基于渦流效應對磁聚焦傳感器設計研究

張濤

(陜西國防工業職業技術學院， 智能制造學院， 陜西， 西安 710300)

0 引言

脈沖渦流檢測技術被廣泛應用于評價埋地金屬管道壁厚，該技術與其他檢測技術相比，具備非開挖，非接觸，實現管道在線運營檢測，很大程度上降低檢測成本等優勢。但是目前該技術在實際工況檢測過程中也暴露出一些缺點，如：應用范圍小、檢測靈敏度低、磁場不聚焦等。傳統的脈沖渦流檢測技術都是以單線圈作為激勵傳感器，線圈參數為邊長L=1 m的方形線圈，該激勵傳感器在空間產生的磁場有效覆蓋管道長度為線圈邊長與2倍的管道埋深之和，且該技術的檢測電壓信號非常微弱，一般達到mV或者μV級別。如果磁場有效覆蓋范圍太大將會使一些有用的信號被淹沒，降低檢測結果的準確性，同時也讓該技術在城市中并行或者重疊管道檢測的應用受到限制。因此，南昌航空航天大學于潤橋教授、吳莉佳對埋地管道的磁場分布進行分析研究，成都信息工程學院譚偉強通過線圈陣列來使磁場聚焦，以便擴大脈沖渦流技術的適用性[1-3]。

1 脈沖渦流檢測數學模型

脈沖渦流檢測技術是通過給激勵傳感器施加正弦波在空間形成穩定的電磁場，電磁場擴散至埋地金屬管道表面形成渦流效應[5]。假設施加信號頻率為w，激發傳感器外徑為y=AeBx，工件位于z=0的平面上，模型在柱坐標系中如圖1所示，在任一(r，θ，z)處的渦流密度看作Jz，工件表面渦流密度為Je(r=re)。

圖1 渦流效應原理圖

在工件(r，θ，z)處，渦流密度徑向的數值為

(1)

式中，λ=r/re，帶入上述公式表明：在r=re時，渦流密度最大值為Jo。在傳感器正下方距離越遠渦流密度以指數形式衰減，在(re，θ，z)位置渦流密度如式(2)，

(2)

其中，δ代表渦流的趨膚深度。

2 單線圈建模

傳統的單線圈傳感器形狀一般選用正方形，參數：邊長L=1 m，線圈匝數N=180，施加電流I=1.5 A，采用漆包線直徑d=1 mm纏繞在方形線圈制成。由于載流線圈空間的電磁場理論計算解析式復雜，所以借助ANSYS Maxwell電磁學仿真軟件對線圈空間電磁場的分布情況進行仿真。采用仿真軟件中的3D模塊進行創建模型如圖2所示，線圈幾何中心與XOY平面原點重合，電流方向為逆時針，漆包線材料設置為銅，磁導率0.999 91，電導率58 000 000。整個計算區域為正方體(6 m×6 m×6 m)，計算區域填充空氣介質，坐標參數為(x∈(-3，3)，y∈(-3，3)，z∈(-3，3))。采用自由劃分網格數量60 000，網格越細計算精度越高，但計算速度較慢。在線圈垂直向下1 m處創建平面，網格數量24 000，用來確定磁場分布云圖，添加求解器，設置計算疊加次數25，計算精度0.02，計算得出空間的電磁場的分布情況[6-7]。

圖2 單線圈傳感器模型

通過電磁仿真計算得到單線圈傳感器在垂直方向z=-1 m處的磁場分布云圖及磁感應強度梯度如圖3、圖4所示。

圖3 單線圈傳感器磁場分布云圖

圖4 單線圈傳感器磁場分布梯度

可以看出單線圈傳感器磁場在空間某個平面分布是半徑不同的圓環區域，磁場能量分布不集中，分布區域大約為R=500 mm，磁感應強度最大為B=0.81×10-5T，且磁場強度分布梯度較小，從而引發檢測靈敏度不高的情況。

3 磁聚焦傳感器總體設計

3.1 磁聚焦傳感器結構設計

設計一種適用于評價埋地金屬管道磁聚焦傳感器，主要是依據電磁場可以進行矢量疊加的特性，通過合理的設計傳感器外形結構，利用施加磁芯的方法來使磁場能量聚集在小的區域。傳統單線圈傳感器磁場覆蓋范圍R=0.5 m的圓形區域，磁感應強度B=0.81×10-5T。本次設計要求在此基礎上進行大幅度提高，一是要求磁場強度主要集中R<0.35 m的圓形區域，二是要求磁感應強度應B>1.35×10-5T且磁場分布梯度大，設計原則符合技術標準規定，確保性能穩定，質量輕等特點。根據上述要求設計出幾種具有磁聚焦特性的傳感器，對比各項性能參數最終確定合理的結構，磁聚焦傳感器總體結構頭如圖5所示。截面如圖6所示。

圖5 磁聚焦傳感器總體結構頭

圖6 傳感器截面圖

磁聚焦傳感器結構包括圓錐形骨架及表面纏繞的線圈，圓錐骨架中心位置安裝有磁芯。線圈分為激發線圈和檢測線圈，激發線圈安裝接線柱1用于連接外部電源設備，給激發線圈施加電流信號，檢測線圈安裝接線柱2用于連接外界數據處理端口，激發線圈和檢測線圈之間有絕緣皮圈起物理隔離作用。所設置的磁芯為圓柱形，材質具有鐵磁性，在安裝磁芯時需要確保與圓錐骨架中心線一致，在磁芯外表面和圓錐骨架內表面之間有四氟布起絕緣作用。本設計采用圓錐狀主要是通過改變激發線圈和檢測線圈相對位置來進行一次聚焦，在通過高鐵磁性的磁芯對產生的空間電磁場進行二次聚焦，確保磁場聚集在小的區域，實現磁聚焦提高檢測的準確性和靈敏度。

3.2 磁聚焦傳感器工作原理

通過接線柱1外接信號激發裝置，施加階躍型信號給激發線圈在空間形成電磁場，利用設計的圓錐形骨架使電磁場進行一次聚焦，然后在磁芯的作用下對磁場再進行二次聚焦，目的是束縛磁力線，達到提高磁場強度的作用?？臻g聚焦磁場擴散到金屬管道表面形成渦流，渦流發生歐姆消耗在空間形成渦流場被檢測線圈接收并以電壓的形式通過接線柱2傳輸到數據分析軟件進行處理，進一步對金屬管道腐蝕情況進行評價，檢測原理圖[8-10]如圖7所示。

圖7 磁聚焦傳感器檢測原理圖

3.3 磁聚焦傳感器建模仿真

通過脈沖渦流檢測技術工作原理在Maxwell仿真軟件中建立模型如圖8、圖9所示，由于線圈結構復雜所以采用厚度較小的圓環替代。傳感器結構主要包括：圓錐形骨架、激發線圈、檢測線圈、四氟布、絕緣皮圈及磁芯。采用仿真軟件計算最重要的是存在邊界，進一步將傳感器所有的結構包裹在封閉的空氣區域。建模過程采用參數化目的在于后期更好的研究傳感器某個參數對聚焦效果的影響，根據后期數據處理的要求需要得到渦流場在整個衰減過程變化，特此設置Transient瞬態求解器滿足條件。整個傳感器位于正方體的區域內，正方體的幾何中心坐標為(x=0,y=0,z=0))，長×寬×高=3 m×3 m×3 m，材料為空氣，網格精度Δx=Δy=Δz=0.1 m，激發線圈和檢測線圈的網格精度為Δx=Δy=Δz=0.15 m，磁芯網格精度為Δx=Δy=Δz=0.5 m，網格精度越小則計算精度越高，但計算速度較慢，可以根據軟件采用自由劃分網格的方法。下面是組成傳感器各個部分的模型參數，如表1所示。

圖8 磁聚焦傳感器三維仿真模型

圖9 磁聚焦傳感器俯視圖

表1 傳感器各個部分的模型參數

3.4 仿真結果分析

通過建立合理的仿真模型，劃分合適的網格精度，設置滿足要求的瞬態求解器，經過計算得到磁聚焦傳感器垂直方向(Z=-1 m)的空間磁場分布情況。由圖10和圖11可以看出：磁感應強度B=1.736×10-5T，磁場能力主要聚集在半徑R=280 mm的區域內。通過數據對比可知：所設計的新型傳感器對空間電磁場有聚焦效果，比傳統的單線圈傳感器磁場范圍縮小了44%，磁感應強度提高了53.3%；對比磁場梯度分析，由圖12也明顯看出新型磁聚焦傳感器比傳感單線圈傳感器梯度增大，進一步表新型傳感器的效果參數滿足設計要求。對后期數據分析與處理及提高脈沖渦流檢測技術的精度和靈敏度有著重要作用。

圖10 磁聚焦傳感器磁場分布情況

圖11 磁聚焦傳感器磁感應分布梯度

圖12 磁場強度梯度對比

4 總結

針對脈沖渦流檢測技術關鍵部件傳感器進行研究，主要目的是提高檢測技術的應用范圍，滿足城市熱力和壓力管道的使用環境。根據設計要求設計出一種新型具有磁聚焦功能的傳感器，主要由激發線圈、檢測線圈、繞線骨架及磁芯構成。利用有限元仿真軟件進行三維模擬仿真，對比新型磁聚焦傳感器和傳統傳感器的主要參數，結果表明：磁聚焦傳感器在磁場聚焦和磁感應強度方面有著很大優勢，磁場集中范圍由原來的R=300 mm縮小到R=280 mm，磁感應強度B=1.736×10-5T，提高了53.3%，且磁聚焦傳感器的磁場分布梯度較大，滿足設計要求的性能指標。因此磁聚焦傳感器將為脈沖渦流技術在城市熱力和壓力管道的應用提供關鍵部件，也進一步提高埋地金屬管道局部缺陷的檢測靈敏度，為管道運輸行業保駕護航。