基于磁屏蔽的脈沖渦流缺陷檢測仿真

周德強，吳佳龍，王 俊，過雪東，尤麗華

（1.江南大學 機械工程學院，無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，無錫 214122；3.無錫國盛精密模具有限公司，無錫 214024）

脈沖渦流無損檢測技術(shù)作為一種新興的電磁無損檢測技術(shù)，是渦流檢測技術(shù)的一種新方法，具有寬頻譜、缺陷信息提取量大、檢測速度快等優(yōu)點［1－5］，應用前景廣闊。傳統(tǒng)的電磁檢測根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析只能確定缺陷的位置，而脈沖渦流檢測通過對感應電壓信號的時域瞬態(tài)分析，可以分析缺陷的尺寸、類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)等變化，實現(xiàn)缺陷的定量檢測評估［1］。

國內(nèi)外學者在非鐵磁材料渦流檢測的理論建模、新型探頭設(shè)計、缺陷反演等方面開展了深入研究［3－6］。而對鐵磁構(gòu)件實施渦流探傷時，則須增添磁飽和器，以主要用于抑制構(gòu)件磁導率波動誘發(fā)的噪聲。文獻［7］針對鋼管采用漏磁與渦流進行復合探傷，仿真與試驗結(jié)果表明，在飽和磁化狀態(tài)下，即使采用渦流探頭，檢出信號也是漏磁信號，鐵磁性構(gòu)件的脈沖渦流檢測信號復雜。文獻［8］在多通道低頻渦流探測器的研制方面，對接收信號線圈采用磁屏蔽措施，減小高頻信號對接收線圈的干擾，提高了探測器的靈敏度。文獻［9］針對鐵磁性管道腐蝕遠場渦流檢測性能進行改進，在激勵線圈和檢測線圈間加裝屏蔽裝置，降低直接耦合場大小，從而縮短傳感器尺寸、增強檢測信號幅值以及提高激勵信號頻率。文獻［10］在脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)抗干擾設(shè)計方面，考慮到地磁場或者周圍空間中外來強磁場或電磁波的干擾影響，采用金屬網(wǎng)或者金屬殼體將檢測電路和外界環(huán)境隔離開來，從而提高了數(shù)據(jù)采集信號的信噪比。文獻［11－13］針對鐵磁性構(gòu)件采用漏磁檢測方法，從磁折射物理特性的分析出發(fā)，形成一套磁真空泄漏假設(shè)并提出一種基于磁真空泄漏原理的漏磁檢測新方法。但是這些方法大都是在基于磁飽和或者外加激勵工件條件下進行的，盡管在檢測實踐中能夠有效地辨別缺陷，但是造價相對較高且檢測過程相對復雜。文獻［14］為改善鉆桿漏磁檢測信號信噪比，設(shè)計了磁屏蔽器，仿真和試驗結(jié)果表明，磁屏蔽器存在的情況下，鉆桿漏磁信號明顯集中于缺陷附近，且永磁體元件間通過空氣介質(zhì)耦合的背景磁通會大大降低，漏磁信號信噪比得到提高。

以上文獻表明，磁屏蔽技術(shù)能夠有效提高遠場渦流與漏磁傳感器檢測的靈敏度。筆者借鑒漏磁檢測與遠場渦流檢測新成果，建立磁屏蔽下的兩種金屬構(gòu)件（鐵磁性與非鐵磁性構(gòu)件）的脈沖渦流數(shù)值模型，分析了兩種金屬構(gòu)件磁屏蔽下渦流、磁感線分布和渦流檢測信號的作用機制，提出了基于磁屏蔽的脈沖渦流缺陷檢測新方法。

圖1 磁屏蔽與無磁屏蔽脈沖渦流檢測模型

1 脈沖渦流檢測模型的建立

采用Comsol Multiphysics 4.4建立了脈沖渦流圓柱型探頭二維軸對稱檢測模型。在AC／DC 模塊下選擇物理場為磁場，并且在瞬態(tài)求解下進行求解分析。針對鐵磁性／非鐵磁性材料缺陷的脈沖渦流無損檢測，分別建立了磁屏蔽與無磁屏蔽四種檢測模型，即磁場無屏蔽、磁場內(nèi)屏蔽、磁場外屏蔽、磁場內(nèi)外屏蔽模型。各模型如圖1所示。脈沖渦流仿真參數(shù)設(shè)置如下：激勵電流為0.5 A 的方波，激勵頻率為100Hz，漆包線截面積為1mm2，匝數(shù)為667匝；仿真試樣為鐵磁性與非鐵磁性金屬，分別設(shè)置為鐵與鋁，其電導率分別為1.12×107，3.774×107S·m－1；磁屏蔽材料參數(shù)設(shè)置：相對磁導率設(shè)置為1，相對介電常數(shù)設(shè)置為1，電導率設(shè)置為3.774×107S·m－1。

2 模型仿真及討論

2.1 鐵磁性金屬缺陷脈沖渦流檢測仿真分析

圖2各分圖分別為無磁屏蔽、內(nèi)磁屏蔽、外磁屏蔽與內(nèi)外磁屏蔽下的鐵磁性金屬渦流分布。從圖2中可以看出，無磁屏蔽、內(nèi)磁屏蔽、外磁屏蔽與內(nèi)外磁屏蔽下的感應電流密度最大值依次是：3.8087，5.2994，3.4478，4.428（×104A·m－2）；內(nèi)磁屏蔽下的感應渦流密度最大，外磁屏蔽下的感應渦流密度最小的，內(nèi)外磁屏蔽下的感應渦流密度僅次于內(nèi)磁屏蔽下的值；這說明，對于鐵磁性材料來說，內(nèi)磁屏蔽措施可以提高檢測的靈敏度。外屏蔽措施對檢測靈敏度有不利影響，內(nèi)外磁屏蔽措施也可以提高檢測的靈敏度，但是比單純的內(nèi)磁屏蔽下的靈敏度要低。為進一步尋求磁屏蔽下，渦流隨著求解時間的變化，仿真分析了磁力線隨時間變化的關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可發(fā)現(xiàn)，在仿真求解初期，內(nèi)磁屏蔽下磁力線是不穿過磁屏蔽罩的，外磁屏蔽下磁力線被聚攏。隨著求解時間的變長，如圖2所示，內(nèi)磁屏蔽下磁力線緩慢穿過磁屏蔽罩，外磁屏蔽下磁力線緩慢穿出磁屏蔽罩，即方波上升沿瞬間，高頻分量占主導，內(nèi)磁屏蔽罩下近似真空，外磁屏蔽罩下磁力線受到一定的衰減；隨著脈沖寬度的增加，低頻分量增加，內(nèi)磁屏蔽罩下磁力線增加，背景磁場增加，對渦流信號干擾加大；外磁屏蔽下大量磁力線穿出磁屏蔽罩，磁力線進一步受到衰減，減小了渦流的產(chǎn)生。由圖2 可知，無磁屏蔽、內(nèi)磁屏蔽、外屏蔽、內(nèi)外屏蔽四種情況下的磁感應強度分別是：8.8252，8.7849，8.8244，8.8144（×10－5Wb·m－1），從中看出，內(nèi)磁屏蔽情況下的磁感應強度最低，表明內(nèi)磁屏蔽措施可以一定程度地起到減小背景磁場對缺陷渦流磁場的干擾的作用，這與文獻［12］結(jié)論一致。內(nèi)磁屏蔽條件下，減小背景磁場對渦流的干擾，有利于提高渦流探頭的靈敏度。

圖2 各屏蔽情況下的鐵磁性金屬渦流分布

為了進一步驗證磁屏蔽措施下的檢測效果，筆者進行了缺陷仿真，在被測鐵板表面的中心刻有不同深度的切口（2，4，6，8mm），提取中心點處的磁通密度Z分量并做缺陷差分處理，提取缺陷差分信號峰值，得到差分信號峰值與缺陷深度間的關(guān)系，如圖4所示。從圖4中可發(fā)現(xiàn)，內(nèi)磁屏蔽下的檢測效果是最佳的，其次是內(nèi)外磁屏蔽情況，而單純的外磁屏蔽檢測效果最差。

圖3 各屏蔽情況下的鐵磁性金屬磁力線分布

圖4 鐵磁性材料缺陷差分信號峰值與缺陷深度間的關(guān)系

2.2 非鐵磁性金屬缺陷脈沖渦流檢測仿真分析

圖5各分圖分別為無磁屏蔽、內(nèi)磁屏蔽、外磁屏蔽與內(nèi)外磁屏蔽下的非鐵磁性金屬渦流分布。從圖5中可得出，無磁屏蔽、內(nèi)磁屏蔽、外磁屏蔽與內(nèi)外磁屏蔽下的感應電流密度的峰值分別是：5.4643，5.4744，5.4093，5.4081（×104A·m2），內(nèi)磁屏蔽下的感應渦流密度最大，內(nèi)外磁屏蔽下的感應渦流密度最小。無磁屏蔽、內(nèi)磁屏蔽、外磁屏蔽與內(nèi)外磁屏蔽下的磁感應強度的峰值分別是：77.269，77.248，77.222，77.404（×10－6Wb／m），可以看出，內(nèi)磁屏蔽措施下磁感強度相對較??；內(nèi)外磁屏蔽下磁感強度最大。

圖5 各屏蔽情況下的非鐵磁性金屬渦流分布

為了進一步驗證磁屏蔽措施下的檢測效果，筆者進行了缺陷仿真，在被測鋁板表面的中心刻有不同深度的切口（2，4，6，8mm），提取中心點處的磁通密度Z分量并做缺陷差分處理，提取缺陷差分信號峰值，差分信號峰值與缺陷深度間的關(guān)系如圖6所示。從圖6中可發(fā)現(xiàn)，對于非鐵磁性材料，內(nèi)磁屏蔽增大了感應渦流密度，提高了檢測的靈敏度。內(nèi)外磁屏蔽下磁感強度較大，而感應渦流密度較小，內(nèi)外磁屏蔽下抑制了感應渦流的產(chǎn)生，與內(nèi)磁屏蔽相比，缺陷檢測的靈敏度較低。

3 結(jié)論

（1）對于鐵磁性材料，線圈內(nèi)磁屏蔽可以有效提高缺陷檢測的靈敏度；線圈外磁屏蔽降低了檢測靈敏度；線圈內(nèi)外磁屏蔽可以提高檢測缺陷檢測的靈敏度，但是靈敏度不如單純內(nèi)磁屏蔽情況下的靈敏度。

圖6 非鐵磁性材料缺陷差分信號峰值與缺陷深度間的關(guān)系

（2）對于非鐵磁性材料，線圈內(nèi)磁屏蔽可以有效提高缺陷檢測的靈敏度；線圈內(nèi)外磁屏蔽降低了缺陷檢測的靈敏度；線圈外磁屏蔽檢測效果不明顯。

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