周德強(qiáng)，閆向陽(yáng)，尤麗華

（1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，無(wú)錫 214122；2.無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司，無(wú)錫 214024）

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新興的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它與傳統(tǒng)的使用正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)源的檢測(cè)方法不同，其激勵(lì)信號(hào)為具有一定占空比的方波，包含的頻譜寬，可以提取的缺陷信息豐富，對(duì)深層缺陷檢測(cè)能力強(qiáng)。另外，由于其具有檢測(cè)成本低廉、操作簡(jiǎn)單、不污染環(huán)境、對(duì)人體基本無(wú)害的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，如脈沖渦流對(duì)金屬壁厚、壓力管道的包覆層以及金屬部件表面及近表面缺陷的檢測(cè)，對(duì)表面下缺陷的檢測(cè)也有一定的研究［3－4］。脈沖渦流檢測(cè)的激勵(lì)參數(shù)包括激勵(lì)幅值、重復(fù)頻率、占空比、邊沿斜率等，文獻(xiàn)［5］對(duì)激勵(lì)參數(shù)進(jìn)行了一定的優(yōu)化選擇分析。文獻(xiàn)［6］用矩形脈沖電壓激勵(lì)信號(hào)作為激勵(lì)，認(rèn)為電壓對(duì)時(shí)間的積分代表了能量，得出穿透能力與激勵(lì)能量相關(guān)的結(jié)論。文獻(xiàn)［7］通過(guò)試驗(yàn)證明了在較大電流的激勵(lì)下，渦流滲透深度可有效地滲透到10mm厚度的鋼板亞表面。文獻(xiàn)［8］研究了激勵(lì)脈沖的占空比對(duì)缺陷檢測(cè)的影響，證明激勵(lì)脈沖的占空比越大，脈沖渦流穿透能力越強(qiáng)。從以上文獻(xiàn)分析可知，激勵(lì)參數(shù)與脈沖渦流傳感器的檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)深度密切相關(guān)，因此，有必要展開(kāi)激勵(lì)參數(shù)的研究。

文章采用Comsol Multiphysics軟件建立了圓柱形脈沖渦流檢測(cè)探頭的有限元仿真模型，改變激勵(lì)參數(shù)，如幅值不變、占空比變化；占空比不變，幅值變化；占空比與幅值同時(shí)變化，但其乘積不變等，針對(duì)表面下缺陷的檢測(cè)進(jìn)行仿真分析。

1 模型的建立和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置

1.1 仿真模型的建立

在實(shí)際的電磁檢測(cè)中，由于檢測(cè)條件的復(fù)雜性和不確定性，許多問(wèn)題無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)解析式求得解析解。為解決工程中的數(shù)學(xué)問(wèn)題，計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有限元仿真就是其中之一。有限元仿真是把求解域分解成多個(gè)小子域（有限元），每個(gè)小子域求解得到一個(gè)簡(jiǎn)單的近似解，并根據(jù)求解條件得到整個(gè)求解域的近似解。雖然在這種情況下求得的不是模型的準(zhǔn)確解，但在無(wú)法獲得準(zhǔn)確解的實(shí)際問(wèn)題中這是一種非常有效的分析方法。

文章使用多物理場(chǎng)仿真軟件ComsolMultiphysics建立了脈沖渦流檢測(cè)的仿真模型。由于圓柱型探頭是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的，因此可以在二維軸對(duì)稱(chēng)下建立模型，只要求得一個(gè)截面上的電磁場(chǎng)分布情況就可以得到整個(gè)仿真模型的電磁場(chǎng)分布，以簡(jiǎn)化建模和計(jì)算；選擇物理場(chǎng)為磁場(chǎng)并且在瞬態(tài)求解下進(jìn)行計(jì)算仿真。整體建模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置

仿真模型幾何參數(shù)示意圖如圖2所示，模型尺寸參數(shù)列于表1中。

激勵(lì)線(xiàn)圈擬采用0.3mm的漆包線(xiàn)繞制而成，由當(dāng)前參數(shù)設(shè)置，線(xiàn)圈匝數(shù)為100匝?；魻杺鞲衅鞣胖迷趯?duì)稱(chēng)軸上試樣上方0.5mm處，即取0.5mm處的Z軸的磁通密度值來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。選擇試樣為系統(tǒng)材料庫(kù)里面的鋁，其電導(dǎo)率為σ＝3.774×107S／m；使用電流作為激勵(lì)信號(hào)，頻率f＝100Hz。根據(jù)滲透公式δ＝1／，式中μ＝4π×10－7N／A2，計(jì)算得到滲透深度δ為8.2mm。即在當(dāng)前參數(shù)設(shè)置下，可以完全檢測(cè)到被測(cè)試件表面下缺陷。

表1 模型中相應(yīng)的幾何參數(shù)表

2 仿真試驗(yàn)安排及結(jié)果分析

根據(jù)激勵(lì)方波的參數(shù)圖（圖3），圖中T表示一個(gè)激勵(lì)周期，τ表示脈沖寬度即占空比，I0表示激勵(lì)電流幅值。如圖4所示，仿真采用表面下缺陷半徑為1mm，深度從0mm變化到5mm，每步增加1mm求取數(shù)據(jù)。0mm即為沒(méi)有缺陷時(shí)的數(shù)據(jù)，稱(chēng)之為參考信號(hào)，采用各個(gè)缺陷仿真得到的缺陷信號(hào)減去參考信號(hào)得到差分信號(hào)。差分信號(hào)有明顯的峰值以及豐富的各種信息，可以有效地提高傳感器的靈敏度。

2.1 脈沖寬度相同，激勵(lì)幅值變化時(shí)的缺陷檢測(cè)的仿真

由電磁場(chǎng)理論，可以得到磁場(chǎng)強(qiáng)度B與通過(guò)線(xiàn)圈的電流成正比：B＝μ0NI。其中μ0表示真空電導(dǎo)率；N是線(xiàn)圈匝數(shù)；I為導(dǎo)線(xiàn)中的電流強(qiáng)度。激勵(lì)幅值，即電流強(qiáng)度的不同會(huì)對(duì)表面下缺陷的檢測(cè)效果有一定的影響。此組仿真試驗(yàn)分5次進(jìn)行，5次試驗(yàn)中脈沖寬度相同（0.005s），激勵(lì)幅值從0.25A變化到1.25A，每次試驗(yàn)后增加0.25A，主要研究激勵(lì)幅值對(duì)表面下缺陷檢測(cè)的影響。

參考信號(hào)、缺陷信號(hào)及差分信號(hào)的關(guān)系圖如圖5所示。其中缺陷深5mm，差分信號(hào)為缺陷信號(hào)減去參考信號(hào)得到的差。提取差分信號(hào)峰值，繪制得到圖6所示曲線(xiàn)。從圖6中看出，激勵(lì)幅值越大，差分信號(hào)峰值越大。激勵(lì)電流幅值越大，檢測(cè)靈敏度越高，與文獻(xiàn)［7］中提到的大激勵(lì)電流可以提高脈沖渦流檢測(cè)的靈敏度相吻合。在工程實(shí)踐中，不太容易獲取較大激勵(lì)電流，可以根據(jù)要檢測(cè)的缺陷深度，適當(dāng)選擇激勵(lì)電流幅值。

2.2 激勵(lì)幅值相同，占空比不同時(shí)的缺陷檢測(cè)的仿真

文獻(xiàn)［8］提出增加脈沖寬度（占空比）可以提高脈沖渦流的滲透深度，此組試驗(yàn)分5次進(jìn)行，5次試驗(yàn)中激勵(lì)幅值全部為0.5A，脈沖寬度從0.001s變化到0.005s，每次試驗(yàn)后增加0.001s，即相應(yīng)占空比從10%變化到50%（每次試驗(yàn)后增加10%），分析占空比（脈沖寬度）對(duì)表面下缺陷檢測(cè)的影響。

從圖7可以看出：不同深度的缺陷差分信號(hào)的峰值按缺陷深度從大到小變化，對(duì)不同深度缺陷有較明顯的檢測(cè)效果；而從同一深度的缺陷來(lái)看，隨著占空比的增加，差分信號(hào)峰值都是在20%占空比時(shí)達(dá)到最大，驗(yàn)證了文獻(xiàn)［8］中提到的，根據(jù)不同滲透

圖7 相同激勵(lì)幅值（0.5A）不同占空比時(shí)對(duì)表面下缺陷檢測(cè)

深度選擇不同的脈沖寬度（占空比）。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在當(dāng)前參數(shù)設(shè)置下，金屬厚度一定時(shí)，20%的占空比是最佳選擇，此時(shí)檢測(cè)靈敏度最大，尤其對(duì)于深度較大的缺陷檢測(cè)效果更好。因此，此組仿真試驗(yàn)中20%占空比為最優(yōu)的占空比。檢測(cè)不同的金屬厚度及材料時(shí)，對(duì)金屬下表面缺陷檢測(cè)應(yīng)該有最佳的占空比選擇。

2.3 脈沖寬度與激勵(lì)幅值乘積相同時(shí)對(duì)表面下缺陷檢測(cè)的影響分析

以上兩組試驗(yàn)分析了單一激勵(lì)參數(shù)變化對(duì)金屬表面下缺陷檢測(cè)的影響，而該組試驗(yàn)取激勵(lì)幅值與脈沖寬度同時(shí)變化，但其乘積相同時(shí)，分析對(duì)表面下缺陷檢測(cè)的影響。取激勵(lì)信號(hào)頻率為100Hz，即周期為0.01s，占空比與激勵(lì)幅值的乘積為2。占空比從10%變化到50%，即脈沖寬度從0.001s變化到0.005s，激勵(lì)幅值相應(yīng)變化。試驗(yàn)計(jì)劃如表2所示。

表2 脈沖寬度與激勵(lì)幅值乘積相同的試驗(yàn)計(jì)劃

圖8是試驗(yàn)中占空比為20%（脈沖寬度為0.002s），激勵(lì)幅值為1A時(shí)得到的不同缺陷大小的差分信號(hào)圖。從圖中可以看出：相同激勵(lì)條件下，差分信號(hào)隨缺陷深度的增加而增大，可以對(duì)表面下缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖9表示脈沖寬度與激勵(lì)幅值乘積相同時(shí)，對(duì)表面下1mm缺陷檢測(cè)的結(jié)果圖。從圖中可以看出：從激勵(lì)幅值來(lái)看，激勵(lì)幅值大的差分信號(hào)峰值明顯大，而且隨著激勵(lì)幅值的減小，差分信號(hào)成遞減趨勢(shì)，所以對(duì)表面下缺陷的檢測(cè)，激勵(lì)幅值還是起主導(dǎo)作用；從占空比來(lái)看，脈沖寬度即占空比的改變，只是改變了差分信號(hào)到達(dá)峰值的時(shí)間。

圖10是提取各個(gè)差分信號(hào)的峰值曲線(xiàn)，其表示的是不同深度缺陷在激勵(lì)幅值與脈沖寬度乘積相同時(shí)的差分信號(hào)峰值曲線(xiàn)圖。研究結(jié)果顯示：占空比小的檢測(cè)效果明顯比占空比大的檢測(cè)效果要好。這是由于占空比小的激勵(lì)參數(shù)高頻成分占主導(dǎo)，同時(shí)占空比小時(shí)，其激勵(lì)幅值相應(yīng)地比較大。證實(shí)激勵(lì)幅值與脈沖寬度乘積相同時(shí)對(duì)下表面缺陷檢測(cè)的效果具有一定的表征性。圖11表示差分信號(hào)峰值隨缺陷大小變化的關(guān)系圖。在激勵(lì)幅值與脈沖寬度乘積相同情況下，占空比越小，激勵(lì)幅值越大，其靈敏度越好。從圖10和11可以看出，選擇較小的占空比，可以提高脈沖渦流傳感器的檢測(cè)靈敏度。

圖10 差分信號(hào)峰值與占空比關(guān)系

圖11 檢測(cè)效果隨缺陷深度變化關(guān)系圖

3 結(jié)論

通過(guò)有限元仿真試驗(yàn)，研究了激勵(lì)參數(shù)對(duì)表面下缺陷檢測(cè)的影響。通過(guò)三組不同激勵(lì)參數(shù)的仿真試驗(yàn)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析得出：

（1）對(duì)表面下缺陷檢測(cè)的靈敏度與激勵(lì)幅值有很大的關(guān)系，增大激勵(lì)幅值可以提高檢測(cè)效果；而脈沖寬度（占空比）可以決定滲透深度。

（2）脈沖寬度（占空比）與激勵(lì)幅值乘積相同時(shí)，減小占空比，可以提高脈沖渦流傳感器的靈敏度。

文章的研究可以為工程實(shí)踐中脈沖渦流激勵(lì)參數(shù)的選擇提供一定的借鑒作用。

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