脈沖渦流矩形傳感器的方向特性仿真分析

周德強，尤麗華，閆向陽，張秋菊

（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）

脈沖渦流無損檢測方法是目前渦流檢測領域的一個研究熱點。激勵脈沖包含的頻譜寬，可提取的缺陷信息豐富［1－2］，對深層缺陷檢測能力強［3－4］，應用前景廣闊。傳統的圓柱形脈沖渦流傳感器可以對表面和近表面缺陷進行定量檢測［5－6］，但激勵磁場直接穿過檢測線圈，使得激勵信號對檢測信號產生很大的干擾。由于脈沖渦流圓柱型傳感器測量的是傳感器圓型區域的電導率平均值，對各向異性金屬材料的電導率缺陷及應力的檢測存在很大的難點，而脈沖渦流矩形傳感器檢測優勢明顯，可以有效解決各向異性金屬部件缺陷或應力的檢測問題［5］。

脈沖矩形渦流傳感器具有如下優點：在裂紋檢測中由于提離效應影響小而對微小裂紋具有高靈敏度；易于采用PCB技術制造；由于PCB技術的可行使得矩形探頭可以檢測復雜缺陷；能有效消除邊緣效應的影響；由于具有方向特性，矩形探頭能夠產生均勻的渦流分布等［7－9］。脈沖渦流矩形傳感器的不同放置方式將引起磁場分布特性的改變以及渦流衰減規律的改變，進而影響整個系統的檢測效果，因此開展脈沖渦流矩形傳感器的方向特性研究是十分必要的。

筆者采用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件，建立了脈沖渦流矩形傳感器檢測模型。通過電導率的改變，提取磁場的瞬態信號，對三維磁場信號進行了仿真分析，對比矩形探頭的兩種放置方式的方向特性。

1 仿真模型的建立和參數設置

1.1 仿真模型的建立

采用Comsol Multiphysics建立了脈沖渦流矩形探頭三維檢測模型。在AC／DC模塊下選擇物理場為磁場并且在瞬態求解下進行求解分析。由于矩形探頭放置方式不同檢測效果有所不同，因此建立了豎直放置和水平放置兩種檢測模型。豎直放置是傳統的檢測方式，此時磁感應線垂直穿過檢測試樣，如圖1所示；而水平放置時磁感應線與被測試樣的表面平行，模型如圖2所示。

圖1 豎直放置仿真模型圖

圖2 水平放置仿真模型圖

1.2 電流密度設定及其他參數說明

仿真中載荷的添加尤為關鍵，在繪制矩形線圈時，采用的是8塊矩形組合的方法。以豎直放置檢測模型為例，圖3為圖1線圈的俯視圖。激勵電流密度大小定義變量為C，得：

式中：N表示線圈的匝數；0.5表示設定的電流大小；t表示求解時間；A表示線圈的橫截面積；T表示線圈纏繞厚度，試驗設定T＝3mm；H表示線圈的高度；d表示漆包線導線直徑，d＝0.3mm。

圖3 矩形線圈的俯視圖

按照逆時針方向設定電流密度方向，這樣可以使磁場方向為z軸正向，便于后期數據處理。即按照圖3所示標號1～8的順序為各個線圈添加外部電流密度作為激勵。豎直放置模型的電流只需要添加x，y兩個方向，z方向始終為0。例如模塊1，只在x方向有電流，故x方向外部電流密度設為C，y方向為0。標號4的模塊，其電流方向為135°，根據向量分解原則，x方向外部電流密度為－C／sqrt（2），y方向為C／sqrt（2），負號表示方向為x軸負向，依次類推完成對矩形線圈的電流設定。被測試樣為鋁板，其尺寸（長×寬×高）為100mm×100mm×10mm，相對磁導率為1，電導率為＝3.774×107S／m。激勵線圈的長，寬和高均為20mm，激勵電流幅值大小為0.5A，頻率為100Hz。傳感器放置在試樣上方0.5mm處，即提離高度為0.5mm。

1.3 渦流分布

截取了矩形探頭尺寸為20mm×20mm×30mm被測試樣表面的渦流分布圖，如圖4。從圖4（a）中可以看出，豎直放置時，渦流集中分布于激勵線圈的下方，中心區域渦流密度最小，從中心區域到外圍渦流密度逐漸增大。如圖4（b）所示，水平放置時，在矩形線圈中心兩側都有渦流分布，而且每一側的渦流密度都比較大，其中心區域渦流密度最大，渦流分布從中心區域向外圍逐漸減小。通過對比渦流密度的最大值可以看出：水平放置時的中心區域的渦流密度大于豎直放置時中心區域的渦流密度，有利于檢測微小缺陷等。

2 仿真試驗安排及結果分析

激勵線圈放置方式的不同導致檢測效果不同，以被測試樣的電導率變化為誘導因素，即對不同電導率（電導率的變化通過對材料中電導率屬性進行改變，試驗中增量分別為10%，20%，30%，40%，50%）的數據求取差分信號，對比分析矩形激勵線圈的方向特性。數據處理流程圖如5所示。

圖4 渦流分布對比圖

圖5 仿真處理流程圖

以豎直放置的矩形探頭提取z軸磁通密度分量，模型如圖1所示。圖6為原始信號、電導率變化后的信號及差分信號。原始信號是電導率沒有變化的仿真所得信號；變化信號是增加電導率50%得到的信號；用原始信號減去變化信號，就得到了差分信號。差分處理的目的能有效提高傳感器的靈敏度。電導率變化從10%到50%，步距為10%，得到的差分信號如圖7所示。從圖7可以看出，差分信號的峰值與電導率的變化規律呈現出一定的關系，即隨著電導率變化的增大而增大。

提取差分信號峰值進行分析，其結果如圖8所示。從圖8中可以看出，電導率的變化與信號峰值的變化之間具有線性關系。為了對比矩形探頭不同方向的檢測效果，通過對比x，y，z三個方向磁通密度的變化來探究矩形探頭的方向性。

圖6 原始信號、變化信號及差分信號

圖7 z軸差分信號

圖8 z軸差分信號峰值

圖9 不同尺寸探頭豎直放置的三軸靈敏度

通過上述處理方法，得出矩形探頭20mm×20mm×20mm豎直放置時三個方向的檢測靈敏度，如圖9（a）所示。從圖9可以看出，z軸方向具有很大的靈敏度，x，y軸與z軸的差分信號峰值不在一個數量級上，與z軸相比，幾乎沒有靈敏度。為了進一步探究不同尺寸矩形探頭豎直放置時磁場密度的變化規律，仿真研究了長×寬×高分別為20mm×20mm×30mm，20mm×20mm×40mm的矩形探頭，其長寬高比分別為1：1：1.5和1：1：2，仿真結果如圖9（b）和（c）所示。比較圖9（a）～（c）可以得出，矩形探頭豎直放置時，隨著長、寬、高尺寸比例的增加，其x，y，z軸磁通密度發生變化，呈現先增大后減小的趨勢。然而，其x軸、y軸靈敏度相對z軸靈敏度均可忽略不計。因此豎直放置檢測時，z軸靈敏度最大，其它方向分量近似為0，有利于集中渦流對被測試件深層方向的缺陷進行檢測，而其它方向的分量忽略不計。該種放置檢測方式有利于z軸方向缺陷或應力的檢測。

以相同尺寸的矩形激勵線圈，水平放置在被測試樣上方，模型圖如圖2所示。按照上述分析豎直放置脈沖渦流矩形傳感器的方法，分析了水平放置相同脈沖渦流傳感器的三個方向的檢測效果，矩形探頭尺寸為20mm×20mm×20mm水平放置時仿真結果如圖10（a）所示。從圖10（a）中可以看出，x，y，z軸三個方向均有其磁場分量，而三個方向y軸靈敏度最大，其次是x軸，最小為z軸。為了進一步研究脈沖渦流矩形傳感器的方向特性，仿真研究了不同長寬比（1.5：1：1和2：1：1）矩形探頭對渦流信號的影響，其仿真結果如圖10（b）和（c）所示。從圖10（a）～（c）可以看出，隨著長寬比例的增加，y軸靈敏度最大，且x軸、z軸的靈敏度相對y軸的靈敏度越來越小，當長、寬、高比例尺寸為2：1：1時，其x軸、z軸的靈敏度可忽略不計，因此，脈沖渦流矩形傳感器水平放置時，y軸靈敏度最大，隨著長、寬、高比例的增加，其x軸、z軸靈敏度可忽略不計。該種放置檢測方式有利于y軸方向缺陷或應力的檢測。

圖10 不同尺寸探頭水平放置時的三軸靈敏度

3 結論

應用大型電磁學仿真軟件Comsol Multiphysics仿真分析了脈沖渦流矩形傳感器不同放置方式下的渦流分布。研究得出，水平放置方式下的渦流密度更大，更有利于檢測微小缺陷等；其次，采用仿真試驗對矩形探頭的方向特性進行了研究。從仿真試驗分析結果可以得出：矩形探頭相對于圓柱型探頭具有方向特性。在水平放置與豎直放置兩種方式下，各個方向的傳感器靈敏度不同。豎直放置方式下z軸靈敏度最大，有利于對深層缺陷或應力的檢測，水平放置方式下y軸靈敏度最大，有利于y軸方向缺陷或應力的檢測。

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