrt（2）A/m2，依次完成對矩形線圈的電流設(shè)定。

圖2 矩形線圈的俯視圖Fig 2 Top view of the rectangular coil

被測試樣為鋁板，其尺寸（長×寬×高）為100 mm×100 mm×10 mm，相對磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為 σ=3．774×107S/m。激勵電流幅值大小為0．5 A，頻率為100 Hz。傳感器放置在試樣上方0．5 mm處，即提離高度為0．5 mm。

2 仿真實驗與結(jié)果分析

本文采用單因素輪換法進行仿真實驗，即控制矩形線圈的2個變量不變，改變另外一個變量來探究傳感器的靈敏度。首次實驗保持長寬相等，改變高度來仿真，即按比例變化為1∶1∶h，h表示變化的高度，取值從1變化到2，每次遞增0．25。比例基值為20 mm，線圈厚度為3 mm。仿真安排如表1所示。

表1 高度變化的激勵線圈尺寸參數(shù)表Tab 1 Excitation coil size parameters of height change

每次仿真求取0．005 s內(nèi)500個點的磁場變化情況，提取試樣上方0．5 mm處的磁通密度z軸分量作為研究對象。電導(dǎo)率沒有變化時的數(shù)據(jù)，稱之為參考信號，電導(dǎo)率逐次增加10%求取信號。采用各個電導(dǎo)率變化仿真得到的信號減去參考信號得到差分信號。差分信號有明顯的峰值信息，可以有效地提高傳感器的靈敏度。如圖3所示，①為參考信號，即電導(dǎo)率沒有變化的信號;②為電導(dǎo)率變化50%的信號;③為參考信號減去電導(dǎo)率變化信號得到的差分信號。

圖3 參考信號與差分信號等關(guān)系圖Fig 3 Reference signal and differential signal etc

圖4為提取不同電導(dǎo)率變化的差分信號峰值，該曲線反應(yīng)的是當(dāng)長、寬、高比值為1∶1∶2的時差分信號結(jié)果。其斜率反映矩形線圈傳感器的靈敏度與線性度。通過對比不同尺寸參數(shù)下的差分信號峰值特征，得出不同尺寸傳感器的優(yōu)劣，進而優(yōu)化選擇出最佳的尺寸參數(shù)。

圖4 差分信號峰值隨電導(dǎo)率變化Fig 4 Differential signal peak value vs conductivity changes

圖5為長寬比例不變，高度變化的綜合圖。通過對比可知在長、寬、高比例為1∶1∶1．5時靈敏度最高，線性度也最好，即為最優(yōu)比值。

同理對長和寬的變化實施第二組實驗，此次保持寬和高的比為1∶1，變化長度進行優(yōu)化選擇。實驗安排如表2。

同樣在不同尺寸下提取差分信號峰值進行分析，其結(jié)果如圖6所示。由于長、寬因素在線圈中無特定量，即長、寬為等價的，通過對比長、寬時的曲線數(shù)據(jù)可知，當(dāng)長、寬比例為2∶1時為最優(yōu)比值。

圖5 不同高度下的差分信號峰值隨電導(dǎo)率的變化Fig 5 Peak value of differential signal with height changes and conductivity changes

表2 長度變化激勵線圈尺寸參數(shù)表Tab 2 Excitation coil size parameters of height change

因此，當(dāng)長、寬、高綜合考慮時，由于高是相對于長、寬的1．5 倍，而長、寬優(yōu)化比為 2∶1，因此，對比長、寬、高比值為 2∶1∶1．5，2∶1∶3，2∶1∶2．25 時的數(shù)據(jù)，即長、寬、高尺寸分別為（40，20，30 mm），（40，20，60 mm），（40，20，45 mm），其結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，當(dāng)長、寬、高比值為2∶1∶1．5時，脈沖渦流矩形傳感器的靈敏度、線性度最好。

圖6 長寬比值變化時差分信號峰值圖Fig 6 Differential signal peak value diagram of length and width ratio change

圖7 三組比值的差分信號峰值圖Fig 7 Differential signal peak value diagram of three groups of ratio

3 實驗驗證與結(jié)果分析

3．1 實驗驗證系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)仿真結(jié)果，實驗制作了3個不同尺寸的矩形線圈骨架。按照仿真的最佳三組比例，以20 mm為基值，3個線圈骨架的尺寸分別為40 mm×20 mm×30 mm，40 mm×20 mm×45mm，40mm×20mm×60mm。使用直徑為0．36mm的漆包線繞制的線圈厚度與仿真使用的厚度相同，為3 mm。驗證實驗采用試樣的缺陷深度變化來代替電導(dǎo)率的變化。被測試樣為鋁板，尺寸（長×寬×厚）為150 mm×50 mm×10 mm。缺陷寬度為 2 mm，深度依次為 2，4，6，8 mm，實驗試塊如圖8所示。板材厚度為10 mm，缺陷可認(rèn)為電導(dǎo)率為0，缺陷檢測實驗近似模擬被測試件電導(dǎo)率的變化。因此，可以通過此方法來驗證仿真結(jié)果。實驗使用3個探頭分別在沒有缺陷和不同深度的缺陷處進行測量和數(shù)據(jù)采集。

圖8 試樣缺陷示意圖Fig 8 Schematic diagram of specimen defects

3．2 實驗結(jié)果分析

本實驗使用DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集。采樣頻率為10 kHz，脈沖波的上升沿觸發(fā)，采樣點數(shù)為1 000點，共采集10個周期的數(shù)據(jù)。對信號進行平均處理，避免單個周期的偶然性，提高實驗的精確度。采集信號后的處理步驟如圖9。

圖9 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig 9 Flow chart of data processing

如圖10所示，原始信號中由于直流分量的存在，導(dǎo)致信號電壓整體均在零以上。

圖10 采集到的原始信號Fig 10 Collected original signal

圖11為原始信號減去各自的均值的結(jié)果，可以看出:對電路信號中的直流分量進行了去除。由于信號中存在一定的噪聲，所以，必須經(jīng)過濾波處理。經(jīng)過軟件濾波然后獲取差分信號如圖12所示，信號的噪聲明顯減小。將圖12的10個周期的信號平均到一個周期，這樣可以進一步消除噪聲。其周期平均濾波結(jié)果如圖13所示。

圖11 原始信號減去均值得到的信號Fig 11 Signal obtained from original signal subtracted by the mean value

圖12 差分信號Fig 12 Differential signal

從圖13可以看出:隨著缺陷深度的增加，差分信號峰值增大。為此，本文提取差分信號峰值進行靈敏度與線性度分析。其3個矩形脈沖渦流探頭的實驗結(jié)果如圖14所示。從圖14中可以看出:尺寸為40 mm×20 mm×30 mm的傳感器線性度和靈敏度最好。實驗結(jié)果驗證了仿真結(jié)果的有效性，證實當(dāng)長、寬、高比值為2∶1∶1．5時，脈沖渦流矩形傳感器的靈敏度、線性度最好。

圖13 平均到一個周期的信號Fig 13 Signal of averaged one period

圖14 不同尺寸傳感器的靈敏度分析Fig 14 Sensitivity analysis of different size sensors

4 結(jié)論

本文通過仿真和實驗探究了脈沖渦流矩形傳感器尺寸參數(shù)對對鋁板檢測的靈敏度影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):脈沖渦流矩形傳感器靈敏度、線性度與傳感器長寬、高度有關(guān)。在長寬不變的情況下，當(dāng)長、寬、高比為1∶1∶1．5時，傳感器的線性度和靈敏度最高;在高不變時，長、寬比為2∶1時傳感器最優(yōu)。通過對比 2∶1∶1．5，2∶1∶3，2∶1∶2．25 得到長、寬、高最佳比為2∶1∶1．5。本文通過對矩形傳感器尺寸的仿真和實驗，找出了最優(yōu)化比值，有利于進一步提高脈沖渦流矩形傳感器的檢測性能。

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