基于磁場測量的脈沖遠(yuǎn)場渦流非磁性平板仿真

曹丕宇， 周德強(qiáng),2,3， 王 華， 孫閃閃

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122； 2.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌航空大學(xué),江西 南昌330063； 3.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)

0 引 言

各類導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，因這些導(dǎo)體制作的關(guān)鍵零部件有些工作于高溫、高壓、高速等極端、惡劣的環(huán)境，有些存在超負(fù)荷工作或者服役時(shí)間過長的情況，這些都存在很大的安全隱患，因此對這些關(guān)鍵零部件進(jìn)行定期的無損檢測就尤為重要。遠(yuǎn)場渦流技術(shù)具有內(nèi)外壁缺陷檢測靈敏度一致、受提離效應(yīng)影響小、不受集膚效應(yīng)的影響等優(yōu)勢，因此近年來，遠(yuǎn)場渦流技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

日本橫濱國立大學(xué)Kasai N等人采用遠(yuǎn)場渦流技術(shù)對石油儲(chǔ)罐底板進(jìn)行了檢測[1]，但其采用正弦激勵(lì)的方式，使得檢測信號頻譜成分單一且功耗較大； Sun Y S等人將遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)的檢測之中[2]，通過對傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對多層結(jié)構(gòu)中深層缺陷的檢測，但沒有給出傳感器的具體設(shè)計(jì)方案；張輝、楊賓峰等人采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,仿真分析了基于連通磁路的脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器的聚磁效果,研究了該傳感器對管道軸向內(nèi)外壁裂紋缺陷的定量評估能力,比較了檢測線圈處于不同位置時(shí)的缺陷分類識(shí)別效果[3]，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于連通磁路的脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器對管道軸向裂紋缺陷深度的定量能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器可以很好地實(shí)現(xiàn)對缺陷的定量評估。胥俊敏等人提出了脈沖遠(yuǎn)場渦流的磁場抑制技術(shù)[4]，有效地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場渦流的磁場抑制與信號增強(qiáng)。劉相彪等人采用了主成分分析—獨(dú)立分

量分析(principal component analysis-independent component analysis, PCA-ICA)[5]，結(jié)合了PCA技術(shù)與ICA技術(shù)各自的優(yōu)勢，提出了PCA-ICA聯(lián)合消噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單通道信號欠定條件下缺陷信號與磁導(dǎo)率不均等噪聲的分離，提高了脈沖遠(yuǎn)場渦流缺陷識(shí)別與定量評估的精度。

通常的脈沖遠(yuǎn)場渦流技術(shù)是采用一定占空比的方波激勵(lì)信號施加于激勵(lì)線圈，并在遠(yuǎn)場區(qū)拾取感應(yīng)線圈的電壓信號。上述的研究中在仿真和實(shí)驗(yàn)均是采用感應(yīng)線圈拾取遠(yuǎn)場區(qū)的磁場信號，但是感應(yīng)線圈體積較大、控件分辨率低且在低頻域靈敏度較差[6]。

本文通過有限元仿真，主要研究基于磁場測量的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測非磁性平板技術(shù)。采用固態(tài)磁場傳感器拾取遠(yuǎn)場區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度信號，以實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位及定量分析。

1 基于磁場測量的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理

由于金屬平板構(gòu)件不具備管道的屏蔽作用，當(dāng)傳感器位于平板上方時(shí)，穿透平板向下傳播的磁場由于受到衰減而弱于板上磁場，因而在磁場傳播過程中，板下磁場會(huì)弱于板上磁場，從而無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場渦流現(xiàn)象。為了在平板中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)，選擇對激勵(lì)線圈進(jìn)行屏蔽處理，以削減直接耦合磁場。

如圖1所示，脈沖遠(yuǎn)場渦流探頭由間隔一定距離的激勵(lì)線圈和磁場傳感器組成。通過對激勵(lì)線圈施加脈沖激勵(lì)，會(huì)在激勵(lì)線圈附近產(chǎn)生磁場，通過對激勵(lì)線圈進(jìn)行屏蔽處理來阻止直接耦合通道，使得磁場的直接耦合分量快速衰減，而間接耦合分量衰減較慢，因此在遠(yuǎn)場區(qū)間接耦合分量會(huì)強(qiáng)于直接耦合分量，產(chǎn)生二次穿透[7]。由于二次穿透平板的磁場帶有缺陷信息，通過霍爾元件拾取遠(yuǎn)場區(qū)的磁通密度信號，即可實(shí)現(xiàn)非磁性平板的檢測。

圖1 基于磁場測量的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理

2 仿真模型建立與仿真結(jié)果分析

2.1 仿真模型建立

在多物理場有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics 5.3中建立遠(yuǎn)場渦流檢測模型如圖2(a)所示，一個(gè)被磁屏蔽罩包裹的激勵(lì)線圈放置在一塊鋁板上，周圍被空氣包圍，屏蔽罩的厚度為5 mm，激勵(lì)線圈的匝數(shù)為500匝，脈沖激勵(lì)的頻率為100 Hz，在距離激勵(lì)線圈20 mm處選擇了一個(gè)二維節(jié)點(diǎn)，通過拾取此點(diǎn)的磁通密度進(jìn)行研究。為了提高有限元仿真求解的計(jì)算精度，二維仿真模型中導(dǎo)電金屬板尺寸長度為300 mm遠(yuǎn)大于激勵(lì)線圈的尺寸(4 mm)，以防止模型邊界帶來的計(jì)算誤差。各材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真模型材料參數(shù)

在AC/DC模塊選擇物理場為磁場，選擇時(shí)域?qū)ζ溥M(jìn)行瞬態(tài)求解分析。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 二次穿透現(xiàn)象判定

首先要確定在對激勵(lì)線圈施加了屏蔽之后在所選擇的的二維節(jié)點(diǎn)位置是否產(chǎn)生了二次穿透現(xiàn)象。在不對間接耦合分量進(jìn)行屏蔽時(shí)，通過仿真得到一個(gè)周期(10 ms)內(nèi)所選二維節(jié)點(diǎn)處的磁通密度曲線，如圖2(b)所示。

圖2 二維軸對稱仿真模型及其仿真結(jié)果

然后采用如圖3(a)所示的方法，在鋁板上方放置一塊磁屏蔽板來屏蔽間接耦合通道，通過仿真得到一個(gè)周期內(nèi)所選二維節(jié)點(diǎn)處的磁通密度曲線，如圖3(b)所示。

圖3 間接耦合通道屏蔽模型及其仿真結(jié)果

由圖2和圖3可以看出，在對間接耦合分量進(jìn)行屏蔽之后得到的磁通密度信號不足原來的0.1%，由此可見采用圖2(a)所示的方法對激勵(lì)線圈進(jìn)行磁屏蔽后，直接耦合分量被大大削弱，在所選擇的二維節(jié)點(diǎn)處所得到的磁通密度信號主要來源于間接耦合分量，因此，在此二維節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了二次穿透現(xiàn)象。這些間接耦合分量攜帶有缺陷相關(guān)的信息，所以使用圖2(a)的模型進(jìn)行下一步的仿真分析。

2.2.2 不同位置缺陷檢測效果對比

分別選擇激勵(lì)線圈下方，激勵(lì)線圈與二維節(jié)點(diǎn)中間，二維節(jié)點(diǎn)下方以及二維節(jié)點(diǎn)右側(cè)4個(gè)不同位置的缺陷進(jìn)行仿真分析，將仿真得到的一個(gè)周期內(nèi)的磁通密度曲線與原始信號(無缺陷的磁通密度曲線)進(jìn)行差分，目的是通過仿真結(jié)果研究缺陷位置與檢測效果之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位。其中缺陷的寬度均為4 mm，深度分別為0.5，1.5，2.5，3.5，4.5 mm,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同位置缺陷檢測效果對比

由圖4(a)可以看出，當(dāng)缺陷位于所選二維節(jié)點(diǎn)與激勵(lì)線圈中間以及激勵(lì)線圈下方時(shí)差分信號比其他三個(gè)位置高1個(gè)數(shù)量級且曲線最為光滑，因此，可以確定當(dāng)缺陷位于所選二維節(jié)點(diǎn)與激勵(lì)線圈中間以及激勵(lì)線圈下方時(shí)檢測效果最好，然后通過圖4(b)中的仿真數(shù)據(jù)做出缺陷深度與磁通密度差分幅值的關(guān)系圖，如圖5所示，從圖中可以看出磁通密度差分幅值與缺陷深度密切相關(guān)，磁通密度差分幅值隨著缺陷深度的增加而增加，并且具有很好的線性關(guān)系，因此說明通過對遠(yuǎn)場區(qū)感應(yīng)產(chǎn)生的磁通密度幅值可以實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位和定量檢測。

圖5 缺陷深度與磁通密度差分幅值關(guān)系

3 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場渦流檢測方法不同，本文提出了基于磁場測量的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測，在分析了基于磁場測量的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理的基礎(chǔ)上，通過有限元建模，仿真分析了對激勵(lì)線圈施加屏蔽之后是否可以產(chǎn)生二次穿透現(xiàn)象，對比和分析了不同位置的缺陷對檢測效果的影響以及不同尺寸的深層缺陷下遠(yuǎn)場區(qū)所產(chǎn)生的磁通密度差分幅值與缺陷之尺寸之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明：通過對激勵(lì)線圈施加屏蔽可以產(chǎn)生二次穿透現(xiàn)象，當(dāng)缺陷位于所選二維節(jié)點(diǎn)與激勵(lì)線圈中間時(shí)檢測效果最好，缺陷深度與磁通密度差分幅值密切相關(guān)，并且具有良好的線性關(guān)系，因此可以實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位以及定量檢測。