唐 鶯,趙建強(qiáng),胡恒江,陳棣湘,何赟澤

(國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073)

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平面柔性渦流傳感器工作頻率影響分析與驗(yàn)證

唐 鶯,趙建強(qiáng),胡恒江,陳棣湘,何赟澤

(國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073)

平面柔性渦流傳感器能同時(shí)獨(dú)立測(cè)量電導(dǎo)率和提離，在應(yīng)力評(píng)估、缺陷檢測(cè)方面具有較大優(yōu)勢(shì)。文中采用有限元法仿真分析了工作頻率對(duì)平面柔性渦流傳感器性能的影響，在工作頻率為500 kHz時(shí)，使用所設(shè)計(jì)的平面柔性渦流傳感器對(duì)鋁合金3A21進(jìn)行了拉伸應(yīng)力試驗(yàn)，得到鋁合金電導(dǎo)率與拉伸應(yīng)力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在合適的工作頻率激勵(lì)下，平面柔性渦流傳感器能有效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率測(cè)量和應(yīng)力大小的評(píng)估。

平面柔性渦流傳感器；工作頻率；應(yīng)力評(píng)估；電導(dǎo)率；有限元法

0 引言

金屬部件長(zhǎng)時(shí)間工作之后，容易因疲勞裂紋造成斷裂而失效。而應(yīng)力是造成零件疲勞、斷裂的重要因素，也是表征構(gòu)件早期質(zhì)量的重要參量，有效評(píng)價(jià)應(yīng)力變形狀態(tài)對(duì)于關(guān)鍵部件早期失效預(yù)測(cè)十分必要[1-2]。

傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估存在檢測(cè)難度大、檢測(cè)效率低、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。比如X射線衍射法檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴，對(duì)測(cè)試操作要求較高[3-4]；超聲檢測(cè)需要使用耦合劑，對(duì)材料表面有一定要求，并受到被檢測(cè)材料厚薄的限制[5]。金屬材料具有的導(dǎo)電性能使得渦流檢測(cè)在應(yīng)力評(píng)估、缺陷檢測(cè)方面具有較大優(yōu)勢(shì)[6-7]。

平面柔性渦流傳感器將激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈制作在同一薄的柔性襯底上，能夠適應(yīng)較為復(fù)雜表面的被測(cè)材料，可以同時(shí)測(cè)量材料電導(dǎo)率和提離[8]。

對(duì)于平面柔性渦流傳感器而言，檢測(cè)的靈敏度受傳感器的工作頻率影響較大。本文利用有限元法仿真分析了工作頻率對(duì)傳感器性能的影響，并進(jìn)行了鋁板應(yīng)力評(píng)估實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在合適的工作頻率激勵(lì)下，平面柔性渦流傳感器能有效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率測(cè)量和應(yīng)力大小的評(píng)估。

1 平面柔性渦流傳感器工作原理

平面柔性電磁傳感器由激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成，激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈按一定的規(guī)則周期分布在柔性基底上。其結(jié)構(gòu)和平面變壓器類(lèi)似，如圖1所示。平面柔性傳感器的這種周期性結(jié)構(gòu)能夠提高激勵(lì)磁場(chǎng)的均勻性，同時(shí)，方便對(duì)電磁場(chǎng)的相互作用進(jìn)行準(zhǔn)確的建模。

圖1 平面柔性電磁傳感器示意圖

(1)

由式(1)所得轉(zhuǎn)移阻抗Z與被測(cè)材料的電導(dǎo)率和提離等物理屬性有關(guān)，而電導(dǎo)率反映了被測(cè)材料的損傷程度，提離體現(xiàn)了材料表面的粗糙度。因此，根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)移阻抗的幅度和相位可以獲得被測(cè)材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、涂層厚度等絕對(duì)參數(shù)的相關(guān)信息，從而進(jìn)行微損傷、應(yīng)力分布等的評(píng)估。

平面柔性渦流傳感器測(cè)量所得被測(cè)材料物理屬性為感應(yīng)單元覆蓋面下的平均值，感應(yīng)單元的尺寸越小，測(cè)量的空間分辨力就越高。為了識(shí)別細(xì)微的裂紋損傷，需要減小感應(yīng)單元的尺寸。但感應(yīng)單元面積的減小，感應(yīng)線圈和激勵(lì)線圈的磁鏈也會(huì)減小，這將導(dǎo)致感應(yīng)電壓的幅值降低，增大信號(hào)處理的難度。對(duì)平面柔性渦流傳感器的設(shè)計(jì)要綜合考慮上述2方面因素。

有限元法由于具有可以模擬實(shí)際檢測(cè)條件，不需要設(shè)計(jì)制作大量傳感器以及人工缺陷試樣，被廣泛應(yīng)用于解決電磁場(chǎng)問(wèn)題。平面柔性渦流傳感器的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性和周期性，非常適合有限元仿真分析。本文采用有限元法分析工作頻率對(duì)傳感器性能的影響。

2 傳感器有限元仿真模型

采用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)圖1所示的平面柔性渦流傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模分析，圖2為平面柔性渦流傳感器的模型圖。選用三維單元類(lèi)型SOLID97，這是一種基于節(jié)點(diǎn)的矢量位分析方法，節(jié)點(diǎn)自由度分別為AX、AY和AZ。采用六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 平面柔性渦流傳感器模型圖

有限元仿真模型中，傳感器線圈寬度為0.2 mm，厚度為0.35 mm，激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈的間距為0.1 mm，與實(shí)際傳感器尺寸保持一致。采用正弦電流激勵(lì)，電流幅值為1 A，初相位為0°。

3 傳感器工作頻率對(duì)檢測(cè)深度的影響

由電磁感應(yīng)定律知，存在電磁耦合關(guān)系的激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈，在相同幅值的正弦激勵(lì)電流作用下，激勵(lì)繞組的頻率越高，感應(yīng)電壓幅值越大。在傳感器結(jié)構(gòu)確定后，可以相應(yīng)提高工作頻率以獲得較大響應(yīng)輸出。但工作頻率直接影響磁場(chǎng)在被測(cè)對(duì)象表面的透入深度，這關(guān)系到傳感器的可檢測(cè)深度。現(xiàn)對(duì)空間波長(zhǎng)分別為2.4 mm和3.6 mm的2種平面柔性渦流傳感器在不同工作頻率情況下仿真分析透入深度，其中被測(cè)材料電導(dǎo)率為1 MS/m、相對(duì)磁導(dǎo)率為20，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 透入深度與傳感器工作頻率的關(guān)系

由圖3知，在工作頻率為1 MHz以內(nèi)，空間波長(zhǎng)對(duì)透入深度起主要作用，工作頻率高于1 MHz，透入深度與趨膚深度趨于一致?？梢?jiàn)，高頻和較短的空間波長(zhǎng)更加適合于近表面缺陷檢測(cè)和研究表面的應(yīng)力分布。

4 傳感器工作頻率對(duì)轉(zhuǎn)移阻抗的影響

利用仿真分析平面柔性渦流傳感器轉(zhuǎn)移阻抗隨工作頻率變化情況。圖4是轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。

(a)轉(zhuǎn)移阻抗實(shí)部

(b)轉(zhuǎn)移阻抗虛部圖4 轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性

由圖4知，在低頻段，轉(zhuǎn)移阻抗的實(shí)部和虛部都很小，這是因?yàn)楦袘?yīng)電壓幅值很小，隨著頻率的增加，感應(yīng)電壓幅值迅速增加。

為了保證感應(yīng)繞組兩端的電壓信號(hào)幅值滿足一定的檢測(cè)要求，傳感器的工作頻率不能選得太低，一般大于100 kHz；另一方面，工作頻率也不能過(guò)高，否則會(huì)大幅增加信號(hào)處理電路的復(fù)雜度，因此應(yīng)當(dāng)小于5 MHz。

5 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，綜合考慮選取傳感器工作頻率為500 kHz，分析平面柔性渦流傳感器響應(yīng)信號(hào)與被測(cè)材料應(yīng)力之間的相關(guān)性。

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：

(1)阻抗分析儀:使用高精度阻抗分析儀，用于轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)量，激勵(lì)頻率范圍為：20 Hz～20 MHz；

(2)平面柔性渦流傳感器如圖5所示；

(3)加載試件：本試驗(yàn)樣品為軋制的鋁合金3A21，長(zhǎng)為200 mm，寬為40 mm，厚2 mm，屈服強(qiáng)度約為100 MPa；

(4)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī):型號(hào)為WDW-E100D，是微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大加載容量為50 kN。拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，如圖5所示，試件兩端固定在實(shí)驗(yàn)機(jī)上，將傳感器固定在試件一側(cè)，其他面為自由狀態(tài)，把實(shí)驗(yàn)機(jī)調(diào)整為拉伸狀態(tài)。拉伸試驗(yàn)在加載材料的彈性區(qū)進(jìn)行。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從0開(kāi)始逐漸增加拉力，一直增加至2.5 kN左右，對(duì)每一拉力值進(jìn)行5次重復(fù)轉(zhuǎn)移阻抗值的測(cè)量，最后取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果并記錄數(shù)據(jù)。拉力值依次為0.483 kN、1.051 kN、1.508 kN 、1.973 kN 、2.543 kN,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分別為：2.415 MPa、5.255 MPa、7.54 MPa、9.865 MPa、12.715 MPa。

將所得電導(dǎo)率值與所加應(yīng)力繪制成圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)拉應(yīng)力增加時(shí)，電導(dǎo)率值隨之幾乎線形下降，這是金屬材料典型特性的表現(xiàn)。采用線性擬合的方式，得到擬合方程為

σ電=-0.150 8σ應(yīng)+19.415 1

(2)

殘差值為0.005 9。

6 結(jié)論

本文仿真分析了工作頻率對(duì)平面柔性傳感器性能的影響，

圖6 應(yīng)力與電導(dǎo)率關(guān)系圖

根據(jù)仿真結(jié)果，選取工作頻率為500kHz，對(duì)鋁合金進(jìn)行了拉伸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較合適工作頻率激勵(lì)時(shí)，平面柔性渦流傳感器能夠用來(lái)評(píng)估電導(dǎo)率的分布，并以此來(lái)評(píng)估被測(cè)導(dǎo)電材料所處的應(yīng)力狀態(tài)，為關(guān)鍵部件早期失效預(yù)測(cè)提供有力保證。

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Analysis and Validation of Effect of Frequency on Planar Eddy Sensor

TANG Ying,ZHAO Jian-qiang,HU Heng-jiang,CHEN Di-xiang,HE Yun-ze

(College of Mechatronics and Automation,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The planar flexible eddy current sensor can test lift-off and conductivity independently at the same time，making it easy for defect testing and stress evaluation.The effects of the frequency on the performances of planar flexible eddy current sensor were analyzed by using the finite element method (FEM).The sensor working in frequency of 500 kHz was used for tensile stress testing of aluminum alloy 3A21,then the relationship between the aluminum alloy conductivity and the tensile stress was obtained.The experimental results show that the planar flexible eddy current sensor can be used for measurement of conductive material’s conductivity and evaluation of its stress when the exciting frequency is appropriate.

planar flexible eddy current sensor；frequency;stress evaluation；conductivity;finite element method

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61171134)

2014-10-22 收修改稿日期：2015-03-05

TM154.2

A

1002-1841(2015)08-0004-03

唐鶯(1971—)，副教授，博士，主要從事電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其相關(guān)理論的研究。E-mail:tangyingtiger@163.com趙建強(qiáng)(1986—)，在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)。E-mail：jqzhao@qq．com