M型電磁傳感器檢測裂紋的仿真分析及參數優化

左憲章，錢蘇敏，張云，常東

（軍械工程學院無人機工程系，河北石家莊 050003）

M型電磁傳感器檢測裂紋的仿真分析及參數優化

左憲章，錢蘇敏，張云，常東

（軍械工程學院無人機工程系，河北石家莊 050003）

傳統的脈沖渦流傳感器采用圓柱式結構，其磁場大部分在空氣中傳播，造成能量的損失，因此該文設計M型電磁傳感器在單線圈傳感器上增加一個U型磁軛來提高磁場的利用率。通過ANSYS仿真軟件對M型傳感器與單線圈傳感器檢測不同深度的裂紋進行仿真對比，結果證明M型傳感器的靈敏度高，信號強，同時對于傳感器激勵源參數進行優化。

脈沖渦流；M型傳感器；裂紋檢測；參數優化

0 引言

在裂紋缺陷檢測中，傳統的無損檢測方法有超聲、磁粉和滲透等，但超聲檢測需要用到耦合劑，磁粉和滲透檢測對工件表面要進行一些預處理。而近期的研究熱點脈沖漏磁及脈沖渦流檢測技術，對工件表面狀況要求低，易于檢測，因此逐步在裂紋檢測中占據主導地位。脈沖漏磁檢測主要針對的是鐵磁性材料，而脈沖渦流檢測主要針對的是非鐵磁性材料，但是在檢測鐵磁性材料時，也有渦流成分的存在，所以研究利用脈沖渦流技術檢測鐵磁性材料裂紋將使這一技術得到更大的運用前景[1-2]。

傳統的脈沖渦流傳感器采用圓柱形傳感器，激勵線圈使被檢試件內部產生所需磁場，磁場大部分是在空氣中傳播，而空氣的磁導率很低，這就導致磁場在空氣中會有很大衰減，造成磁場能量的損失，對于檢測精度會有很大程度的影響。

本文主要研究M型脈沖渦流傳感器對鐵磁性材料的裂紋檢測。通過ANSYS有限元仿真的方法，對M型傳感器模型與單線圈傳感器模型進行了仿真對比，驗證了傳感器的有效性，同時對于傳感器激勵源參數進行了優化。

1 仿真實驗對比

1.1 脈沖渦流檢測原理

渦流檢測方法是將通有交變電流的線圈靠近待測試件，而線圈中的交變磁場與試件發生電磁感應，在導體中感生出渦流，渦流也會產生感應磁場。當試件表面有缺陷時，會導致渦流與感應磁場的強度與分布的變化[3]。與傳統的渦流檢測技術相比，脈沖渦流利用一個重復的寬帶脈沖（例如方波）激勵線圈，線圈中產生瞬時電流，在檢測對象上感應出瞬時渦流，并與快速衰減的磁脈沖結合起來在材料中傳播，且脈沖包含了很寬的頻譜，所以感應信號中包含大量的信息[4-5]。

在傳統的脈沖渦流傳感器結構中，激勵線圈產生的磁場通過線圈下端到達工件，然后通過空氣耦合回到線圈上端，從而形成磁路。因此激勵磁場除了在所測試件內部產生所需的磁場，同時大部分磁路暴露在空氣中，衰減大，使得通過試件的磁場很微弱，所產生的磁場強度較弱，導致檢測靈敏度低。本文擬提出一種新型傳感器勵磁結構——M型脈沖渦流傳感器，保證勵磁磁路大部分集中在鐵磁材料中進行傳播，因而相比于傳統的圓柱型的傳感器，能量損失小、檢測靈敏度高。

1.2 M型傳感器結構設計

通過有限元軟件ANSYS，建立傳感器的模型。激勵線圈位于M型鐵芯中間的磁極上，當激勵線圈產生的磁場通過無缺陷的試件時，磁場通過M型磁軛的另外兩磁極和試件形成閉合回路，磁場均勻分布。

設計M型傳感器長44mm，寬20mm，高28mm。其中，中間的磁軛長12mm，寬20mm，高20mm。單線圈傳感器長12mm，寬20mm，高20mm。線圈匝數為400匝。試件長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，相對磁導率為1。磁軛相對磁導率為1000。試件電阻率為2E-7Ω·m，相對磁導率為200，為鐵磁性材料。對于激勵線圈施加的是占空比為50%，頻率為50Hz，激勵電流為4A的方波。

當傳感器與工件提離值為1mm時，傳統圓柱型傳感器與M型傳感器激勵磁場磁通密度及試件上渦流分布仿真結果如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 M型傳感器激勵磁通密度分布

圖4 單線圈傳感器激勵磁通密度分布

圖5 M型傳感器勵磁的工件渦流分布

圖6 單線圈傳感器勵磁的工件渦流分布

由圖3和圖4可知，M型傳感器激勵磁場在各方向上的分布是不均勻的，相對集中在有磁軛的位置上，所產生的渦流也是不均勻的，左右位置附近渦流密度較大，前后渦流密度相對較小，如圖5所示。單線圈傳感器由于磁場在空氣中均勻傳播，所以渦流密度分布相對均勻，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。可見，單線圈產生的渦流密度最大值比M型傳感器產生的渦流密度最大值小，這是由于在空氣中磁場沒有在磁軛中分布密集，因此，M型傳感器在檢測相同位置的缺陷時所得數據大，更易于檢測。

1.3 信號特征分析

圖7顯示了鋁材料工件的傳統典型的脈沖渦流參考信號、檢測信號以及它們相減得到的差分信號。參考信號和檢測信號趨勢相同，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。差分響應信號起始段上升不如前兩種信號快，到達最大值點后，先快速后緩慢的下降，到趨于零點。在峰值點處，檢測信號和參考信號的差別最大。通常采用的信號特征為差分信號的峰值及峰值時間[6-7]。

圖7 鋁材料的脈沖渦流信號

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

圖8 檢測鐵磁材料瞬態磁通密度

通過圖8可知，當檢測鐵磁性材料時，測得的磁場最大值受磁化效應[8]和鐵磁材料的磁質特性的影響。圖9中顯示的磁場是由激勵產生的磁場以及由渦流產生的磁場疊加而成的。由于磁場會向磁導率大的方向流動，所以在缺陷周圍，磁場會向工件處流動，而在空氣中流動的磁場減少，磁場不均勻分布。無缺陷時，產生的磁場是均勻分布。所以采集的無缺陷處的參考信號幅值與檢測信號幅值最終無法達到一致。同時，當達到穩定的時候，無缺陷的B的穩定值相比于有缺陷的B的穩定值大。這與非鐵磁性材料有很大區別。

圖9 缺陷附近磁通密度分布

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

圖10 0.2mm歸一化差分信號

1.4 仿真結果分析

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

提取信號的峰值及峰值時間，所得數據如表1所示。根據表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

圖12 單線圈不同深度缺陷的歸一化差分信號

表1 不同缺陷的峰值及峰值時間

圖13 M型與單線圈不同深度缺陷歸一化差分信號峰值

圖14 M型與單線圈不同深度缺陷歸一化差分信號峰值時間

從表1及圖13、圖14可知，M型傳感器所得信號相比于單線圈所得的信號峰值較大，兩者之間差值最小為0.0005，最大為0.0008。且達到峰值的時間也較大，同時達到峰值的時間差最小為0.006ms，而單線圈達到峰值的時間差最小為0，即無時間差。可見，M型傳感器對于寬度相同、深度不同的缺陷檢測比單線圈傳感器靈敏度更高，信號更強，利于檢測。

2 模型激勵源參數的優化

為了進一步增加傳感器模型的檢測精度，針對M型傳感器進行了參數優化。設置缺陷深度為0.2mm，寬度為1mm，對于不同激勵源頻率及激勵源大小進行仿真，選取最佳參數。

2.1 激勵源頻率的選擇

在脈沖激勵大小以及占空比不變的前提下，改變脈沖激勵源的頻率并采集其缺陷信號峰值大小，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，隨著激勵源頻率的增加，缺陷信號峰值不斷減小，因為隨著脈沖激勵頻率的增加，其激勵電流正負交替頻率變快，穩定值時間變短，試件充磁不充分，產生的渦流變小，磁場疊加不明顯，所測的數據也減小。所以脈沖渦流檢測不適宜高頻的情況下，在選擇激勵電源的頻率時，一般選擇100Hz以下。

2.2 激勵源大小的選擇

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

圖16 不同激勵源大小下的磁通密度峰值

從圖16可知，隨著激勵源大小的增大，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，應盡量選擇大的激勵源。

3 結束語

通過研究脈沖漏渦流傳感器的結構，提出了新型的M型傳感器，利用ANSYS有限元仿真的方法，對M型傳感器模型與單線圈傳感器模型進行了仿真對比。結果顯示，M型傳感器的檢測信號強，靈敏度高。并進一步對其激勵源參數進行了優化，為以后的實驗平臺搭建打下基礎。

[1]Huang C，Wu X J，Xu Z Y，et al.Pulsed eddy current signal processing method for signal denoising in ferromagnetic p late testing[J].NDT&E International，2010（43）：648-653.

[2]Huang C，Wu X J，Xu Z Y，et al.Ferromagnetic material pulsed eddy current testing signal modeling by equivalentmultiple-coil-coupling approach[J].NDT&E International，2011（44）：163-168.

[3]游鳳荷，蔣韜，孫研飛.脈沖渦流磁場特征分析[J].儀表技術與傳感器，2003（5）：38-39.

[4]Huang C，Wu X J，Xu ZY，et al.Ferromagneticmaterial pulsed eddy current testing signal modeling by equivalent multiple-coil-coupling approach[J].NDT&E International，2011（44）：163-168.

[5]Xu P，Huang S L，Zhao W.A new differential eddy current testing sensor used for detecting crack extension direction[J].NDT&E International，2011（44）：339-343.

[6]周德強，張斌強，田貴云，等.脈沖渦流檢測中裂紋的深度定量及分類識別[J].儀器儀表學報，2009，30（6）：1190-1194.

[7]Sophian A，Tian G Y，Taylor D，et al.A feature extraction techniques for pulsed eddy current NDT[J].NDT E Int，2003，36（1）：37-41.

[8]He Y Z，Luo F L，Pan M C，etal.Defect classification based on rectangular pulsed eddy current sensor in different directions[J].Sensors and Actuators A，2010（157）：26-31.

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，主要從事機械故障診斷及智能信息處理與識別方面的研究。