非鐵磁性金屬材料脈沖渦流測(cè)厚探頭參數(shù)的仿真分析

曹騰飛,沈功田,王 強(qiáng),李 建

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029)

脈沖渦流(Pulsed eddy current,PEC)檢測(cè)又稱暫態(tài)渦流檢測(cè),最早由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Waidelich等人[1]為測(cè)量核燃料金屬護(hù)層厚度而提出,隨后PEC檢測(cè)技術(shù)被逐漸應(yīng)用于對(duì)老齡飛機(jī)的腐蝕和裂紋檢測(cè)[2]。1987年,美國(guó)ARCO公司開發(fā)出名為TEMP的PEC檢測(cè)系統(tǒng),用于檢測(cè)帶包覆層鐵磁性管道的壁厚減薄[3],之后荷蘭RTD公司在TEMP的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)得到INCOTEST系統(tǒng)[4]。近年來,PEC技術(shù)在帶包覆層鐵磁性管道檢測(cè)上的應(yīng)用越來越多。國(guó)內(nèi)的中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院與華中科技大學(xué)合作,對(duì)PEC檢測(cè)做了大量研究,開發(fā)了適用于鐵磁性材料檢測(cè)的儀器[5-6]。相對(duì)于鐵磁性材料,渦流在非鐵磁性金屬材料中擴(kuò)散更快,檢測(cè)信號(hào)也衰減更快。當(dāng)探頭提離較大(≥5 mm)時(shí),由現(xiàn)有脈沖渦流檢測(cè)儀器得到的檢測(cè)結(jié)果精度較低[7]。

研究探頭各參數(shù)對(duì)檢測(cè)的影響規(guī)律,并據(jù)此對(duì)探頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),有利于檢測(cè)精度的提高。近年來,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,如國(guó)內(nèi)的蔚道祥等[8]對(duì)圓臺(tái)型PEC探頭進(jìn)行了研究,周德強(qiáng)等[9]對(duì)矩形差分探頭做了有限元仿真和實(shí)驗(yàn),研究了PEC檢測(cè)矩形探頭尺寸參數(shù)在對(duì)鋁板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的靈敏度影響規(guī)律;國(guó)外的Arjun等[10]對(duì)帶鐵氧體磁芯的絕對(duì)探頭、差分探頭和帶屏蔽層探頭也做了比較,并以此優(yōu)化了帶磁芯探頭。但大部分的研究都集中在分析線圈尺寸參數(shù)對(duì)于檢測(cè)的影響,而對(duì)于這些尺寸參數(shù)影響的權(quán)重及磁芯尺寸參數(shù)對(duì)于檢測(cè)的影響卻沒有做進(jìn)一步的探究。

本文在已有對(duì)鐵磁性材料PEC檢測(cè)仿真研究的基礎(chǔ)上,以304不銹鋼為代表利用ANSYS仿真軟件建立了非鐵磁性金屬材料的PEC測(cè)厚仿真模型。首先分析激勵(lì)線圈高度、寬度、內(nèi)徑對(duì)非鐵磁性金屬材料PEC測(cè)厚靈敏度的影響,并進(jìn)一步探究各尺寸對(duì)于靈敏度影響的權(quán)重;然后對(duì)所添加的磁芯尺寸參數(shù)進(jìn)行了仿真,分析了磁芯尺寸參數(shù)對(duì)于PEC測(cè)厚靈敏度的影響。

1 PEC測(cè)厚理論基礎(chǔ)

1.1 PEC測(cè)厚原理

如圖1,當(dāng)激勵(lì)線圈中通有矩形波電流時(shí),在矩形波邊沿快速衰減,金屬被檢件表面會(huì)感應(yīng)出渦流,并在被檢件中快速的擴(kuò)散和衰減,于此同時(shí)變化的渦流會(huì)產(chǎn)生變化的二次磁場(chǎng),變化的二次磁場(chǎng)在接收元件中轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)[6]。如果被檢件壁厚有變化,在被檢件中感應(yīng)出的渦流就會(huì)有變化,從而影響形成的二次磁場(chǎng),進(jìn)而影響檢測(cè)到的電壓信號(hào),從電壓信號(hào)中便可提取出被檢件壁厚信息。

圖1 PEC測(cè)厚原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of PEC thickness measurement principle

選取被檢件名義壁厚的無腐蝕區(qū)域作為參考區(qū)域,用參考區(qū)域的信號(hào)減去待測(cè)區(qū)域的信號(hào)所得到的差分信號(hào)的局部放大如圖2,隨著被檢件厚度的減小,差分信號(hào)的峰值增大,因此可以用差分信號(hào)的峰值來表征被檢件的壁厚[1]。

圖2 不同壁厚PEC差分信號(hào)局部放大Figure 2 Local amplification of PEC differential signals with different wall thickness

1.2 PEC探頭

PEC探頭主要包括激勵(lì)線圈和接收元件兩部分,通常PEC探頭采用線圈激勵(lì),但在接收元件的材料上卻有所不同。由于感應(yīng)線圈可測(cè)量的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)范圍大,制作和維護(hù)相對(duì)容易,在PEC探頭中廣泛使用,本文僅研究接收元件為線圈時(shí)的情況。

對(duì)于檢測(cè)探頭來說,靈敏度S是一個(gè)很重要的參數(shù)。探頭的靈敏度是指探頭在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Δy對(duì)輸入量變化Δx的比值[11]。在PEC測(cè)厚過程中,探頭輸入量為試件厚度Th,輸出量為差分信號(hào)峰值P,因此,故定義探頭靈敏度如下:

(1)

式(1)中:ΔP=Pi-Pref,ΔP為差分信號(hào)的峰值變化,是厚度為Thi試件的差分信號(hào)峰值Pi與參考試件的差分信號(hào)峰值Pref,而實(shí)際上Pref為0;ΔTh=Thi-Thref,ΔTh為試件的厚度變化,由當(dāng)前試件厚度Thi減去參考試件厚度Thref。

PEC探頭的靈敏度受線圈磁場(chǎng)分布影響,而線圈磁場(chǎng)分布又受線圈尺寸等直接影響[12-13]。故本文研究?jī)?yōu)化線圈尺寸等探頭參數(shù),以提高測(cè)厚的靈敏度,實(shí)現(xiàn)對(duì)非鐵磁性材料進(jìn)行PEC測(cè)厚。

2 PEC測(cè)厚仿真分析

2.1 建立模型

由于所研究的線圈、磁芯形狀均具有軸對(duì)稱性,且需提取的檢測(cè)線圈上的電壓與被檢件表面的形狀關(guān)系不大,因此,可以將3D模型簡(jiǎn)化為2D軸對(duì)稱模型[14]。在徐志遠(yuǎn)等[15]建立的鐵磁性材料PEC模型的基礎(chǔ)上,利用ANSYS軟件建立304不銹鋼P(yáng)EC檢測(cè)模型,所建立的模型如圖3,其中激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈同軸放置。

圖3 PEC測(cè)厚的2D ANSYS軸對(duì)稱模型Figure 3 2D ANSYS axisymmetric model for PEC thickness measurement

仿真中涉及的主要參數(shù)[15]如表1。

表1 主要仿真參數(shù)

2.2 激勵(lì)線圈尺寸參數(shù)的影響

在仿真模型的其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上,改變激勵(lì)線圈內(nèi)徑,為每一種不同內(nèi)徑尺寸建立以2 mm為步進(jìn)的38～50 mm的7個(gè)不同被檢件厚度的仿真模型并求解計(jì)算,提取檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓,并以50 mm壁厚時(shí)的信號(hào)為參考信號(hào),求出各內(nèi)徑尺寸下各壁厚時(shí)的差分信號(hào)峰值與試件厚度變化如圖4。

圖4 不同內(nèi)徑下峰值與試件厚度變化的關(guān)系Figure 4 Relationship between peak value and specimen thickness at different inner diameter

由圖4可以看出差分信號(hào)峰值與試件厚度變化之間具有良好的線性關(guān)系,表明脈沖渦流差分信號(hào)的峰值可以作為評(píng)估試件壁厚的特征量。根據(jù)式(1)可求得各內(nèi)徑尺寸下,PEC檢測(cè)的靈敏度如圖5(a)。同理也可得到激勵(lì)線圈寬度(PEW)、高度(PEH)對(duì)于檢測(cè)靈敏度的影響如圖5(b)、5(c)。

圖5 激勵(lì)線圈幾何參數(shù)對(duì)PEC測(cè)厚靈敏度的影響Figure 5 Effect of geometric parameters of excitation coil on PEC thickness sensitivity

由圖5可以分析得出,在保持激勵(lì)線圈匝數(shù)不變的前提下:激勵(lì)線圈的內(nèi)徑越大,PEC測(cè)厚的靈敏度越大;激勵(lì)線圈的寬度越大,PEC測(cè)厚的靈敏度越大;激勵(lì)線圈的高度越小,PEC測(cè)厚的靈敏度越大。

在上面的研究結(jié)論下繼續(xù)探究激勵(lì)線圈內(nèi)徑、寬度、高度影響厚度檢測(cè)靈敏度的權(quán)重。對(duì)每個(gè)因素各選取三個(gè)水平的值做成一個(gè)L9正交實(shí)驗(yàn)表,求出靈敏度,統(tǒng)計(jì)每個(gè)因素每個(gè)水平值時(shí)的總靈敏度和平均值,并求出各因素三水平平均值的極差[16],結(jié)果如表2。通過極差數(shù)值的大小可以判斷各因素影響檢測(cè)靈敏度的權(quán)重。

表2 激勵(lì)線圈尺寸參數(shù)影響權(quán)重正交試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Orthogonal test results of influence of size parameters of excitation coil on weight

試驗(yàn)號(hào)線圈內(nèi)徑/mm線圈寬度/mm線圈高度/mm靈敏度11030300.010 24921035400.011 97031040500.013 65142030400.013 76452035500.015 44262040300.021 43473030500.017 51683035300.023 99493040400.025 581T10.035 8690.041 5290.055 677-T20.050 6410.051 4060.051 315-T30.067 0910.060 6660.046 609-m10.011 9560.013 8430.018 559-m20.016 880.017 1350.017 105-m30.022 3640.020 2220.015 536-R0.010 4070.006 3790.003 022-

激勵(lì)線圈尺寸參數(shù)影響權(quán)重正交試驗(yàn)結(jié)果中,內(nèi)徑靈敏度極差為0.010 407,寬度靈敏度極差為0.006 379,高度靈敏度極差為0.003 022。因此,比較靈敏度極差大小可知,在保持線圈匝數(shù)不變的情況下,激勵(lì)線圈內(nèi)徑對(duì)靈敏度的影響最大,寬度次之,高度的影響最小。

2.3 磁芯尺寸參數(shù)的影響

為聚焦磁場(chǎng)、縮小探測(cè)區(qū)域、提升信號(hào)強(qiáng)度,從而提高檢測(cè)靈敏度,保持已有的空心線圈不變并在其中添加罐型磁芯,其結(jié)構(gòu)尺寸如圖6。

圖6 罐型磁芯結(jié)構(gòu)尺寸(2D軸對(duì)稱)Figure 6 Structure dimension of tank core(2D axis symmetry)

圖7 有無磁芯差分信號(hào)局部放大Figure 7 Local amplification of differential signal with or without core

添加罐型磁芯前后得到的38 mm壁厚的差分信號(hào)的局部放大如圖7,可以明顯的看出添加磁芯后,差分信號(hào)的峰值得到了顯著的提升,由原來的0.27 V提升到了0.41 V。這是由于加入了罐型磁芯后,限定了磁場(chǎng)范圍,壁厚變化帶來的磁場(chǎng)變化也更加強(qiáng)烈,從而檢測(cè)到的電壓信號(hào)幅值也隨之提升,差分信號(hào)的峰值也會(huì)明顯提升。

下面我們將探究磁芯的尺寸參數(shù)對(duì)于PEC測(cè)厚靈敏度的影響,分別改變磁芯的高度(CH)、厚度(CT)、外圈半徑(CRO),提取各個(gè)模型中檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓,計(jì)算得到磁芯幾何參數(shù)對(duì)PEC測(cè)厚靈敏度的影響如圖8。

圖8 磁芯幾何參數(shù)對(duì)PEC測(cè)厚靈敏度的影響Figure 8 Effect of core geometric parameters on PEC thickness sensitivity

由圖8可以分析得出,磁芯的高度、厚度、外半徑增大均可以使PEC測(cè)厚的靈敏度增大。

3 結(jié) 論

本文研究分析了激勵(lì)線圈和磁芯尺寸參數(shù)對(duì)于非鐵磁性材料PEC測(cè)厚靈敏度的影響,為適用較大提離下的非鐵磁性金屬材料PEC檢測(cè)探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考與依據(jù),得到的結(jié)論如下。

1)在匝數(shù)不變的情況下,PEC檢測(cè)探頭的激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的內(nèi)徑越大、寬度越寬、高度越小,PEC測(cè)厚的靈敏度越高,其中激勵(lì)線圈內(nèi)徑對(duì)靈敏度的影響最大,寬度次之,高度的影響最小。

2)加入磁芯后使38 mm壁厚差分信號(hào)的峰值由0.27 V提升到了0.41 V,且磁芯的高度、厚度、外半徑增大均可以使PEC測(cè)厚的靈敏度增大。