激勵參數對脈沖渦流缺陷檢測的仿真分析

周德強，閆向陽，尤麗華

（1.江南大學 機械工程學院，無錫 214122；2.無錫國盛精密模具有限公司，無錫 214024）

脈沖渦流檢測技術是近幾年發展起來的一種新興的電磁無損檢測技術，它與傳統的使用正弦信號作為激勵信號源的檢測方法不同，其激勵信號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，對深層缺陷檢測能力強。另外，由于其具有檢測成本低廉、操作簡單、不污染環境、對人體基本無害的特點，因此得到了廣泛的應用［1－2］。

國內外學者對脈沖渦流檢測技術進行了深入研究，如脈沖渦流對金屬壁厚、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，對表面下缺陷的檢測也有一定的研究［3－4］。脈沖渦流檢測的激勵參數包括激勵幅值、重復頻率、占空比、邊沿斜率等，文獻［5］對激勵參數進行了一定的優化選擇分析。文獻［6］用矩形脈沖電壓激勵信號作為激勵，認為電壓對時間的積分代表了能量，得出穿透能力與激勵能量相關的結論。文獻［7］通過試驗證明了在較大電流的激勵下，渦流滲透深度可有效地滲透到10mm厚度的鋼板亞表面。文獻［8］研究了激勵脈沖的占空比對缺陷檢測的影響，證明激勵脈沖的占空比越大，脈沖渦流穿透能力越強。從以上文獻分析可知，激勵參數與脈沖渦流傳感器的檢測靈敏度、檢測深度密切相關，因此，有必要展開激勵參數的研究。

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

1 模型的建立和相應參數設置

1.1 仿真模型的建立

在實際的電磁檢測中，由于檢測條件的復雜性和不確定性，許多問題無法通過數學解析式求得解析解。為解決工程中的數學問題，計算機數值計算在實際中得到了廣泛的應用，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小子域（有限元），每個小子域求解得到一個簡單的近似解，并根據求解條件得到整個求解域的近似解。雖然在這種情況下求得的不是模型的準確解，但在無法獲得準確解的實際問題中這是一種非常有效的分析方法。

文章使用多物理場仿真軟件ComsolMultiphysics建立了脈沖渦流檢測的仿真模型。由于圓柱型探頭是軸對稱結構的，因此可以在二維軸對稱下建立模型，只要求得一個截面上的電磁場分布情況就可以得到整個仿真模型的電磁場分布，以簡化建模和計算；選擇物理場為磁場并且在瞬態求解下進行計算仿真。整體建模結構如圖1所示。

1.2 相應參數的設置

仿真模型幾何參數示意圖如圖2所示，模型尺寸參數列于表1中。

激勵線圈擬采用0.3mm的漆包線繞制而成，由當前參數設置，線圈匝數為100匝。霍爾傳感器放置在對稱軸上試樣上方0.5mm處，即取0.5mm處的Z軸的磁通密度值來進行計算分析。選擇試樣為系統材料庫里面的鋁，其電導率為σ＝3.774×107S／m；使用電流作為激勵信號，頻率f＝100Hz。根據滲透公式δ＝1／，式中μ＝4π×10－7N／A2，計算得到滲透深度δ為8.2mm。即在當前參數設置下，可以完全檢測到被測試件表面下缺陷。

表1 模型中相應的幾何參數表

2 仿真試驗安排及結果分析

根據激勵方波的參數圖（圖3），圖中T表示一個激勵周期，τ表示脈沖寬度即占空比，I0表示激勵電流幅值。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求取數據。0mm即為沒有缺陷時的數據，稱之為參考信號，采用各個缺陷仿真得到的缺陷信號減去參考信號得到差分信號。差分信號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，激勵幅值變化時的缺陷檢測的仿真

由電磁場理論，可以得到磁場強度B與通過線圈的電流成正比：B＝μ0NI。其中μ0表示真空電導率；N是線圈匝數；I為導線中的電流強度。激勵幅值，即電流強度的不同會對表面下缺陷的檢測效果有一定的影響。此組仿真試驗分5次進行，5次試驗中脈沖寬度相同（0.005s），激勵幅值從0.25A變化到1.25A，每次試驗后增加0.25A，主要研究激勵幅值對表面下缺陷檢測的影響。

參考信號、缺陷信號及差分信號的關系圖如圖5所示。其中缺陷深5mm，差分信號為缺陷信號減去參考信號得到的差。提取差分信號峰值，繪制得到圖6所示曲線。從圖6中看出，激勵幅值越大，差分信號峰值越大。激勵電流幅值越大，檢測靈敏度越高，與文獻［7］中提到的大激勵電流可以提高脈沖渦流檢測的靈敏度相吻合。在工程實踐中，不太容易獲取較大激勵電流，可以根據要檢測的缺陷深度，適當選擇激勵電流幅值。

2.2 激勵幅值相同，占空比不同時的缺陷檢測的仿真

文獻［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，此組試驗分5次進行，5次試驗中激勵幅值全部為0.5A，脈沖寬度從0.001s變化到0.005s，每次試驗后增加0.001s，即相應占空比從10%變化到50%（每次試驗后增加10%），分析占空比（脈沖寬度）對表面下缺陷檢測的影響。

從圖7可以看出：不同深度的缺陷差分信號的峰值按缺陷深度從大到小變化，對不同深度缺陷有較明顯的檢測效果；而從同一深度的缺陷來看，隨著占空比的增加，差分信號峰值都是在20%占空比時達到最大，驗證了文獻［8］中提到的，根據不同滲透

圖7 相同激勵幅值（0.5A）不同占空比時對表面下缺陷檢測

深度選擇不同的脈沖寬度（占空比）。由試驗結果可以看出：在當前參數設置下，金屬厚度一定時，20%的占空比是最佳選擇，此時檢測靈敏度最大，尤其對于深度較大的缺陷檢測效果更好。因此，此組仿真試驗中20%占空比為最優的占空比。檢測不同的金屬厚度及材料時，對金屬下表面缺陷檢測應該有最佳的占空比選擇。

2.3 脈沖寬度與激勵幅值乘積相同時對表面下缺陷檢測的影響分析

以上兩組試驗分析了單一激勵參數變化對金屬表面下缺陷檢測的影響，而該組試驗取激勵幅值與脈沖寬度同時變化，但其乘積相同時，分析對表面下缺陷檢測的影響。取激勵信號頻率為100Hz，即周期為0.01s，占空比與激勵幅值的乘積為2。占空比從10%變化到50%，即脈沖寬度從0.001s變化到0.005s，激勵幅值相應變化。試驗計劃如表2所示。

表2 脈沖寬度與激勵幅值乘積相同的試驗計劃

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

圖9表示脈沖寬度與激勵幅值乘積相同時，對表面下1mm缺陷檢測的結果圖。從圖中可以看出：從激勵幅值來看，激勵幅值大的差分信號峰值明顯大，而且隨著激勵幅值的減小，差分信號成遞減趨勢，所以對表面下缺陷的檢測，激勵幅值還是起主導作用；從占空比來看，脈沖寬度即占空比的改變，只是改變了差分信號到達峰值的時間。

圖10是提取各個差分信號的峰值曲線，其表示的是不同深度缺陷在激勵幅值與脈沖寬度乘積相同時的差分信號峰值曲線圖。研究結果顯示：占空比小的檢測效果明顯比占空比大的檢測效果要好。這是由于占空比小的激勵參數高頻成分占主導，同時占空比小時，其激勵幅值相應地比較大。證實激勵幅值與脈沖寬度乘積相同時對下表面缺陷檢測的效果具有一定的表征性。圖11表示差分信號峰值隨缺陷大小變化的關系圖。在激勵幅值與脈沖寬度乘積相同情況下，占空比越小，激勵幅值越大，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靈敏度。

圖10 差分信號峰值與占空比關系

圖11 檢測效果隨缺陷深度變化關系圖

3 結論

通過有限元仿真試驗，研究了激勵參數對表面下缺陷檢測的影響。通過三組不同激勵參數的仿真試驗及相應的數據分析得出：

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

（2）脈沖寬度（占空比）與激勵幅值乘積相同時，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踐中脈沖渦流激勵參數的選擇提供一定的借鑒作用。

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