鐵磁性材料缺陷的脈沖渦流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任旭虎，張圣坤，張 振

(中國石油大學(xué)(華東) 海洋與空間信息學(xué)院，青島 266580)

脈沖渦流(Pulsed Eddy Current，PEC)檢測技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù)，以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，根據(jù)檢測所得到電信號的變化來判定檢測試件的缺陷位置以及缺陷情況[1-2]。

PEC檢測信號頻率豐富，信號中所包含的低頻渦流信號能夠穿過較薄的金屬層以及較厚的非金屬層，實(shí)現(xiàn)對金屬構(gòu)件較深處的檢測。

與傳統(tǒng)渦流傳感器相比，PEC傳感器激勵(lì)線圈激發(fā)的磁場幅值大，在大提離下仍然可測得檢測信號；同時(shí)PEC傳感器覆蓋面積大，能夠檢測到大面積的金屬腐蝕[3]。

1 脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測原理示意如圖1所示，將信號源產(chǎn)生的具有一定脈沖寬度的方波電流施加于激勵(lì)線圈，在方波電流的上升沿與下降沿瞬間，激勵(lì)線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)快速衰減的一次磁場，衰減的一次磁場在金屬試件中產(chǎn)生感應(yīng)渦流[4]。感應(yīng)渦流的變化產(chǎn)生二次磁場，檢測線圈將感應(yīng)到的變化的二次磁場信息轉(zhuǎn)為電壓信息。若金屬試件存在缺陷，則會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)渦流發(fā)生變化，最終檢測線圈感應(yīng)到的電壓信號發(fā)生變化，通過對變化的電壓信號進(jìn)行分析從而確定金屬試件的缺陷情況[5]。

圖1 脈沖渦流檢測原理示意

檢測線圈放大后的感應(yīng)電壓信號如圖2所示，對于多匝導(dǎo)線的檢測線圈上感應(yīng)電壓信號的計(jì)算，可采用有限元的數(shù)值計(jì)算方法。

圖2 檢測線圈放大后的感應(yīng)電壓信號

可通過理想化方式將線圈銅線的橫截面看成每一個(gè)點(diǎn)的構(gòu)成，運(yùn)用麥克斯韋方程，則每個(gè)點(diǎn)的瞬態(tài)感應(yīng)電壓為

(1)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；A為矢量磁位;l為理想化時(shí)單匝線圈的長度單位。

因此單匝線圈的瞬態(tài)感應(yīng)電壓為

Vf=?Vpit(r,z,t)drdz/((?drdz)

(2)

式中：r，z為檢測線圈的半徑，高度；t為積分時(shí)間。

利用有限元的方法計(jì)算，式(1)為

(3)

式中：r0為有限元檢測半徑；h0為有限元檢測線圈與導(dǎo)體表面間的距離。

將式(2)代入式(3)可得檢測線圈上的瞬態(tài)感應(yīng)電壓[6-7]

(4)

式中：Δj為第j個(gè)有限元的面積；rcj為有限元的中心距離；Acj為中心矢量磁位；N為線圈的匝數(shù)。

2 傳感器設(shè)計(jì)及仿真

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示，上位機(jī)通過控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生幅度、頻率以及占空比均可調(diào)的雙極性脈沖信號，脈沖信號通過H橋電路后,產(chǎn)生脈沖電流驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈放置于帶包覆層鐵磁性材料的上表面，檢測線圈將采集的二次磁場信息轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波的調(diào)理，調(diào)理后的信號通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，最終通過串口傳送至上位機(jī)，上位機(jī)對采集到的信號進(jìn)行顯示、分析、計(jì)算與存儲(chǔ)。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程

根據(jù)渦流信號時(shí)域與頻域特征值的實(shí)時(shí)變化情況，檢測當(dāng)前材料是否存在缺陷，通過渦流信號峰值與鐵磁性材料厚度之間的對應(yīng)關(guān)系，建立峰值信號與厚度之間的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行最佳曲線擬合，得到兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并對材料的板厚進(jìn)行反演計(jì)算,確定材料的厚度信息。

傳感器采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過兩個(gè)激勵(lì)線圈的聯(lián)合使用，對激勵(lì)線圈 1加載一個(gè)較大的激勵(lì)電流，并且同時(shí)在激勵(lì)線圈2加載一個(gè)較小的反向電流,使得激勵(lì)磁場的空間范圍得到約束，可實(shí)現(xiàn)磁場聚焦的作用。采用復(fù)合式激勵(lì)的方法解決了單個(gè)線圈容易受外界電磁信號干擾，以及因大激勵(lì)電流帶來的磁場范圍過大的情況，保證了采集信號的穩(wěn)定性與缺陷檢測的精確性，仿真步驟如下。

2.1 搭建仿真模型

在COMSOL軟件中搭建的傳感器模型如圖4所示，激勵(lì)線圈與檢測線圈均等效為圓柱體模型，被測金屬試件簡化為正方體模型，將空氣場簡化為球體模型。以三維結(jié)構(gòu)建模，傳感器組成部分的參數(shù)如下：檢測線圈的內(nèi)徑為8 mm，外徑為15 mm，線徑為0.31 mm，匝數(shù)為600匝；激勵(lì)線圈1的內(nèi)徑為20 mm，外徑為28 mm，線徑為0.81 mm，匝數(shù)為400匝；激勵(lì)線圈2的內(nèi)徑為34 mm，外徑為38 mm，線徑為0.31 mm，匝數(shù)為200匝，線圈高度均為15 mm?？諝鈭霭霃皆O(shè)置為150 mm，設(shè)置金屬試件為邊長100 mm，厚度10 mm的正方體。

圖4 傳感器模型

2.2 添加物理場

添加物理場前對模型的材料進(jìn)行如下選擇：空氣場模型材料為空氣，線圈為絕緣純銅漆包線，線圈材料為銅，金屬試件材料為鋼。在COMSOL軟件中，選擇物理場中的磁場模塊，研究類型為瞬態(tài)研究，用于計(jì)算場變量隨時(shí)間變化的情況。最后選擇模型邊界為狄利克雷邊界，設(shè)置磁矢為0。

2.3 劃分模型網(wǎng)格

對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分選擇自由剖分的三角形網(wǎng)格類型，網(wǎng)格劃分越密，則計(jì)算結(jié)果越精確，仿真越接近真實(shí)情況，同時(shí)不同的網(wǎng)格劃分程度也有助于提高工作效率。針對不同研究內(nèi)容進(jìn)行不同疏密的網(wǎng)格劃分。模型網(wǎng)格劃分示意如圖5所示，選擇傳感器及被測金屬試件的網(wǎng)格劃分較密，其余部分自由劃分網(wǎng)格。

圖5 模型網(wǎng)格劃分示意

2.4 求解仿真模型

網(wǎng)格劃分完成后，對激勵(lì)線圈1施加脈沖激勵(lì)電流為2 A，對激勵(lì)線圈2施加激勵(lì)電流為1 A，占空比均為50%，對線圈1與線圈2施加相反方向電流，求解仿真模型。激勵(lì)線圈1施加的激勵(lì)電流示意如圖6所示，檢測線圈感應(yīng)電壓仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 激勵(lì)線圈1施加的激勵(lì)電流示意

圖7 檢測線圈感應(yīng)電壓仿真結(jié)果

搭建單個(gè)激勵(lì)線圈的傳感器模型，設(shè)置其激勵(lì)線圈尺寸與激勵(lì)線圈1的尺寸一致。對兩種不同激勵(lì)線圈傳感器進(jìn)行仿真，保證金屬試件模型以及缺陷深度一致，仿真所得峰值電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真所得的峰值電壓

分析數(shù)據(jù)可知，單激勵(lì)線圈傳感器所得的電壓信號峰值大于復(fù)合式傳感器的，但是無缺陷時(shí)與存在缺陷時(shí)的電壓信號差值相對更小，峰值變化相對于復(fù)合式線圈較小，因此采用復(fù)合式傳感器在檢測缺陷時(shí)更加精確，更具有檢測優(yōu)勢。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室加工了一批Q235鋼板試件，對鋼板進(jìn)行挖槽、切割等缺陷處理，采用巖棉板模擬包覆層材料，保持巖棉板包覆層材料厚度為20 mm不變，利用脈沖渦流檢測系統(tǒng)對鋼板進(jìn)行缺陷檢測，觀察上位機(jī)軟件界面中電壓峰值的變化(見圖8)。

圖8 上位機(jī)軟件界面中電壓峰值的變化示意

傳感器移動(dòng)方向示意如圖9所示，保持傳感器以1 cm·s-1的速率沿鋼板邊界橫向移動(dòng)，以鋼板邊界位置記做0 cm，由圖8可知，渦流信號的峰值在距離鋼板邊界位置7.8 cm處發(fā)生變化，且變化趨勢相同，由此可確定金屬試件在該處位置存在厚度變化，即該處有缺陷。

圖9 傳感器移動(dòng)方向示意

針對不同程度的缺陷，對其時(shí)域信號進(jìn)行傅里葉變換,得到其頻域分布如圖10所示。

圖10 缺陷檢測信號頻域分布

對檢測信號的頻譜進(jìn)行分析，提取其基波分量及諧波分量的幅值，不同缺陷深度的鋼板對應(yīng)不同的信號幅值(見表2)，缺陷深度由2 mm增加到5 mm時(shí)，基波幅值變化最大。則可以在頻域范圍內(nèi)通過檢測基波的幅值來確定鋼板的缺陷情況。

表2 不同缺陷深度的鋼板對應(yīng)的信號幅值

采用巖棉板模擬包覆層材料，保持巖棉板厚度20 mm不變，鋼板厚度分別為12,10,9,8,6,5 mm，保持鋼板試件階梯狀放置，用檢測系統(tǒng)對不同試件進(jìn)行檢測，保存不同厚度試件的渦流信號峰值數(shù)據(jù)，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，所得擬合曲線如圖11所示。

圖11 峰值曲線擬合

選擇擬合函數(shù)為多項(xiàng)式擬合，擬合方法為最小二乘法，階數(shù)為3階，則擬合所得多項(xiàng)式為

y=-4.599x3+87.786x2-563.74x+1 217.042

(5)

對鋼板試件進(jìn)行測量，保存峰值數(shù)據(jù)，并代入多項(xiàng)式計(jì)算得出未知厚度的鋼板試件數(shù)據(jù)，取3次測量結(jié)果的平均值，所得結(jié)果如表3所示。

表3 鋼板厚度數(shù)據(jù)測量結(jié)果

4 結(jié)語

針對油氣田行業(yè)帶包覆層鐵磁性材料缺陷不易檢測的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套金屬材料缺陷的脈沖渦流檢測系統(tǒng)。通過新型傳感器的仿真與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了缺陷位置的精確測定，同時(shí)系統(tǒng)可以有效測量金屬材料的厚度。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)能夠檢測包覆層小于20 mm的金屬材料缺陷，厚度檢測精度誤差達(dá)到3%以內(nèi)。