左憲章，錢蘇敏，張?jiān)?，常東

（軍械工程學(xué)院無(wú)人機(jī)工程系，河北石家莊 050003）

M型電磁傳感器檢測(cè)裂紋的仿真分析及參數(shù)優(yōu)化

左憲章，錢蘇敏，張?jiān)疲|

（軍械工程學(xué)院無(wú)人機(jī)工程系，河北石家莊 050003）

傳統(tǒng)的脈沖渦流傳感器采用圓柱式結(jié)構(gòu)，其磁場(chǎng)大部分在空氣中傳播，造成能量的損失，因此該文設(shè)計(jì)M型電磁傳感器在單線圈傳感器上增加一個(gè)U型磁軛來(lái)提高磁場(chǎng)的利用率。通過ANSYS仿真軟件對(duì)M型傳感器與單線圈傳感器檢測(cè)不同深度的裂紋進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果證明M型傳感器的靈敏度高，信號(hào)強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于傳感器激勵(lì)源參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

脈沖渦流；M型傳感器；裂紋檢測(cè)；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

在裂紋缺陷檢測(cè)中，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法有超聲、磁粉和滲透等，但超聲檢測(cè)需要用到耦合劑，磁粉和滲透檢測(cè)對(duì)工件表面要進(jìn)行一些預(yù)處理。而近期的研究熱點(diǎn)脈沖漏磁及脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)，對(duì)工件表面狀況要求低，易于檢測(cè)，因此逐步在裂紋檢測(cè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。脈沖漏磁檢測(cè)主要針對(duì)的是鐵磁性材料，而脈沖渦流檢測(cè)主要針對(duì)的是非鐵磁性材料，但是在檢測(cè)鐵磁性材料時(shí)，也有渦流成分的存在，所以研究利用脈沖渦流技術(shù)檢測(cè)鐵磁性材料裂紋將使這一技術(shù)得到更大的運(yùn)用前景[1-2]。

傳統(tǒng)的脈沖渦流傳感器采用圓柱形傳感器，激勵(lì)線圈使被檢試件內(nèi)部產(chǎn)生所需磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大部分是在空氣中傳播，而空氣的磁導(dǎo)率很低，這就導(dǎo)致磁場(chǎng)在空氣中會(huì)有很大衰減，造成磁場(chǎng)能量的損失，對(duì)于檢測(cè)精度會(huì)有很大程度的影響。

本文主要研究M型脈沖渦流傳感器對(duì)鐵磁性材料的裂紋檢測(cè)。通過ANSYS有限元仿真的方法，對(duì)M型傳感器模型與單線圈傳感器模型進(jìn)行了仿真對(duì)比，驗(yàn)證了傳感器的有效性，同時(shí)對(duì)于傳感器激勵(lì)源參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比

1.1 脈沖渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)方法是將通有交變電流的線圈靠近待測(cè)試件，而線圈中的交變磁場(chǎng)與試件發(fā)生電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體中感生出渦流，渦流也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。當(dāng)試件表面有缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致渦流與感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度與分布的變化[3]。與傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)相比，脈沖渦流利用一個(gè)重復(fù)的寬帶脈沖（例如方波）激勵(lì)線圈，線圈中產(chǎn)生瞬時(shí)電流，在檢測(cè)對(duì)象上感應(yīng)出瞬時(shí)渦流，并與快速衰減的磁脈沖結(jié)合起來(lái)在材料中傳播，且脈沖包含了很寬的頻譜，所以感應(yīng)信號(hào)中包含大量的信息[4-5]。

在傳統(tǒng)的脈沖渦流傳感器結(jié)構(gòu)中，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過線圈下端到達(dá)工件，然后通過空氣耦合回到線圈上端，從而形成磁路。因此激勵(lì)磁場(chǎng)除了在所測(cè)試件內(nèi)部產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)，同時(shí)大部分磁路暴露在空氣中，衰減大，使得通過試件的磁場(chǎng)很微弱，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度低。本文擬提出一種新型傳感器勵(lì)磁結(jié)構(gòu)——M型脈沖渦流傳感器，保證勵(lì)磁磁路大部分集中在鐵磁材料中進(jìn)行傳播，因而相比于傳統(tǒng)的圓柱型的傳感器，能量損失小、檢測(cè)靈敏度高。

1.2 M型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過有限元軟件ANSYS，建立傳感器的模型。激勵(lì)線圈位于M型鐵芯中間的磁極上，當(dāng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過無(wú)缺陷的試件時(shí)，磁場(chǎng)通過M型磁軛的另外兩磁極和試件形成閉合回路，磁場(chǎng)均勻分布。

設(shè)計(jì)M型傳感器長(zhǎng)44mm，寬20mm，高28mm。其中，中間的磁軛長(zhǎng)12mm，寬20mm，高20mm。單線圈傳感器長(zhǎng)12mm，寬20mm，高20mm。線圈匝數(shù)為400匝。試件長(zhǎng)70mm，寬20mm，高度5mm，如圖1和圖2所示。

圖1 M型模型

圖2 單線圈模型

所建立的模型包括線圈、磁軛、試件與空氣。線圈電阻率為1.75E-8Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。磁軛相對(duì)磁導(dǎo)率為1000。試件電阻率為2E-7Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為200，為鐵磁性材料。對(duì)于激勵(lì)線圈施加的是占空比為50%，頻率為50Hz，激勵(lì)電流為4A的方波。

當(dāng)傳感器與工件提離值為1mm時(shí)，傳統(tǒng)圓柱型傳感器與M型傳感器激勵(lì)磁場(chǎng)磁通密度及試件上渦流分布仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 M型傳感器激勵(lì)磁通密度分布

圖4 單線圈傳感器激勵(lì)磁通密度分布

圖5 M型傳感器勵(lì)磁的工件渦流分布

圖6 單線圈傳感器勵(lì)磁的工件渦流分布

由圖3和圖4可知，M型傳感器激勵(lì)磁場(chǎng)在各方向上的分布是不均勻的，相對(duì)集中在有磁軛的位置上，所產(chǎn)生的渦流也是不均勻的，左右位置附近渦流密度較大，前后渦流密度相對(duì)較小，如圖5所示。單線圈傳感器由于磁場(chǎng)在空氣中均勻傳播，所以渦流密度分布相對(duì)均勻，如圖6所示。在M型線圈中，磁通密度最大值為3.31T，渦流密度最大值為0.004 665T，而單線圈中磁通密度最大值為0.545681T，渦流密度最大值為0.001658T?？梢?，單線圈產(chǎn)生的渦流密度最大值比M型傳感器產(chǎn)生的渦流密度最大值小，這是由于在空氣中磁場(chǎng)沒有在磁軛中分布密集，因此，M型傳感器在檢測(cè)相同位置的缺陷時(shí)所得數(shù)據(jù)大，更易于檢測(cè)。

1.3 信號(hào)特征分析

圖7顯示了鋁材料工件的傳統(tǒng)典型的脈沖渦流參考信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)以及它們相減得到的差分信號(hào)。參考信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)趨勢(shì)相同，都是起始段急劇上升到接近最大值，之后緩慢的趨于某一極限值。差分響應(yīng)信號(hào)起始段上升不如前兩種信號(hào)快，到達(dá)最大值點(diǎn)后，先快速后緩慢的下降，到趨于零點(diǎn)。在峰值點(diǎn)處，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的差別最大。通常采用的信號(hào)特征為差分信號(hào)的峰值及峰值時(shí)間[6-7]。

圖7 鋁材料的脈沖渦流信號(hào)

通過仿真，將試件換成鐵磁性材料時(shí)，在提離0.2mm處，分別提取無(wú)缺陷與存在缺陷深0.2mm、寬1mm的中心位置的瞬態(tài)磁通密度值，如圖8所示。

圖8 檢測(cè)鐵磁材料瞬態(tài)磁通密度

通過圖8可知，當(dāng)檢測(cè)鐵磁性材料時(shí)，測(cè)得的磁場(chǎng)最大值受磁化效應(yīng)[8]和鐵磁材料的磁質(zhì)特性的影響。圖9中顯示的磁場(chǎng)是由激勵(lì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及由渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加而成的。由于磁場(chǎng)會(huì)向磁導(dǎo)率大的方向流動(dòng)，所以在缺陷周圍，磁場(chǎng)會(huì)向工件處流動(dòng)，而在空氣中流動(dòng)的磁場(chǎng)減少，磁場(chǎng)不均勻分布。無(wú)缺陷時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是均勻分布。所以采集的無(wú)缺陷處的參考信號(hào)幅值與檢測(cè)信號(hào)幅值最終無(wú)法達(dá)到一致。同時(shí)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)候，無(wú)缺陷的B的穩(wěn)定值相比于有缺陷的B的穩(wěn)定值大。這與非鐵磁性材料有很大區(qū)別。

圖9 缺陷附近磁通密度分布

所以引入歸一化的差分信號(hào)ΔBnorm=B/max（B）-BREF/max（BREF），其中B/max（B）是歸一化后的檢測(cè)信號(hào)，BREF/max（BREF）是歸一化后的參考信號(hào)。雖然磁導(dǎo)率對(duì)于B有影響，但是由于歸一化，ΔBnorm明顯的減少了磁導(dǎo)率對(duì)其的影響。圖10所示為缺陷的歸一化差分信號(hào)。提取信號(hào)的峰值以及峰值時(shí)間作為特征量。

圖10 0.2mm歸一化差分信號(hào)

1.4 仿真結(jié)果分析

利用M型線圈與單線圈分別對(duì)于無(wú)缺陷，缺陷寬都為1mm，缺陷深分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1mm進(jìn)行仿真。通過歸一化差分的處理，所得結(jié)果如圖11和圖12所示。

提取信號(hào)的峰值及峰值時(shí)間，所得數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表1，可繪出圖13與圖14。

圖11 M型不同深度缺陷的歸一化差分信號(hào)

圖12 單線圈不同深度缺陷的歸一化差分信號(hào)

表1 不同缺陷的峰值及峰值時(shí)間

圖13 M型與單線圈不同深度缺陷歸一化差分信號(hào)峰值

圖14 M型與單線圈不同深度缺陷歸一化差分信號(hào)峰值時(shí)間

從表1及圖13、圖14可知，M型傳感器所得信號(hào)相比于單線圈所得的信號(hào)峰值較大，兩者之間差值最小為0.0005，最大為0.0008。且達(dá)到峰值的時(shí)間也較大，同時(shí)達(dá)到峰值的時(shí)間差最小為0.006ms，而單線圈達(dá)到峰值的時(shí)間差最小為0，即無(wú)時(shí)間差?？梢?，M型傳感器對(duì)于寬度相同、深度不同的缺陷檢測(cè)比單線圈傳感器靈敏度更高，信號(hào)更強(qiáng)，利于檢測(cè)。

2 模型激勵(lì)源參數(shù)的優(yōu)化

為了進(jìn)一步增加傳感器模型的檢測(cè)精度，針對(duì)M型傳感器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。設(shè)置缺陷深度為0.2mm，寬度為1mm，對(duì)于不同激勵(lì)源頻率及激勵(lì)源大小進(jìn)行仿真，選取最佳參數(shù)。

2.1 激勵(lì)源頻率的選擇

在脈沖激勵(lì)大小以及占空比不變的前提下，改變脈沖激勵(lì)源的頻率并采集其缺陷信號(hào)峰值大小，繪制曲線如圖15所示。

圖15 不同頻率下的磁通密度峰值

可以看出，隨著激勵(lì)源頻率的增加，缺陷信號(hào)峰值不斷減小，因?yàn)殡S著脈沖激勵(lì)頻率的增加，其激勵(lì)電流正負(fù)交替頻率變快，穩(wěn)定值時(shí)間變短，試件充磁不充分，產(chǎn)生的渦流變小，磁場(chǎng)疊加不明顯，所測(cè)的數(shù)據(jù)也減小。所以脈沖渦流檢測(cè)不適宜高頻的情況下，在選擇激勵(lì)電源的頻率時(shí)，一般選擇100Hz以下。

2.2 激勵(lì)源大小的選擇

在脈沖激勵(lì)占空比以及頻率不變的前提下，改變激勵(lì)源的大小并采集其缺陷信號(hào)峰值大小，繪制曲線如圖16所示。

圖16 不同激勵(lì)源大小下的磁通密度峰值

從圖16可知，隨著激勵(lì)源大小的增大，峰值的大小也隨之增大。因此，在保證試件不被磁飽和的情況下，應(yīng)盡量選擇大的激勵(lì)源。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過研究脈沖漏渦流傳感器的結(jié)構(gòu)，提出了新型的M型傳感器，利用ANSYS有限元仿真的方法，對(duì)M型傳感器模型與單線圈傳感器模型進(jìn)行了仿真對(duì)比。結(jié)果顯示，M型傳感器的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)，靈敏度高。并進(jìn)一步對(duì)其激勵(lì)源參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為以后的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建打下基礎(chǔ)。

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Simulation analysis and parametric optim ization of M-type pulsed eddy current sensors to detect cracks

ZUO Xian-zhang，QIAN Su-min，ZHANG Yun，CHANG Dong
（Department of UAV Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The single-coil sensor was used as the traditional pulsed eddy current sensor，but the magnetic field mostly spreads in the air，resulting in the loss of energy.So a M-type electromagnetic sensor is proposed.The M-type sensor is made of a single-coil and a U-shaped yoke which improved the utilization of the magnetic field.Based on ANSYS simulation，a comparison of the M-type sensor is carried out with the single-coil sensor in detecting the different depths of cracks.The simulation proves the effectiveness of the M-type sensor and the sensor excitation source parameters are optimized at the same time.

pulsed eddy current；M-type sensor；cracks detection；parametric optimization

TP212；TP391.9；TH878；TG115.28

A

1674-5124（2013）03-0065-05

2012-07-12；

：2012-08-30

左憲章（1963-），男，河北石家莊市人，教授，主要從事機(jī)械故障診斷及智能信息處理與識(shí)別方面的研究。