楊理踐，郭曉婷，高松巍

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

目前，渦流檢測技術對于管道內(nèi)外壁上的缺陷的靈敏度是相同的，但對管壁內(nèi)外缺陷進行區(qū)分時卻無能為力，因此，為提高辨別管道內(nèi)外缺陷的分辨率，需設計輔助線圈探頭來辨別管道的內(nèi)外缺陷。

檢測線圈是渦流探頭的重要組成部分，優(yōu)化設計線圈的幾何參數(shù)和形狀，可以提高渦流傳感器的分辨率[1]。從線圈探頭在空間產(chǎn)生的磁場分布情況及磁感應強度大小方面分析，仿真分析線圈幾何參數(shù)對管道內(nèi)表面缺陷影響，優(yōu)化其幾何參數(shù)，制作了線圈探頭對被測試件表面的深度分別為2 mm、4 mm、6 mm的缺陷以及背面缺陷進行檢測，檢測輸出信號可以對管道內(nèi)外缺陷進行辨別。

1 渦流檢測基礎理論

1．1渦流檢測管道內(nèi)表面缺陷一般原理

渦流檢測在電磁感應的基礎上，如圖1所示。當通有交變電流的線圈靠近被測導體試件時，由于激勵線圈的磁場作用，線圈中產(chǎn)生的交變磁場，在被測試件表面產(chǎn)生渦流。

(a)線圈中的磁通

(b)導體中產(chǎn)生的渦流

(c)無缺陷導體中的渦流分布

(d)有缺陷導體中的渦流分布

試件導電性能對渦流的大小及流動形式產(chǎn)生影響。當試件中有缺陷時，渦流分布會發(fā)生變化，從而會影響渦流產(chǎn)生的磁場分布，這個磁場反作用使檢測線圈中的阻抗發(fā)生變化，檢測輸出的電壓信號會在幅值、峰值等處發(fā)生變化。因此，通過測量瞬態(tài)感應電壓信號，就可以判斷出被測試件有無缺陷及其性能[2]。

根據(jù)法拉第電磁感應定律，得到檢測線圈輸出電壓VP：

(1)

式中：B為磁感應強度；A為感應磁場矢量；s為檢測線圈的截面積。

如果被測試件中存在缺陷，就會使磁感應強度B發(fā)生變化。

1．2檢測線圈參數(shù)對磁感應強度的影響

對于線圈參數(shù)對磁感應強度產(chǎn)生的影響進行了理論分析，由畢奧沙伐拉普斯定律可知，單匝通有電流的圓導線在軸上產(chǎn)生的磁感應強度為：

(2)

式中：μ0為真空磁導率；I為通過的線圈的激勵電流；r為載流線圈半徑；x為軸線上某點到線圈平面的距離。

由多個圓電流相互疊加而成的磁場可看作是截面線圈所產(chǎn)生的。假設線圈匝數(shù)為N匝，通電流I時，電流密度為：

(3)

得到通過每匝線圈電流截面dxdy的圓形電流元為：

(4)

式中：Ra為線圈內(nèi)徑；Rb為線圈外徑；C為線圈的厚度。

把式(4)帶入式(2)得此處圓形電流元所產(chǎn)生的磁感應強度為：

(5)

對式(5)兩邊進行積分可以得到在軸線上任意點處產(chǎn)生的磁感應強度為：

(6)

由上式可知，保持線圈內(nèi)外徑不變的情況下，軸線上任意點的磁場強度的變化與檢測線圈的匝數(shù)、厚度、內(nèi)外徑變化有關[3]，文中分析了改變線圈的匝數(shù)對磁感應強度的影響。

2 有限元仿真及結果分析

2．1有限元仿真

按照試驗裝置，線圈采用空心圓柱形線圈，由于應用的檢測線圈的直徑相對于被測管道的直徑來說，管道的內(nèi)表面近似于一個平面，因此，被測試件用鋼板代替管道進行試驗，利用ANSYS軟件進行仿真，仿真過程中按照設備實際幾何尺寸，建立二維實體模型；對模型劃分網(wǎng)格并加以載荷；為二維模型設置邊界條件；最后對其進行求解[4]。

渦流檢測線圈和被測導體都視為軸對稱結構，采用二維仿真模型，對圓柱線圈與方形被測導體通過對稱軸X軸的任意一個對稱平面進行建模，由電磁場的軸對稱特性，可取二分之一的軸對稱平面。渦流仿真分析模型如圖2所示。

(a)渦流檢測裝置 (b)渦流仿真分析模型

圖2(a)中：沿著軸線方向對整個模型進行剖分，在被測體和線圈的外圍存在空氣場，進行剖分之后的模型為有限元仿真分析模型。根據(jù)實際應用中的要求，設定了仿真模型的幾何數(shù)據(jù)，幾何數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真模型幾何數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)建立了有表面缺陷的渦流仿真分析的二維實體模型。采用映射-自由混合劃分網(wǎng)格方法對二維模型進行有限元法劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后模型如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格后模型

圖3中，根據(jù)劃分網(wǎng)格方法分別對線圈、鋼板以及外圍空氣場進行劃分，探頭線圈和被測體采用映射網(wǎng)格劃分，單元尺寸設置為0．75 mm，空氣部分采用自由網(wǎng)格劃分方式。每條線上設置的單元尺寸為1．00 mm．

對于有限元法的邊界條件，軸對稱的電磁場的分析符合第一類邊界條件即狄利克萊邊界條件，設定在該邊界上的電磁場已衰減到零。建模時采用空氣包圍，模擬無窮遠邊界條件，外層空氣域邊界滿足Dirichlet邊界條件[5]：

A=0

(7)

式中A為磁矢勢。

有限元仿真過程中選擇諧波分析中的波前求解器求解，有限元仿真求解后得到電磁場磁矢量分布的模型如圖4所示。

圖4(a)中，外圍空氣域的磁矢勢為0，在線圈上耦合了電流自由度，對模型加載了12 V的正弦激勵電壓，被測體上耦合了電壓自由度。圖4(b)中，線圈加入載荷后產(chǎn)生的逆時針方向的磁矢量，線圈附近磁矢量強度較強，外圍空氣場中的磁矢量強度較弱。

(a)加載后模型(b)磁矢量分布圖

2．2有限元仿真結果分析

對有缺陷的被測表面的磁感應強度進行仿真分析，改變線圈的匝數(shù)，激勵線圈在被測試件表面產(chǎn)生的磁感應強度如圖5所示。

圖5 磁感應強度隨線圈匝數(shù)變化曲線

由圖5可知，在保持線圈探頭的激勵頻率、檢測距離、內(nèi)外徑不變的條件下，增加線圈的匝數(shù)，可以提高磁感應強度在缺陷處時的變化幅度，因此，保持傳感器探頭其他條件不變的情況下，可以增加匝數(shù)進而提高線圈的分辨率。

選取匝數(shù)為200的檢測線圈，保持線圈參數(shù)不變的條件下，改變被測試件表面缺陷的深度，對其進行仿真，并對被測試件的背面缺陷進行仿真分析，激勵線圈在被測試件表面缺陷及背面缺陷產(chǎn)生的磁感應強度如圖6所示。

圖6 缺陷深度對磁感應強度的影響曲線

由圖6可知，在保持線圈探頭的參數(shù)不變的條件下，對被測試件表面缺陷的仿真結果中，線圈探頭在軸線上產(chǎn)生的磁感應強度隨著缺陷深度的增加，變化幅度增大；在對被測試件背面缺陷仿真的結果中，線圈探頭在軸線上產(chǎn)生的磁感應強度變化幅度不大，磁感應強度幅值在零附近。

3 試驗與結果分析

設計渦流探頭及其外圍電路，建立硬件試驗平臺，采用0．10 mm直徑的漆包線繞成空心線圈，匝數(shù)為100、200的兩組探頭，采用橋式連接方式的線圈探頭在有缺陷的45#鋼板上進行試驗。試驗裝置如圖7所示。

圖7 實驗裝置示意圖

試驗裝置主要由激勵信號源、功率放大、輸出信號檢測電路幾個部分構成，在激勵信號源部分，采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術，在單片機的控制下，使用AD9850芯片模塊產(chǎn)生頻率和幅值可調(diào)的正弦激勵信號，頻率可調(diào)范圍為10 Hz～15 kHz．由于DDS本身具有頻率分辨率、信號純度高等特點，可以保證試驗中激勵信號的高純度。

功率放大環(huán)節(jié)采用了低功耗、大電流運放的OPA548芯片制作而成，單、雙電源都可以對該芯片供電，所以電路的設計具有很大的靈活性，文中采用雙電源供電，其典型電路如圖8所示。

圖8 功率放大電路

圖8中，根據(jù)同相放大的原理，把輸入的激勵源信號放大了10倍，其中OPA548的一個重要的功能是可以提供精確的、用戶可以選擇的電流限制功能，電路的放大功能為激勵探頭提供了足夠的功率來激發(fā)磁場。

在渦流檢測線圈的感應輸出信號中，對于缺陷信息的反應是通過線圈的檢測輸出電壓的變化量來實現(xiàn)的，在實際的測量中，線圈的檢測輸出電壓的變化量ΔU遠小于輸出電壓U，為了更好地顯示輸出電壓的變化量，通常會對其進行放大，為了減小輸出電壓對其的影響，在輸出信號檢測電路部分中，激勵線圈與檢測線圈采取橋式連接方式來解決這一問題，減小輸出電壓信號對電壓變化量的干擾[6]。信號放大部分是用AD620芯片搭建而成的，輸出信號檢測電路如圖9所示。

圖9 輸出信號檢測電路

圖9中，橋式電路中的平衡電阻采用精密電阻，R3為調(diào)節(jié)平衡電阻。當功率放大信號輸入橋式電路后，經(jīng)過AD620進行放大，放大后的信號可以達到mV級，實現(xiàn)了對輸出的微弱信號進行差分放大。

試驗過程中，保持傳感器探頭的激勵電壓不變，激勵頻率不變，線圈的內(nèi)外徑不變，改變激勵線圈匝數(shù)，對鋼板表面缺陷進行檢測，不同缺陷深度的檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 檢測輸出信號隨著缺陷深度的變化數(shù)據(jù)

保持傳感器探頭的激勵電壓不變，激勵頻率不變，線圈的內(nèi)外徑不變，利用匝數(shù)為200匝的線圈探頭對鋼板的表面缺陷與背面缺陷進行檢測，對于不同缺陷的檢測輸出電壓的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同缺陷的檢測輸出信號的數(shù)據(jù)

由表2、表3數(shù)據(jù)可知，在保持線圈探頭的激勵頻率為10 kHz、檢測距離、內(nèi)外徑不變的條件下，用線圈匝數(shù)為100、200的線圈探頭對鋼板表面與背面缺陷進行檢測，檢測輸出信號數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 缺陷深度對輸出電壓信號影響曲線

圖10中，用不同匝數(shù)的線圈探頭對鋼板表面缺陷進行檢測時，檢測輸出電壓信號的幅值隨著缺陷深度的變化逐漸贈大，與無缺陷時的幅值相比的變化差值達到幾十mV，當線圈探頭對鋼板背面缺陷進行檢測時，輸出電壓信號的幅值卻未發(fā)生變化。同時可以看出，匝數(shù)越大的線圈探頭，檢測輸出電壓信號幅值的變化幅度越大。

4 結論

研究了線圈探頭參數(shù)變化對傳感器測量的靈敏度的影響，從線圈產(chǎn)生的磁場空間分布出發(fā)，優(yōu)化其幾何參數(shù)，得到線圈探頭對管道表面缺陷的對比結果；在保持線圈探頭激勵電壓、頻率不變的條件下，改變線圈探頭的匝數(shù)可以提高傳感器的靈敏度和分辨率；試驗結果顯示，線圈探頭分別對鋼板表面和背面缺陷進行檢測，檢測輸出信號在鋼板表面缺陷處發(fā)生變化，且與無缺陷時的幅值相比變化差值達到幾十mV，對于鋼板背面的缺陷檢測輸出信號未發(fā)生變化，由此可以判斷線圈探頭可對管道內(nèi)外缺陷進行辨別，實現(xiàn)了管道內(nèi)表面缺陷的檢測。

參考文獻：

[1]黃松嶺，徐琛，趙偉，等．油氣管道變形渦流檢測線圈探頭的有限元仿真分析．清華大學學報．2011，51(3)：390-394．

[2]JANOUSEK L，GOMBARSKA D，APOVA K．Advances in eddy-current．Non-destructive Evaluation，2011，7(3)：318-321．

[3]王軍平，王安，帆文俠．電渦流傳感器線圈參數(shù)對傳感器性能的影響．自動化儀表．2001，22(12)：22-24．

[4]張興蘭，歐陽奇，郭煜敬．電渦流傳感器仿真開發(fā)與缺陷無損檢測實驗研究．現(xiàn)代科學儀器，2010，6(3):14-17．

[5]孟得東，劉凱，梁樹甜，等．空芯電渦流傳感器探頭線圈特性的研究船電技術，2011，31(1)：17-20．

[6]薛英娟，郝利華．基于阻抗分析法的電橋式渦流檢測系統(tǒng)研究．電子設計工程，2011，19(3)：96-99．

作者簡介：楊理踐(1957-)，教授，博士生導師，主要從事管道檢測及無損檢測技術等方面的研究．E-mail：gaosongwei888@163．com