基于線圈互感的陣列渦流傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉少偉，郭 奇

(燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004)

0 引 言

陣列渦流傳感器探頭結(jié)構(gòu)靈活多變，能適應(yīng)復(fù)雜工況，針對(duì)某些特殊結(jié)構(gòu)工件的缺陷的檢測(cè)有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［1，2］，近年來發(fā)展迅速，受到各國(guó)重視。國(guó)外很多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成功地應(yīng)用陣列渦流檢測(cè)技術(shù)，國(guó)內(nèi)多所高校和科研機(jī)構(gòu)針對(duì)陣列渦流傳感器探頭優(yōu)化設(shè)計(jì)、多種激勵(lì)模式檢測(cè)、渦流信號(hào)采集與處理、缺陷特征識(shí)別與成像化、無損檢測(cè)技術(shù)集成等進(jìn)行了研究［3，4］，陣列渦流傳感器技術(shù)已成為了當(dāng)前世界傳感器研究中的熱門方向。

發(fā)射/接收式陣列渦流傳感器是應(yīng)用比較廣泛的陣列渦流傳感器之一，它基于雙線圈檢測(cè)，激勵(lì)線圈單元產(chǎn)生的磁場(chǎng)在被檢工件激勵(lì)產(chǎn)生渦流，被檢工件的電磁性質(zhì)、缺陷存在、電磁耦合等影響渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)被檢測(cè)線圈單元接收并將檢測(cè)信號(hào)傳遞到陣列渦流系統(tǒng)中進(jìn)行處理［5，6］。由于陣列渦流傳感器多為多個(gè)線圈的簡(jiǎn)單組合，線圈單元尺寸較小且相距非常近，線圈單元間互感是難以避免的且線圈單元間互感磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，兩者會(huì)混合在一起對(duì)檢測(cè)線圈單元產(chǎn)生影響，無法分辨缺陷，因此，線圈單元間互感通常被視為干擾因素，研究的重點(diǎn)是減弱甚至是消除線圈單元間互感，但線圈單元間互感中也包含著缺陷信息，測(cè)量線圈單元間互感有利于缺陷的定性/定量分析［7］。

本文利用有限元數(shù)值計(jì)算方法，基于線圈單元間互感影響，從理論上分析了線圈單元相關(guān)參數(shù)對(duì)陣列渦流傳感器檢測(cè)靈敏度和空間分辨率的影響，理論上為基于線圈單元間互感的陣列渦流傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 有限元模型參數(shù)設(shè)計(jì)

將陣列渦流傳感器的線圈單元排布成矩陣形式，按照設(shè)定的邏輯順序，依次激勵(lì)陣列線圈單元充當(dāng)激勵(lì)線圈單元，并將與之呈一定空間排布關(guān)系的線圈單元充當(dāng)檢測(cè)線圈單元，分時(shí)切換完成渦流信號(hào)的收集工作，如圖1 所示，某一時(shí)刻激勵(lì)線圈單元在被檢工件產(chǎn)生渦流，當(dāng)被檢工件存在缺陷(有限元模型中是表面裂紋缺陷)時(shí)，渦流發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)影響通過激勵(lì)線圈單元的磁通量，導(dǎo)致激勵(lì)線圈單元和檢測(cè)線圈單元之間互感發(fā)生變化，測(cè)量檢測(cè)線圈單元感應(yīng)電壓獲取線圈單元間互感參數(shù)，互感中包含著缺陷信息。基于以上原理，設(shè)計(jì)了發(fā)射/接收式矩陣渦流傳感器的有限元簡(jiǎn)化模型，并做出了如圖2 所示傳感器移動(dòng)過程中線圈單元相關(guān)參數(shù)對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度感影響的關(guān)系曲線，做出了如圖3 所示傳感器移動(dòng)過程中線圈單元相關(guān)參數(shù)對(duì)傳感器空間分辨率影響的關(guān)系曲線［8］。線圈模型初始參數(shù)［7］:外半徑R1=5 mm，內(nèi)半徑R2=1 mm，軸向厚度H=2 mm，匝數(shù)N=50，提離距離T=1 mm，線圈單元中心距C=11 mm，激勵(lì)線圈單元和檢測(cè)線圈單元尺寸大小相同;被檢工件為鋁制平板，尺寸為100 mm×100 mm×5 mm，電阻率為2.65×10－8Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。采用交流電壓激勵(lì)，電壓幅值U=5 V，頻率f=10 kHz。裂紋尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為14 mm×1 mm×1.5 mm，圖2 中是橫向裂紋，圖3 中是2 個(gè)縱向裂紋，裂紋中心間距Lo1o2=6 mm。

圖1 發(fā)射/接收式陣列渦流傳感器檢測(cè)模式Fig 1 Launching/receiving array eddy current sensor testing model

圖2 傳感器檢測(cè)靈敏度獲取示意圖Fig 2 Diagram of sensor testing sensitivity acquirement

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 線圈單元相關(guān)參數(shù)對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響

檢測(cè)靈敏度是評(píng)估渦流傳感器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，它反映了渦流傳感器對(duì)裂紋缺陷的敏感程度，其定義為:在整個(gè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裂紋過程中由裂紋缺陷引起的檢測(cè)線圈單元的感應(yīng)電壓幅值的最大值與被檢平板無裂紋區(qū)域處檢測(cè)線圈單元的感應(yīng)電壓幅值的比值即為傳感器的檢測(cè)靈敏度。下面分別探討了線圈單元外半徑、內(nèi)半徑、軸向厚度、提離距離、中心距變化對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響，如圖4 ～圖8 所示，其中線圈單元某一項(xiàng)參數(shù)變化時(shí)，其余參數(shù)和線圈單元匝數(shù)密度保持不變。

圖3 傳感器空間分辨率獲取示意圖Fig 3 Diagram of sensor spatial resolution acquirement

圖4 線圈單元外半徑對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響Fig 4 Influence of coil unit outside radius on sensor testing sensitivity

圖5 線圈單元內(nèi)半徑對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響Fig 5 Influence of coil unit inner radius on sensor testing sensitivity

圖6 線圈單元軸向厚度對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響Fig 6 Influence of coil unit axial thickness on sensor testing sensitivity

由以上各圖分析可知，隨著線圈單元外半徑的增大，傳感器檢測(cè)靈敏度則單調(diào)遞減，且當(dāng)外半徑在2.0 ～2.5 mm之間變化時(shí)，傳感器檢測(cè)靈敏度變化平緩，當(dāng)外半徑大于2.5 mm時(shí)，則迅速減小;隨著線圈單元內(nèi)半徑的增大，傳感器檢測(cè)靈敏度先增大后減小，大約在1.0 mm 處達(dá)到最大值;隨著線圈單元軸向厚度的增加，傳感器檢測(cè)靈敏度單調(diào)遞減;隨著線圈單元提離距離的增大，傳感器檢測(cè)靈敏度單調(diào)遞減;隨著線圈單元中心距的增大，傳感器檢測(cè)靈敏度先增大后減小，大約在14.8 mm 處達(dá)到最大值。

圖7 線圈單元提離距離對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響Fig 7 Influence of coil unit lift-off distance on sensor testing sensitivity

圖8 線圈單元中心距對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響Fig 8 Influence of coil unit center distance on sensor testing sensitivity

依據(jù)以上分析，基于線圈單元間互感設(shè)計(jì)的陣列渦流傳感器以檢測(cè)靈敏度為主要參考指標(biāo)的優(yōu)化原則如下:線圈單元外半徑、軸向厚度不宜過大;線圈單元內(nèi)半徑、中心距最好選在傳感器最大檢測(cè)靈敏度處;線圈單元的提離距離盡量小些，有利于提高傳感器的檢測(cè)靈敏度。

2.2 線圈單元相關(guān)參數(shù)對(duì)傳感器空間分辨率的影響

空間分辨率是指?jìng)鞲衅鲗?duì)同一被檢平板內(nèi)距離相近的多個(gè)裂紋缺陷的識(shí)別能力，也是評(píng)估渦流傳感器性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。依據(jù)空間分辨率優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器，可以提高對(duì)裂紋缺陷的分辨能力，可以對(duì)不同的缺陷類型快速評(píng)估和分類。下面分別探討了線圈單元外半徑、內(nèi)半徑、軸向厚度、提離距離、中心距變化對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響，如圖9 ～圖13 所示，其中線圈單元某一項(xiàng)參數(shù)變化時(shí)，其余參數(shù)和線圈單元匝數(shù)密度保持不變。

圖9 線圈單元外半徑對(duì)傳感器空間分辨率的影響Fig 9 Influence of coil unit outside radius on sensor spatial resolution

圖10 線圈單元內(nèi)半徑對(duì)傳感器空間分辨率的影響Fig 10 Influence of coil unit inner radius on sensor spatial resolution

圖11 線圈單元軸向厚度對(duì)傳感器空間分辨率的影響Fig 11 Influence of coil unit axial thickness on sensor spatial resolution

圖12 線圈單元提離距離對(duì)傳感器空間分辨率的影響Fig 12 Influence of coil unit lift-off distance on sensor spatial resolution

圖13 線圈單元中心距對(duì)傳感器空間分辨率的影響Fig 13 Influence of coil unit center distance on sensor spatial resolution

由以上各圖分析可知，隨著線圈單元外半徑的增大，在兩裂紋缺陷中心處(O1，O2點(diǎn))的感應(yīng)電壓幅值與兩裂紋中心連線的中心點(diǎn)(O 點(diǎn))的感應(yīng)電壓的幅值差距越明顯，差異化趨勢(shì)隨之增大，對(duì)相鄰裂紋缺陷的分辨能力越強(qiáng)，空間分辨率越高;隨著線圈單元內(nèi)半徑的增大，在兩裂紋缺陷中心處(O1，O2點(diǎn))的感應(yīng)電壓幅值與兩裂紋中心連線的中心點(diǎn)(O 點(diǎn))的感應(yīng)電壓的幅值差距先增大后減小，對(duì)相鄰裂紋缺陷的分辨能力先增強(qiáng)后減弱，即存在一個(gè)數(shù)值使傳感器空間分辨率最高;隨著線圈單元軸向厚度的增加，傳感器空間分辨率也是先增強(qiáng)后減弱，存在一個(gè)數(shù)值使傳感器空間分辨率最高;隨著線圈單元提離距離的增大，傳感器空間分辨率越來越低，直至幾乎分辨不出相鄰裂紋缺陷;隨著線圈單元中心距的增大，傳感器對(duì)相鄰裂紋缺陷的分辨能力越強(qiáng)，空間分辨率越來越高。

依據(jù)以上分析，基于線圈單元間互感設(shè)計(jì)的陣列渦流傳感器以空間分辨率為主要參考指標(biāo)的優(yōu)化原則如下:線圈外半徑不宜過小;線圈單元內(nèi)半徑、軸向厚度盡量選在最大空間分辨率處;線圈單元的提離距離盡量小些，有利于提高傳感器的空間分辨率;線圈單元中心距不宜過大，過大會(huì)導(dǎo)致互感作用過小，難以提取裂紋缺陷的有效信息。

3 結(jié) 論

本文通過ANSYS 有限元仿真模擬了線圈單元相關(guān)參數(shù)對(duì)基于線圈單元間互感設(shè)計(jì)的陣列渦流傳感器檢測(cè)靈敏度和空間分辨率的影響，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，從理論上對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，為其實(shí)際應(yīng)用提供了參考，并得出如下結(jié)論:

1)基于線圈單元間互感的陣列渦流傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，不能同時(shí)滿足檢測(cè)靈敏度和空間分辨率的最大要求，要擇其一為主要參考指標(biāo)，另一指標(biāo)為輔助參考指標(biāo)。

2)陣列渦流傳感器設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧檢測(cè)靈敏度和空間分辨率，線圈單元外半徑選擇要適宜，不能過大或過小;線圈單元內(nèi)半徑要在最大檢測(cè)靈敏度和最高分辨處優(yōu)化取值;線圈單元軸向厚度選取在最高空間分辨率，同時(shí)檢測(cè)靈敏度不能過小;實(shí)際制作條件線圈單元盡量貼近被檢工件和線圈單元中心距要根據(jù)主要指標(biāo)選取。

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