交變電磁場檢測激勵探頭的仿真與結構優化

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(西南石油大學 機電工程學院，成都 610500)

圖1 ACFM檢測缺陷識別結果

交變電磁場檢測(ACFM)技術是一種新興的無損檢測技術。工件感應電流產生的磁感應強度在x方向上的Bx磁通密度曲線上出現的凹陷反映裂紋的深度，在z方向上的Bz磁通密度曲線上出現的波峰和波谷反映裂紋的長度；因此只需得到Bx和Bz的特征分布，就可以分析檢測到缺陷的具體位置和尺寸[1]，ACFM檢測缺陷識別結果如圖1所示。利用ACFM技術檢測缺陷時，具有非接觸測量、無需打磨、無需標定、操作簡單等優點[2]，能較大程度減少檢測工時，降低檢測成本，在國內外鉆井平臺、鐵路軌道和鋁合金外殼飛機等的檢測工作中有十分廣泛的應用[3-4]。

目前，ACFM技術的研究是建立在模型計算和分析待測工件表面感應電流分布特征及感應磁場上的，建立模型和計算電磁場信號特征是交變電磁場準確檢測缺陷的基礎[5]。已經有大量的研究[6-8]是基于ACFM檢測原理和電磁場特性來建立不同結構和參數的激勵探頭數學模型和進行仿真分析的，特別是以U型激勵探頭模型結構為基礎的研究，但激勵探頭磁芯的幾何參數對工件缺陷檢測準確度的影響還沒有系統研究。因此，筆者通過應用軟件COMSOL Multiphysics電磁模塊建立了U型激勵探頭仿真模型，研究了各幾何參數激勵探頭的感應電磁場分布影響規律，獲得了檢測靈敏度最高的U型磁芯的幾何參數，為U型ACFM激勵探頭的結構優化提供數據參考。

1 激勵線圈仿真模型

由激勵探頭數學模型的計算方法可知，若使用交變電磁場技術對缺陷進行檢測，工件表面必須形成勻強磁場[9]。通過比較勻強電流的兩種激勵方式，用數值計算的方法得出矩形截面線圈符合ACFM檢測的要求[10]。結合交變電磁場檢測范圍的實際需要，最后采用了矩形激勵線圈套在有矩形橫梁的U型結構上作為激勵探頭結構，因為考慮線圈的繞組可層層繞制，即可忽略磁芯各處截面所形成的影響，同時U型線圈在傳感器安置上具有優勢，滿足多磁路少漏磁[11]的檢測要求，所以采用各截面為矩形的U型激勵繞組線圈。U型激勵探頭檢測工件的仿真模型和磁芯的結構示意如圖2所示。

建立的三維U型激勵線圈檢測缺陷工件的仿真模型共分為4個部分，即激勵探頭磁芯、繞組線圈、帶缺陷工件和空氣層等。激勵線圈產生的交變磁場的磁通量最大限度地匯聚到工件表面，可獲得明顯的檢測效果。此外，由磁芯加上一個或多個彼此平行的繞組繞制而成的U型線圈中，線圈繞組內芯材料為銅，電阻率為0.01 Ω·m，導線直徑為0.15 mm，線圈匝數為500；內芯再接入頻率為6 kHz，幅值為0.2 A的正弦電流。磁芯底面距離缺陷工件表面3 mm，裂紋位于工件中心，簡化缺陷為矩形凹槽，填充空氣。考慮電磁場在空氣中的衰減，在激勵探頭和工件模型外圍設置邊界，此邊界域假定為磁場的無限遠處，這部分區域為空氣層。模型參數以一般ACFM激勵探頭的尺寸作為初設定值，具體參數如表1所示。

圖2 U型激勵探頭檢測工件的仿真模型和磁芯的結構示意

對模型工件和線圈表面采用分區域的形式進行網格劃分，工件缺陷尺寸較小，若采用大網格的劃分方法，則檢測精確度低[12]，所以必須在缺陷處細化網格，以保證檢測精度，同時能避免計算時的資源浪費。仿真模型的網格劃分如圖3所示。

表1 U型激勵線圈檢測工件仿真模型的參數

2 計算結果與分析

在距離工件外部1 mm正對缺陷中心位置處，沿缺陷走向各延伸30 mm來設置感應磁場的測量路徑，可以更準確地得到路徑上的磁感應強度分量Bx和Bz的變化曲線[13]，通過電磁場模塊來對U型激勵線圈檢測缺陷工件的仿真模型進行物理場仿真分析，仿真得到的被測工件表面感應電流分布情況如圖4所示，工件表面感應磁場分量的特征曲線如圖5所示。

圖3 仿真模型的網格劃分

圖4 工件表面感應電流的矢量分布

圖5 工件表面感應磁場分量的特征曲線

由圖4可知，模型中的感應電流特征分布符合ACFM檢測的理論結果[14-15]。從圖5可以看出，分量Bx圖中的凹陷和Bz分量圖的波峰波谷間距很明顯地表現出了缺陷的位置和缺陷的尺寸，而且合成的蝴蝶圖能夠很好地閉合，可以實現ACFM對缺陷的監測分析結果，說明建立的仿真模型合理。由于磁感應分量Bx和Bz都可以體現具體位置的磁感應密度，只分析Bz分量隨參數變化的特征值，將檢測到兩個峰值間的距離與缺陷限定值相比較，用得到的相對誤差δ來判定激勵線圈結構的幾何參數對缺陷檢測靈敏度和準確度的影響。以初設模型為基準，調整激勵線圈的磁芯腿部高度h，腿部底面與底板距離保持不變，通過對多組磁芯腿部數據的分析，得出磁感應信號分量Bz的特征分布規律。分量Bz隨磁芯腿部高度h的變化曲線如圖6所示，Bz峰值隨磁芯腿部高度h的變化曲線如圖7所示，Bz的特征值隨磁芯腿部高度h的變化數據如表2所示。

圖6 分量Bz隨磁芯腿部高度h的變化曲線

圖7 Bz峰值隨磁芯腿部高度h的變化曲線

從圖6，7和表2可以看到，當磁芯腿部高度h在87.5～137.5 mm之間變化時，隨著h的增加，磁通密度分量Bz的大小逐漸降低，缺陷的特征值曲線變化趨勢并不明顯。通過波峰波谷的間距反映出的裂紋長度L，可以得出磁芯腿部高度大于117.5 mm時，檢測誤差較大，對結果影響很大。特別地，當h小于87.5 mm時，磁通密度并不隨著h的增加而一直增加，而是出現了回落現象。由此可知，在U型激勵探頭的磁芯腿部高度不妨礙檢測傳感器正常工作的情況下，可以適當地減小腿部高度h。當腿部高度達到87.5 mm時，缺陷定位更加靈敏，缺陷尺寸信息更準確。

以初設模型為基準，對激勵線圈磁芯上部長度ω進行調整，通過對多組數據的分析，得出磁感應信信號Bz分量的特征分布規律，仿真結果如圖8，9所示，各參數特征值如表3所示。

表2 Bz的特征值隨磁芯腿部高度h的變化數據

圖8 分量Bz隨磁芯上部長度w的變化曲線

圖9 分量Bz的峰值隨磁芯上部長度w的變化曲線

上部長度w/mmBz波谷位置Dz1/mmBz波峰位置Dz2/mm裂紋長度檢測值L/mmL檢測誤差δ/%160-8.0328.08116.1130.707180-7.9757.95815.9330.419200-7.9998.05116.0500.313220-7.9618.00315.9640.225240-7.9328.01015.9420.363260-7.8757.93215.9071.121

分析圖8，9可知，當上部磁芯長度w以20 mm的間距增加時，磁通密度分量Bz隨著w的上升并不呈連續增長的趨勢，雖然在180～220 mm之間有較好的特征值，表3中缺陷長度L的檢測誤差δ相較之下也較小，缺陷位置信息較容易被采集和識別，但對數據整體分析來看，磁芯上部長度w的變化對缺陷檢測準確度的影響很小。

以初始模型為基準，以磁芯腿部截面為參考，保持激勵線圈截面長度l不變，對截面寬度s(磁芯腿部y方向尺寸)進行調整，通過對多組數據的分析,得出磁感應信號Bz分量的特征分布規律，其仿真結果如圖10，11所示，Bz的特征值隨磁芯腿部截面尺寸的變化數據如表4所示。

圖10 分量Bz隨磁芯腿部截面尺寸變化曲線

圖11 分量Bz的峰值隨磁芯腿部截面尺寸變化曲線

尺寸(長×寬)/mmBz波谷位置Dz1/mmBz波峰位置Dz2/mm裂紋長度檢測值L/mmL檢測誤差δ/%35×20-8.0328.08116.1130.70635×30-7.9637.97816.9410.35635×40-8.0037.95115.9540.28835×50-7.9998.05116.0500.31335×60-7.9728.00615.9780.13835×70-7.9897.97415.9630.231

分析Bz分量的曲線圖，可以看到，在保持截面長度l不變的情況下，逐漸增大磁芯腿部截面寬度s，磁通密度分量Bz在波峰和波谷處有隨著s上升而增大的趨勢，有突出的特征信號，但不是一直在增加，超過一定范圍后，有保持不變的趨勢。同時，通過分析數據表中缺陷長度L的檢測誤差δ，得出當磁芯寬度s為60 mm時誤差較小，說明此時對缺陷尺寸檢測準確度的影響較小，即磁芯腿部寬度s保持在60 mm左右，更有利于數據的采集處理、缺陷位置的檢測和尺寸信息的獲取，能夠得到較好的靈敏度和準確度。從以上研究中得出磁芯參數對缺陷檢測精確度影響的規律，按照實際檢測工作的要求，選定線圈腿部高度為97.5 mm、鐵芯上部長度為200 mm和線圈截面尺寸(長×寬)為35 mm×70 mm這一最優組合,得出其磁感應強度Bz分量的特征值曲線(見圖12)。

圖12 最優組合下磁感應強度Bz分量的特征值曲線

3 結論

在仿真研究中，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對交變電磁場檢測U型激勵線圈模型的幾何參數進行了調整，得到了激勵線圈磁芯的腿部高度、上部長度、截面長和寬的變化對缺陷檢測準確度的影響；對比分析得出了U型激勵探頭磁芯的腿部高度在不妨礙檢測傳感器正常工作的情況下可適當減小，現有模型中可減小到87.5 mm，這樣在檢測波形處理的過程中，缺陷定位更加靈敏，檢測到的缺陷尺寸信息更加準確。其磁芯上部長度在實際應用中需考慮檢測環境的需要，因為過長會導致探頭尺寸過大而影響檢測工作的正常進行，過短則導致檢測缺陷具有局部性；且上部長度對檢測結果并不敏感，故在現有模型中可將上部長度設置為200 mm，在生產中也可根據需要選取適當尺寸；磁芯腿部y方向的尺寸相對取較大值，即磁芯腿部寬度保持在60 mm左右，有利于數據采集處理、缺陷位置檢測和尺寸信息的獲取，能夠得到較好的靈敏度和準確度，故可將截面尺寸設置為35 mm×50 mm(長×寬)。以上的結論為ACFM交變電磁場激勵探頭結構的優化提供參考依據。