脈沖渦流測(cè)厚參數(shù)的優(yōu)化

馮小勤,魏東旭

(淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院,江蘇淮安 223300)

脈沖渦流測(cè)厚參數(shù)的優(yōu)化

馮小勤,魏東旭

(淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院,江蘇淮安 223300)

脈沖渦流檢測(cè)是現(xiàn)代無損檢測(cè)技術(shù)的重要方法之一.由于其出眾的檢測(cè)能力,目前已廣泛應(yīng)用于金屬測(cè)厚等領(lǐng)域.文章基于COMSOL軟件,建立了脈沖渦流測(cè)厚系統(tǒng),對(duì)4種不同厚度的磁性和非磁性材料試件進(jìn)行了測(cè)厚仿真的分析研究,并對(duì)影響厚度特征判別的測(cè)量參數(shù) TC進(jìn)行了優(yōu)化,得到了優(yōu)化后的仿真結(jié)果,得出了不同厚度材料檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)及特征判別的依據(jù).

無損檢測(cè);脈沖渦流;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì);特征判別

0 引言

金屬厚度的檢測(cè)在許多方面都有應(yīng)用,如金屬板(銅、鋁、鋼板等)軋制過程中的厚度檢測(cè)、各類金屬中缺陷的檢測(cè)等[1].目前,射線測(cè)厚存在射線源防護(hù)問題,對(duì)操作人員身體易造成傷害;接觸式測(cè)厚雖然測(cè)量精度較高,但在被測(cè)金屬高速運(yùn)動(dòng)情況下,與被測(cè)金屬之間長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)造成傳感器的磨損,影響測(cè)量精度,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)劃傷金屬表面而降低產(chǎn)品的質(zhì)量;超聲波測(cè)厚在檢測(cè)薄金屬厚度時(shí)檢測(cè)精度不高.渦流檢測(cè)方法與上述幾種方法相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可應(yīng)用于高溫高濕等惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[2].脈沖渦流檢測(cè)方法是近幾年發(fā)展起來的一種新的無損檢測(cè)技術(shù)(NDT).傳統(tǒng)的電渦流采用正弦電流作為激勵(lì),而脈沖渦流的激勵(lì)電流為具有一定占空比的方波.脈沖渦流方法與傳統(tǒng)電渦流方法相比檢測(cè)參數(shù)較多,可準(zhǔn)確測(cè)量出距離和厚度.因此,采用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行金屬厚度檢測(cè)的研究有重要的應(yīng)用價(jià)值.

1 COMSOL簡(jiǎn)介

COMSOL Multiphysics是一個(gè)專業(yè)有限元數(shù)值分析軟件包,是對(duì)基于偏微分方程的多物理場(chǎng)模型進(jìn)行建模和仿真計(jì)算的交互式開發(fā)環(huán)境系統(tǒng).它為科學(xué)和工程領(lǐng)域內(nèi)物理過程的建模和仿真提供了一種嶄新的技術(shù).

COMSOL Multiphysics專為描述和模擬各種物理現(xiàn)象而開發(fā),它使得建立各種物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算變得更為容易和可行.在使用COMSOL Multiphysics軟件的過程中,可以自己建立普通的偏微分方程形式,也可以使用COMSOL Multiphysics提供的特定的物理應(yīng)用模型.模型包括預(yù)先設(shè)定好的模塊和在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)通過微分方程和變量建立起來的用戶界面.此外,COMSOL Multiphysics軟件通過把任意數(shù)目的這種物理應(yīng)用模塊整合成對(duì)一個(gè)單一問題的描述,使得建立耦合問題變得更為容易.本文使用COMSOL建立脈沖渦流測(cè)厚的模型,并進(jìn)行相關(guān)仿真分析.

2 脈沖渦流測(cè)厚理論分析

激勵(lì)脈沖信號(hào)在被測(cè)試件中感應(yīng)出的脈沖渦流信號(hào)隨著距表面深度的增加呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減.脈沖渦流是在激勵(lì)脈沖信號(hào)的上升沿或者下降沿的瞬變中產(chǎn)生的.

脈沖渦流在導(dǎo)體試件內(nèi)部傳播時(shí),又會(huì)感應(yīng)出一個(gè)快速衰減的渦流磁場(chǎng),隨著渦流磁場(chǎng)的衰減,檢測(cè)線圈上就會(huì)感應(yīng)出隨著時(shí)間變化的電壓,即瞬態(tài)感應(yīng)電壓.由此可見,脈沖渦流與檢測(cè)線圈上得到的瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)相對(duì)于脈沖渦流信號(hào)來說,易于檢測(cè),所以通過測(cè)量瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào),就可以得到相關(guān)缺陷的尺寸、類型和結(jié)構(gòu)等信息[3-4].激勵(lì)脈沖信號(hào)與檢測(cè)線圈上的瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1.

從圖1中我們可以看出在位置A,感應(yīng)電壓有一個(gè)先上升后又趨向穩(wěn)態(tài)的過程.這是因?yàn)樗矐B(tài)感應(yīng)電壓是衰減的渦流磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈中感應(yīng)得到的,而渦流磁場(chǎng)在試件中傳播時(shí),由于試件厚度的不同會(huì)導(dǎo)致渦流磁場(chǎng)的衰減速度和衰減的程度不同,所以在檢測(cè)線圈中感應(yīng)的瞬態(tài)電壓的幅度和趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間不同,即對(duì)應(yīng)于圖中位置A的峰值和峰值時(shí)間不同.因此,位置A的相關(guān)參數(shù)可以很好的作為試件厚度判別的一個(gè)重要依據(jù).本文對(duì)不同厚度、不同材料的試件進(jìn)行仿真,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析.

圖1 激勵(lì)信號(hào)與瞬態(tài)感應(yīng)電壓的對(duì)應(yīng)信號(hào)

3 脈沖渦流測(cè)厚仿真分析

仿真分析中,所以我們選取鋁(Aluminum)、銅(Copper)、鎢(Tungsten)、鎳鉻合金600(Inconel 600)這4種材料進(jìn)行仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn).由于在COMSOL軟件中提供了豐富的材料庫(kù),所以只要在仿真中設(shè)置相應(yīng)的仿真材料的屬性即可選擇相關(guān)材料,非常的方便.經(jīng)過求解運(yùn)算,我們可以得到相應(yīng)的感應(yīng)電壓波形.

圖2為4種不同試件在厚度分別為:0.5,1.0,2.5,5.0,7.5和10.0mm時(shí),仿真得到的瞬時(shí)感應(yīng)電壓波形峰值的擬合圖.

圖2 測(cè)厚峰值變化擬合圖

圖3 不同 TC對(duì)應(yīng)的測(cè)厚峰值擬合

從圖2擬合的曲線中我們可以發(fā)現(xiàn):

1)在高導(dǎo)電材料銅試件上,隨著厚度增加,測(cè)厚峰值開始增加,厚度達(dá)1mm后,峰值開始減小.

2)當(dāng)材料鋁被檢測(cè)時(shí),測(cè)厚峰值開始逐漸增加,到厚度為2.55mm以后開始減小.

3)當(dāng)材料鎢被檢測(cè)時(shí),測(cè)厚峰值開始逐漸增加,到厚度為2.5mm以后開始減小.

4)而當(dāng)?shù)蛯?dǎo)電材料鎳鉻合金600被檢測(cè)時(shí),測(cè)厚峰值隨著厚度的增加而增加.

從以上的4種試件仿真實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)及曲線,我們可以得出如下結(jié)論:對(duì)于低導(dǎo)電性能材料,測(cè)厚峰值逐漸增大,不同厚度材料對(duì)應(yīng)不同峰值,可以用測(cè)厚峰值來區(qū)分材料的厚度.而對(duì)于高導(dǎo)電材料,測(cè)厚峰值隨著厚度增加先增大再減小,同一材料的不同厚度可能會(huì)呈現(xiàn)出相同的測(cè)厚感應(yīng)電壓峰值.所以測(cè)厚峰值這個(gè)參數(shù)對(duì)較高導(dǎo)電性的材料,還不能作為判斷試件厚度的標(biāo)準(zhǔn).為了提高這個(gè)重要參數(shù)對(duì)厚度特征判別的質(zhì)量,我們可以通過調(diào)節(jié)激勵(lì)脈沖信號(hào)的相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn).

4 參數(shù)優(yōu)化仿真

4.1 激勵(lì)線圈等效模型

在具體實(shí)驗(yàn)中,在激勵(lì)線圈上加一個(gè)脈沖電壓,由于激勵(lì)線圈自身的電感和電阻的存在,所以脈沖渦流檢測(cè)電路中激勵(lì)線圈的等效電路如圖4.對(duì)圖4等效電路,我們可以看作一個(gè)簡(jiǎn)單的一階動(dòng)態(tài)RL電路,激勵(lì)源為一個(gè)脈沖電壓源,我們可以作以下簡(jiǎn)單分析.由這個(gè)串聯(lián)電路,我們很容易求的電路中的電流為:

圖4 激勵(lì)電路等效模型

(1)則線圈(電感)上的電壓為:

(2)

對(duì)于參數(shù)τ(以下稱TC),它是動(dòng)態(tài)電路中一個(gè)非常重要的參數(shù).

表1 參數(shù)τ(TC)對(duì)電感電壓的影響

從表1可以看出 ,當(dāng)τ(TC)取不同值的時(shí)候,線圈上的感應(yīng)電壓表達(dá)式就不同,可以推出激勵(lì)線圈上電壓的波形也應(yīng)該是不一樣的.4.2 優(yōu)化后的仿真結(jié)果分析

我們將 TC=0.05、TC=0.1、TC=0.2、TC=0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)作為探頭的激勵(lì)信號(hào),對(duì)鋁塊重復(fù)進(jìn)行厚度測(cè)試仿真.可以得到隨著厚度變化,不同 TC的峰值擬合曲線圖(圖3).由圖3擬合曲線可以看出,隨著 TC的減小,測(cè)厚峰值逐漸趨于恒定變化,而且變化的幅度越來越大,則依據(jù) TC較小時(shí)的測(cè)厚電壓峰值來區(qū)分高導(dǎo)電材料的厚度變得更加容易.

5 結(jié)論

綜上,我們可以得出結(jié)論,測(cè)厚電壓峰值可以用來判別不同導(dǎo)電率材料的厚度;測(cè)厚電壓峰值用來作為厚度判斷的參數(shù)時(shí),需要對(duì)線圈上的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,尤其是對(duì)于高導(dǎo)電性的材料;當(dāng) TC較小時(shí),測(cè)厚峰值變化量明顯較大,此時(shí),測(cè)厚電壓峰值可以很好的作為試件厚度判別的重要依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn).

[1] 張震.脈沖渦流測(cè)厚技術(shù)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.

[2] 劉世杭,過玉清.脈沖渦流感應(yīng)測(cè)量方法的研究[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào),2001,27(6):49-52.

[3] 周昊.基于脈沖渦流信號(hào)主成分分析的金屬測(cè)厚研究[D].西安:西安理工大學(xué),2008.

[4] Yang H C,Tai CC.Pulsed eddy currentmeasurement of a conducting coating on amagnetic metal plate[J].Meas Sc Technol,2002(13):1259-1265.

[5] Tai CC,Rose J H,Moulder JC.Thickness and conductivity ofmetallic layers from pulsed eddy currentmeasurements[J].Rev Sci Instrum,1996,67(11):3965-3972.

Abstract:Pulsed eddy current testing is an important technique in modern non-destructive testingmethods.Because of its superior detection capabilities,it has beenwidely used inmetal thicknessmeasurement and other areas.And then,using the finite element analysis software COMSOL to established a pulsed eddy current thicknessmeasurement system;four kinds of different thickness of magnetic and non-magnetic material were have a thicknessmeasured simulation analysis,and the parameters TC which affecting the thicknessof themeasured have been optimization,thenwe received thewelloptimized simulation results,and reached a featuresof different thicknessmaterial and the basis for distinguishing characteristics.

Key words:NDT;pulsed eddy current;finite element analysis;optimization design;characteristics distinguish

[責(zé)任編輯:蔣海龍]

The Parameter Optim ization of Pulsed Eddy Current Thickness Measurement

FENG Xiao-qin,WEIDong-xu

(School of Physics and Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

TG115.2

A

1671-6876(2010)06-0481-03

2010-09-09

馮小勤(1981-),女,江蘇海門人,助教,碩士研究生,研究方向?yàn)殡姶艑W(xué)應(yīng)用.