電磁法檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)及仿真

王廣林

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300)

1 幾種聚焦的瞬變電磁探頭

根據(jù)調(diào)研資料可知，目前瞬變電磁聚焦探頭都是通過線圈組合的方式實(shí)現(xiàn)磁聚焦的，其利用電磁場(chǎng)是矢量，使多個(gè)線圈組成合理的結(jié)構(gòu)，目的是使探頭中間部位的磁力線更加密集，從而增加磁感應(yīng)強(qiáng)度，達(dá)到聚焦的功能[1-2]。磁聚焦結(jié)構(gòu)主要有半球型、“8”字型、下塔型及矩形陣列等(見圖1)，利用ANSYS Maxwell有限元軟件對(duì)上述聚焦線圈建立模型，得到距離該線圈垂直向下1 m處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，4種聚焦線圈參數(shù)如表1所示。

表1 4種聚焦線圈參數(shù)

圖1 4種聚焦探頭結(jié)構(gòu)示意

仿真結(jié)果表明：4種線圈可以滿足聚焦效果，其中“8”字型聚焦效果最好，制作加工最難；下塔型聚焦效果一般；半球型和矩形陣列型聚焦效果較好，但是矩形陣列型線圈比半球型線圈制造加工更為方便。

上述4種線圈結(jié)構(gòu)通過仿真都能達(dá)到聚焦的效果，但是在實(shí)際使用過程中需要非鐵磁性支架來輔助完成檢測(cè)工作，多個(gè)線圈組合之間的互感效應(yīng)較強(qiáng)、重量大且操作難度高，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此筆者設(shè)計(jì)了一種新型聚焦探頭，不僅可以減少組合線圈的數(shù)量，而且可以利用鐵磁性材料對(duì)磁力線進(jìn)行束縛，達(dá)到磁聚焦的效果，設(shè)計(jì)的探頭質(zhì)量小、使用方便、互感效應(yīng)小及聚焦能力強(qiáng)。

2 瞬變電磁聚焦探頭設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 瞬變電磁聚焦探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瞬變電磁法的傳統(tǒng)探頭為單線圈形式，電磁場(chǎng)主要集中在直徑為1 m的圓形區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.210 0×10-5T。為了提高檢測(cè)范圍和精度，設(shè)計(jì)要求磁場(chǎng)聚焦范圍為直徑0.8 m的圓形區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1.210 0×10-5T。設(shè)計(jì)原則是探頭的安全穩(wěn)定性高、電磁互感效應(yīng)小及設(shè)備輕便等，圖2為聚焦探頭總體結(jié)構(gòu)示意。

瞬變電磁聚焦探頭包括梯形骨架、圓柱形骨架，梯形骨架和圓柱形骨架外部采用漆包線纏繞形成激發(fā)線圈和檢測(cè)線圈，激發(fā)線圈安裝有信號(hào)線2，用來連接外界電源設(shè)備，檢測(cè)線圈安裝有信號(hào)線1，用來連接外界數(shù)據(jù)處理設(shè)備，兩線圈之間有磁芯，磁芯內(nèi)外兩側(cè)有一層絕緣體四氟布，主要用于減小互感效應(yīng)，獲得頻率豐富且聚焦的空間電磁場(chǎng)。

2.2 瞬變電磁聚焦探頭工作原理

該聚焦探頭的聚焦原理是通過信號(hào)線給激發(fā)線圈施加階躍型信號(hào)，在高電壓時(shí)空間形成穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)。由于該探頭結(jié)構(gòu)為梯形，對(duì)外界電磁場(chǎng)進(jìn)行束縛，然后經(jīng)過圓柱形磁芯后進(jìn)一步得到集中的聚焦效果，一次磁場(chǎng)擴(kuò)散到空間后穿過金屬管道，在金屬管道表面形成渦流。在低電壓時(shí)，渦流逐漸減小，金屬管體和周圍介質(zhì)存在電阻，會(huì)影響渦流減小的速率，在空間形成二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)包含管道壁厚、埋深及電阻等信息，其被地面上的檢測(cè)線圈接收并以電壓的形式表示，再通過信號(hào)線傳輸?shù)酵饨鐢?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用來評(píng)價(jià)管體腐蝕情況。該聚焦探頭能夠提高局部缺陷的檢出率[3-5]。電磁聚焦探頭總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電磁聚焦探頭總體結(jié)構(gòu)示意

3 有限元仿真

3.1 建立仿真模型

根據(jù)瞬變電磁法工作原理，建立探頭仿真模型(見圖3)，模型包含:激發(fā)線圈、檢測(cè)線圈、四氟布、磁芯及空氣介質(zhì)等。其中，激發(fā)線圈和檢測(cè)線圈是多層漆包線纏繞而成的，采用實(shí)心薄壁圓環(huán)柱替代，可對(duì)線圈進(jìn)行簡(jiǎn)化。利用ANSYS Maxwell軟件中3D(三維)模塊進(jìn)行參數(shù)化建模，參數(shù)化建模有利于進(jìn)一步研究探頭尺寸對(duì)聚焦效果的影響，求解器選擇Transient瞬態(tài)求解[6-7]。首先，設(shè)置求解區(qū)域，有限元計(jì)算要得到準(zhǔn)確的結(jié)果，需要滿足求解區(qū)域封閉，設(shè)置本次求解域?yàn)?.5 m×2.5 m×2.5 m，求解域遠(yuǎn)大于模型本身有利于提高和實(shí)現(xiàn)使用的真實(shí)性及計(jì)算精度，網(wǎng)格精度△x=△y=△z=0.2 m。探頭位于整個(gè)求解域幾何中心(x=0,y=0,z=0)，激發(fā)線圈和檢測(cè)線圈網(wǎng)格精度△x=△y=△z=0.01 m，磁芯網(wǎng)格精度△x=△y=△z=0.2 m，網(wǎng)格精度劃分越細(xì)，計(jì)算精度越高，但計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，因此要合理地選擇網(wǎng)格精度，表2為模型的基本參數(shù)。

圖3 探頭仿真模型

表2 仿真模型的基本參數(shù)

3.2 激勵(lì)信號(hào)電路設(shè)計(jì)

瞬變電磁法的激勵(lì)信號(hào)為階躍型信號(hào)(見圖4)，為了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，采用ANSYS Maxwell仿真軟件中的circuit editor電路設(shè)計(jì)模塊聯(lián)合仿真，利用繞組耦合實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的施加和有效信號(hào)的提取。信號(hào)具體參數(shù)為：周期T=1 s，持續(xù)時(shí)間t1=0.5T，電壓U=12 V，信號(hào)占空比為50%，上升和下降時(shí)間為t2=0.2 μs，電路中設(shè)置電阻R=12 Ω。激勵(lì)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 激勵(lì)信號(hào)波形

圖5 激勵(lì)電路設(shè)計(jì)圖

3.3 仿真結(jié)果分析

通過有限元仿真軟件模擬聚焦探頭，設(shè)置合理的網(wǎng)格大小和求解器。計(jì)算得出該聚焦探頭垂直向下1 m處的電磁場(chǎng)分布情況及磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度曲線(見圖6，7)。通過圖8了解到，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.534×10-5T，磁場(chǎng)主要分布范圍半徑R=290 mm，為了確定該聚焦探頭的聚焦效果，對(duì)傳統(tǒng)探頭也進(jìn)行有限元仿真，激勵(lì)信號(hào)大小相同，獲得傳統(tǒng)探頭垂直向下1 m處的磁場(chǎng)分布及磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度圖(見圖8,9)，可以看出磁場(chǎng)覆蓋范圍R=500 mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.210 0×10-5T。通過對(duì)比可知，該聚焦探頭磁場(chǎng)分布范圍比傳統(tǒng)探頭的縮小了42%，中心磁感應(yīng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)線圈的增大了36.78%，確定了該聚焦結(jié)構(gòu)的合理性及有效性。

圖6 聚焦探頭磁場(chǎng)分布云圖

圖7 聚焦磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度曲線

圖8 傳統(tǒng)線圈磁場(chǎng)分布云圖

圖9 傳統(tǒng)線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度曲線

4 結(jié)語

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了瞬變電磁聚焦探頭，其主要由激發(fā)線圈、檢測(cè)線圈、四氟布、內(nèi)外層骨架及磁芯等組成。利用有限元仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性及聚焦的有效性，通過與傳統(tǒng)探頭的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果表明：該聚焦探頭磁場(chǎng)分布范圍比傳統(tǒng)探頭的縮小了42%，中心磁感應(yīng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)線圈的增大了36.78%，滿足設(shè)計(jì)要求。為瞬變電磁法在埋地金屬管道上的局部檢測(cè)提供了關(guān)鍵部件，能確保檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，可進(jìn)一步為瞬變電磁法探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。