電渦流檢測(cè)之脈沖渦流線圈的初步研究

杜紅亮李合欣王延波李春霞

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250102）

電渦流檢測(cè)之脈沖渦流線圈的初步研究

杜紅亮李合欣王延波李春霞

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250102）

摘要：隨著電磁理論及其實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展與完善，促進(jìn)了渦流檢測(cè)等無損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)的不斷發(fā)展。在理論上，分析了脈沖渦流線圈中電渦流強(qiáng)度與檢測(cè)距離以及電渦流強(qiáng)度和輸入頻率之間的關(guān)系。通過試驗(yàn)，分析了激勵(lì)脈沖的頻率、占空比因素對(duì)脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的影響。對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電壓信號(hào)的面積差與檢測(cè)距離有密切的關(guān)系，證明了采用脈沖渦流技術(shù)檢測(cè)的可行性。

脈沖渦流檢測(cè)；脈沖渦流線圈；頻率；占空比

電渦流檢測(cè)是近年來發(fā)展快速的一項(xiàng)無損檢測(cè)技術(shù)。它與射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)并稱為五大無損檢測(cè)技術(shù)。在傳統(tǒng)渦流檢測(cè)手段中，以連續(xù)的信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，其激勵(lì)線圈在工作過程中一直有電流流過，因此功耗大，線圈有嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，脈沖渦流的激勵(lì)線圈工作在脈沖形式的激勵(lì)下，因此瞬時(shí)功率大而平均功耗卻很小。

1.脈沖渦流線圈的工作原理

脈沖渦流線圈采用的是感應(yīng)電渦流原理。當(dāng)帶有交變電流的線圈靠近被測(cè)金屬時(shí)，線圈上的交變電流所產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁學(xué)上稱之為電渦流。如果在交變磁場(chǎng)的有效范圍內(nèi)沒有金屬導(dǎo)體靠近時(shí)，則磁場(chǎng)能量就會(huì)全部損失；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近這一磁場(chǎng)時(shí)，則在此金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流。

隨著探頭線圈和金屬導(dǎo)體之間距離x的變化，探頭線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q將會(huì)隨探頭線圈和金屬導(dǎo)體之間的互感系數(shù)M的變化而變化。可得出探頭線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q都可用以x、μ、ρ和f為自變量的函數(shù)來表示。因此有：Z，L，Q=f（x，μ，ρ，f）。式中：x為探頭線圈和金屬導(dǎo)體之間距離；μ為金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；ρ為金屬導(dǎo)體的電阻率；f為探頭線圈中電流的頻率。假設(shè)被測(cè)金屬導(dǎo)體是固定的，則μ和ρ都是常數(shù)，激勵(lì)頻率f設(shè)置好后也是常數(shù)，則探頭線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q僅是檢測(cè)距離x的函數(shù)，即：Z，L，Q=f（x）。

根據(jù)渦流傳感器的基本原理，可有3種不同的輸出量，即阻抗Z、電感L、品質(zhì)因數(shù)Q。它們之間是相互關(guān)聯(lián)的，通過設(shè)計(jì)不同的測(cè)量電路，可以直接反映阻抗Z、電感L、品質(zhì)因數(shù)Q的變化，將其轉(zhuǎn)化為位移x和電壓V的特性曲線，在一定檢測(cè)距離范圍內(nèi)中間一段是線性關(guān)系，傳感器線性范圍的大小、靈敏度的高低不僅與阻抗Z、電感L、品質(zhì)因數(shù)Q有直接關(guān)系，還與探頭線圈的尺寸和形狀有密切關(guān)系。

電渦流強(qiáng)度與檢測(cè)距離之間的關(guān)系：

當(dāng)探頭線圈輸入的激勵(lì)頻率、被測(cè)金屬導(dǎo)體的材料和探頭線圈的材料一定時(shí)，在一定檢測(cè)范圍內(nèi)，不同檢測(cè)距離下得到的探頭線圈阻抗的實(shí)部和虛部是呈線性變化的，且隨著檢測(cè)距離的增大，品質(zhì)因數(shù)Q變大，即電渦流強(qiáng)度減弱。

電渦流強(qiáng)度與輸入頻率之間的關(guān)系：

當(dāng)檢測(cè)距離、被測(cè)金屬導(dǎo)體材料和探頭線圈的材料一定時(shí)，隨著輸入頻率的增大，品質(zhì)因數(shù)Q變大，即電渦流強(qiáng)度減弱。

2.脈沖渦流線圈的初步研究

渦流線圈是20世紀(jì)70年代興起的一種以電磁感應(yīng)為原理的無損、非接觸位移、振動(dòng)檢測(cè)裝置，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、不受介質(zhì)影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的脈沖渦流線圈是以提離為檢測(cè)量的傳感器，希望有較大的線性范圍和較高的靈敏度。

下面對(duì)矩形柱和圓柱線圈的軸線磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

3.矩形柱和圓柱線圈的模型

圖1　線圈形狀及幾何參數(shù)

圖2　圓柱狀的探頭線圈模型

本文研究的線圈形狀以及相關(guān)參數(shù)如圖1（a）、圖1（b）所示。線圈形狀包括圓柱線圈和矩形柱線圈。對(duì)于圓柱線圈，幾何參數(shù)包括線圈高度h、內(nèi)半徑Ra和外半徑Rb；對(duì)于矩形柱線圈，主要包括線圈高度h、長(zhǎng)b、寬c和e。

（1）矩形柱線圈軸線上的磁場(chǎng)分布

矩形柱線圈，可以想象成很多個(gè)單匝矩形線圈疊加而成。設(shè)線圈底面中心的坐標(biāo)為（0，y，0），線圈的匝數(shù)為N，線圈的截面積為A，線圈匝數(shù)密度為D（D=N/A）。當(dāng)線圈中流過電流I時(shí)，電流密度Δi為DI。此時(shí)計(jì)算微面dx′dy′和dz′dy′上的電流密度分別為（NI/eh）dx′dy′和（NI/eh）dz′dy′。參考文獻(xiàn)[2]，可以推導(dǎo)出具有矩形截面的矩形柱線圈對(duì)稱軸（Y）上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

由于含有二重積分而且被積函數(shù)較復(fù)雜，導(dǎo)致矩形柱線圈對(duì)稱軸線上任意一點(diǎn)上的磁場(chǎng)分布不易獲得。

（2）圓柱線圈軸線上的磁場(chǎng)分布

文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)出具有矩形截面的圓柱線圈對(duì)稱軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

式中：Ra為圓柱線圈的內(nèi)徑，Rb為圓柱線圈的外徑，h為圓柱線圈的厚度，C=（y+h）/2。

只要提離高度y給定，即可獲得圓柱對(duì)稱軸上任一點(diǎn)的磁場(chǎng)分布。

可得到如下結(jié)論：

①線圈厚度越薄，BP越大，傳感器的靈敏度越高，但線性范圍窄。

②線圈外徑越小，BP越大，傳感器的靈敏度越高，線性范圍窄；線圈外徑越大，BP越小，渦流損耗越小，線性范圍寬，但傳感器的靈敏度低。

③改變線圈的內(nèi)徑對(duì)傳感器的特性影響不大，只是在x=0時(shí)，靈敏度稍有變化。

通過有限元分析可知，圓柱線圈作用下的傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度和被測(cè)體中的渦流強(qiáng)度都大于矩形柱線圈作用下的磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流強(qiáng)度。由此可知，在相同條件下，圓柱線圈的磁場(chǎng)作用更強(qiáng)。

根據(jù)上面的理論分析，本文初步采用了圓柱狀的探頭線圈，具體模型如圖2所示。這兩個(gè)線圈是串聯(lián)的，且電流方向是相反的。線圈的尺寸：匝數(shù)216匝，內(nèi)半徑12mm，外半徑15mm，高度15mm，銅導(dǎo)線的直徑0.31mm。

4.試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)進(jìn)行了占空比20%、25%、30%、35%、40%情況下，不同頻率對(duì)線圈電壓變化量的影響，如圖3所示。

由以上各圖的分析，我們可以得出：脈沖激勵(lì)的占空比和頻率的變化都會(huì)影響線圈電壓變化，而且同一占空比下，頻率太高或太低線圈電壓變化都會(huì)減小。通過對(duì)比不同占空比和頻率下線圈電壓的變化可知：在占空比為20%，頻率在700Hz～900Hz之間線圈電壓的變化是最大的。

圖3　不同占空比情況下，頻率—線圈電壓變化量曲線圖

結(jié)語

本文對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，并驗(yàn)證了理論的正確性和方案的可行性。有以下結(jié)論：脈沖激勵(lì)的占空比和頻率的變化都會(huì)影響線圈電壓變化，而且同一占空比下，頻率太高或太低線圈電壓變化量都會(huì)減小。通過對(duì)比不同占空比和頻率下線圈電壓的變化可知：在占空比為20%，頻率在700Hz～900Hz之間線圈電壓的變化是最大的。

[1]任吉林，林俊明.電磁無損檢測(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2] GARCIA A, CARRASCO JA, SOTO JF, etal. A method for calculating themagnetic field produced by a coil ofany shape. Sensors and Actuators A, 2001（91）: 230-232.

[3]徐可北，周俊華.渦流檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]張寶裕，劉恒基.磁場(chǎng)的產(chǎn)生[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

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