電渦流檢測系統的仿真分析與實驗研究

張榮華 劉建旭

(天津工業大學電氣工程與自動化學院)

電渦流檢測系統的仿真分析與實驗研究

張榮華 劉建旭

(天津工業大學電氣工程與自動化學院)

設計了一個EC-AMR電渦流檢測系統。運用基于有限元分析法的COMSOL軟件對影響檢測結果的主要因素進行仿真分析，并將結果應用于實驗中。實驗選擇異向磁阻三軸磁場傳感器HMC1043感應空間磁場的變化，由STM32處理器進行數據采集、處理與顯示，實現了鋁板表面微小缺陷的高靈敏、顯著檢測。

電渦流檢測系統 鋁板表面缺陷 AMR傳感器 STM32 PCB板線圈 COMSOL

渦流檢測的工作原理是建立在電磁技術基礎上的，當被測樣品處在變化的磁場周圍時，其內部會產生相應的渦流，而渦流的變化和被測樣品有很大關系。當被測樣品表面有缺陷時，其渦流產生的磁場會發生變化，此時利用磁傳感器就能對其變化做出相應的輸出，進而獲得非鐵磁性材料的磁導率、缺陷位置及厚度等參數。工業領域中的航空飛機精密部件，如機翼和機身鉚接處，在飛行中由于機械應力的作用極易產生機械損傷[1]。但是常規的渦流缺陷檢測技術，如滑動渦流(Eddy Current,EC)探針、自動調零EC探針等對缺陷的檢測靈敏度和表征效果不是特別顯著[2～4]。為此，筆者設計了一個電渦流檢測系統，利用COMSOL軟件對線圈的提離高度、匝數和位置進行仿真分析，同時在實驗中利用各向異性磁阻(Anisotropic Magneto Resistive,AMR)傳感器和STM32處理器進行數據采集與處理，以實現鋁板表面微小缺陷的檢測。

1 系統設計

1.1 總體結構

電渦流檢測系統的總體結構框圖如圖1所示。系統主要包括信號源部分、探頭部分、電源模塊和結果處理部分。首先給PCB線圈通入兩路經過電流源處理后的正弦電流信號，設置電流源是為了將電壓激勵變為電流激勵，從而降低信噪比。傳感器沿探頭靈敏軸方向掃描鋁板，數據經過STM32處理器采集顯示后，將數據經過串口上傳給上位機并進行分析處理，以此來表征鋁板的缺陷信息。

圖1 電渦流檢測系統的總體結構框圖

1.2 硬件部分

HMC1043是一種采用霍尼韋爾AMR技術的微型三軸磁場傳感器，一般應用在需要檢測微弱磁場變化的裝置中。HMC1043磁場傳感器的測量范圍為-6～6Gs，能夠達到本系統精度的要求。

利用STM32給入的S/R置位脈沖信號頻率，得到需要的實驗檢測頻率，進而對外部磁場進行檢測。 勵磁信號發生器選用PXI-5412板卡。PXI-5412是一款100MS/s的任意波形發生器，其失真小于20ps。PXI-5412板卡產生的正弦激勵信號經電流源處理后給兩個勵磁線圈[5～7]。

線圈選擇PCB板線圈，匝數200匝，電流0.1A，提離高度1.5mm。

采集系統結構如圖2所示。

圖2 采集系統結構示意圖

1.3 軟件部分

STM32軟件編程環境選擇Keil5，編程中首先需產生一個脈沖信號，當捕獲到脈沖信號的上升沿時(只有到達上升沿時，傳感器才能正常采集磁場信息)開啟STM32的AD轉換功能。程序設計采用模塊化的設計方法，主要有系統初始化、中斷、參數選擇、采集、濾波和結果分析顯示6個模塊，具體流程如圖3所示。

圖3 程序設計流程

電渦流檢測系統在檢測過程中的噪聲主要來自高頻部分，如探頭的抖動等。所以選擇簡單的整系數低通濾波器來濾除部分的高頻信號[8,9]，其系統函數與頻率響應函數分別如下：

(1)

(2)

綜合式(1)、(2)有：

(3)

將m=2、p=3代入式(3)求出轉移函數：

轉換為時域方程：

y(n)=3y(n-1)+y(n-3)-3y(n-2)+

x(n)-3x(n-2)+3x(n-4)-x(n-6)

在STM32處理器中，根據時域方程依靠加法運算即可實現低通濾波算法。

2 系統的仿真分析

2.1 建模

COMSOL Multiphysics以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程或偏微分方程組來實現真實物理現象的仿真。該軟件可以靈活地建模，可以將實際的物理環境通過計算機重現在虛擬環境中并進行仿真。因此，筆者利用COMSOL軟件對鋁板構建模型并進行仿真。無缺陷時的仿真模型如圖4所示，有缺陷時的仿真模型如圖5所示。

圖4 無缺陷時的仿真模型

圖5 有缺陷時的仿真模型

初始仿真參數如下：

鋁板厚度(thick) 3mm

線圈主半徑R5mm

線圈次半徑r2mm

線圈匝數N10

鋁板邊長L200mm

缺陷長CL2mm

缺陷寬CW0.1mm

缺陷深度CH0.3mm

缺陷Cx0mm

缺陷Cy0mm

缺陷Cz0mm

線圈夾角(theta) 0°

脈沖占空比tt0.5

脈沖周期T0.1ms

電流強度Ai0.1A

提離高度H0.7mm

線圈之間距離(Gap) 1mm

線圈x軸位置(Coil_X) 0mm

線圈y軸位置(Coil_Y) 0mm

2.2 仿真與結果分析

在渦流檢測中，敏感線圈的設計起到至關重要的作用，其形狀、尺寸及位置等參數對磁阻傳感器的靈敏度和測量范圍的影響很大。仿真采用矩形線圈，圖6是單匝線圈鋁板的仿真結果；改變線圈匝數為200匝時，其仿真結果如圖7所示。對比圖6、7可以看出改變匝數對檢測結果的影響很小。

圖6 單匝線圈鋁板的仿真結果

圖7 多匝線圈鋁板的仿真結果

改變線圈提離高度，仿真結果如圖8所示?？梢钥闯觯犭x高度的不同對仿真結果影響很大，當提離高度為0.1mm時，結果失真；當提離高度過大時，結果不收斂。

圖8 不同線圈提離高度的仿真結果

改變線圈位置，使矩形線圈平行放置在PCB的兩側，仿真結果如圖9所示。根據奧斯特原理，在HMC1043芯片周圍磁場得到了加強，系統的精確度和靈敏度得到了提高。

圖9 矩形線圈平行放置在PCB兩側的仿真結果

由于兩個線圈平行放置在PCB板兩側，將導致兩個線圈具有不同的提離高度，因此該提離高度差異在進行缺陷分析時需要考慮進去，常用的方法是通過增加磁場幅值均值來補償校準檢測結果。

3 實驗與結果分析

使用基于STM32處理器的電渦流檢測系統對試件鋁板表面進行渦流無損檢測，缺陷尺寸為5mm×3mm×3mm，電動三軸勻速掃描鋁板，速度2cm/s，正弦信號頻率500Hz，采樣頻率2kHz，提離高度1.2mm，兩次掃描結果如圖10所示。當磁場強度為0.3mT時，對應的AMR傳感器輸出電壓為8mV。圖11為經過上位機分析得出的z軸方向輸出相對電壓與缺陷位置的關系，可以看出，系統在鋁板沒有缺陷的部分，電壓輸出恒定，當有缺陷時，電壓出現突變，進而可以判定缺陷的存在，同時從結果中也可以提取出缺陷的特征信息。

圖10 掃描結果

4 結束語

筆者針對常規渦流缺陷檢測技術存在的靈敏度低和表征效果不顯著問題，設計了一個電渦流檢測系統?；陔姕u流基本原理，利用仿真模型對影響渦流無損檢測的因素進行仿真分析，得出合適的尺寸、線圈位置等參數。同時利用STM32對數據進行采集和傳輸，對電動三軸平臺進行控制以調整合適的位置和速度。結果表明：該電渦流檢測系統靈敏度高，AMR傳感器體積小、成本低、電壓范圍小，系統在較寬的頻率范圍內線性靈敏度較好，能夠有效檢測緊固件上的微小缺陷。

圖11 z軸方向的輸出相對電壓與缺陷位置關系

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SimulationAnalysisandExperimentalStudyonEddyCurrentDetectionSystem

ZHANG Rong-hua, LIU Jian-xu

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity)

The EC-AMR eddy current detection system was designed. Applying the finite element analysis-based COMSOL software to analyze factors which influencing detection results was implemented and the detection results were applied to the experiment. Through choosing HMC1043 triaxial magnetic field sensor with incongruous magnetic resistance to induct the change of space magnetic field and adopting STM32 processor to collect and process and display the data, both highly-sensitive detection and monitoring of small defects on the aluminium plate’s surface can be realized.

eddy current detection system, surface defect of aluminium plate, AMR sensor, STM32, PCB plate coil, COMSOL

TP216

A

1000-3932(2017)01-0016-05

聲明

國家自然科學基金青年科學基金項目(61402330)；高等學校博士點轉向科研基金項目(20131201120002)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(15JCQNJC01500)；天津市高等學?？萍及l展基金項目(20140727)。

張榮華(1983-)，博士研究生，從事電磁渦流無損檢測及其相關理論方面的研究。

聯 系 人：劉建旭(1991-)，碩士研究生，從事電渦流無損檢測及其應用方面的研究，623225503@qq.com。

2016-06-29)

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