非鐵磁性金屬材料脈沖渦流測厚探頭參數的仿真分析

曹騰飛,沈功田,王 強,李 建

(1.中國計量大學 質量與安全工程學院,浙江 杭州 310018;2.中國特種設備檢測研究院,北京 100029)

脈沖渦流(Pulsed eddy current,PEC)檢測又稱暫態渦流檢測,最早由美國阿貢國家實驗室的Waidelich等人[1]為測量核燃料金屬護層厚度而提出,隨后PEC檢測技術被逐漸應用于對老齡飛機的腐蝕和裂紋檢測[2]。1987年,美國ARCO公司開發出名為TEMP的PEC檢測系統,用于檢測帶包覆層鐵磁性管道的壁厚減薄[3],之后荷蘭RTD公司在TEMP的基礎上進行改進得到INCOTEST系統[4]。近年來,PEC技術在帶包覆層鐵磁性管道檢測上的應用越來越多。國內的中國特種設備檢測研究院與華中科技大學合作,對PEC檢測做了大量研究,開發了適用于鐵磁性材料檢測的儀器[5-6]。相對于鐵磁性材料,渦流在非鐵磁性金屬材料中擴散更快,檢測信號也衰減更快。當探頭提離較大(≥5 mm)時,由現有脈沖渦流檢測儀器得到的檢測結果精度較低[7]。

研究探頭各參數對檢測的影響規律,并據此對探頭進行優化設計,有利于檢測精度的提高。近年來,國內外諸多學者對此進行了研究,如國內的蔚道祥等[8]對圓臺型PEC探頭進行了研究,周德強等[9]對矩形差分探頭做了有限元仿真和實驗,研究了PEC檢測矩形探頭尺寸參數在對鋁板進行檢測時的靈敏度影響規律;國外的Arjun等[10]對帶鐵氧體磁芯的絕對探頭、差分探頭和帶屏蔽層探頭也做了比較,并以此優化了帶磁芯探頭。但大部分的研究都集中在分析線圈尺寸參數對于檢測的影響,而對于這些尺寸參數影響的權重及磁芯尺寸參數對于檢測的影響卻沒有做進一步的探究。

本文在已有對鐵磁性材料PEC檢測仿真研究的基礎上,以304不銹鋼為代表利用ANSYS仿真軟件建立了非鐵磁性金屬材料的PEC測厚仿真模型。首先分析激勵線圈高度、寬度、內徑對非鐵磁性金屬材料PEC測厚靈敏度的影響,并進一步探究各尺寸對于靈敏度影響的權重;然后對所添加的磁芯尺寸參數進行了仿真,分析了磁芯尺寸參數對于PEC測厚靈敏度的影響。

1 PEC測厚理論基礎

1.1 PEC測厚原理

如圖1,當激勵線圈中通有矩形波電流時,在矩形波邊沿快速衰減,金屬被檢件表面會感應出渦流,并在被檢件中快速的擴散和衰減,于此同時變化的渦流會產生變化的二次磁場,變化的二次磁場在接收元件中轉化為電壓信號[6]。如果被檢件壁厚有變化,在被檢件中感應出的渦流就會有變化,從而影響形成的二次磁場,進而影響檢測到的電壓信號,從電壓信號中便可提取出被檢件壁厚信息。

圖1 PEC測厚原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of PEC thickness measurement principle

選取被檢件名義壁厚的無腐蝕區域作為參考區域,用參考區域的信號減去待測區域的信號所得到的差分信號的局部放大如圖2,隨著被檢件厚度的減小,差分信號的峰值增大,因此可以用差分信號的峰值來表征被檢件的壁厚[1]。

圖2 不同壁厚PEC差分信號局部放大Figure 2 Local amplification of PEC differential signals with different wall thickness

1.2 PEC探頭

PEC探頭主要包括激勵線圈和接收元件兩部分,通常PEC探頭采用線圈激勵,但在接收元件的材料上卻有所不同。由于感應線圈可測量的磁場動態范圍大,制作和維護相對容易,在PEC探頭中廣泛使用,本文僅研究接收元件為線圈時的情況。

對于檢測探頭來說,靈敏度S是一個很重要的參數。探頭的靈敏度是指探頭在穩態工作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值[11]。在PEC測厚過程中,探頭輸入量為試件厚度Th,輸出量為差分信號峰值P,因此,故定義探頭靈敏度如下:

(1)

式(1)中:ΔP=Pi-Pref,ΔP為差分信號的峰值變化,是厚度為Thi試件的差分信號峰值Pi與參考試件的差分信號峰值Pref,而實際上Pref為0;ΔTh=Thi-Thref,ΔTh為試件的厚度變化,由當前試件厚度Thi減去參考試件厚度Thref。

PEC探頭的靈敏度受線圈磁場分布影響,而線圈磁場分布又受線圈尺寸等直接影響[12-13]。故本文研究優化線圈尺寸等探頭參數,以提高測厚的靈敏度,實現對非鐵磁性材料進行PEC測厚。

2 PEC測厚仿真分析

2.1 建立模型

由于所研究的線圈、磁芯形狀均具有軸對稱性,且需提取的檢測線圈上的電壓與被檢件表面的形狀關系不大,因此,可以將3D模型簡化為2D軸對稱模型[14]。在徐志遠等[15]建立的鐵磁性材料PEC模型的基礎上,利用ANSYS軟件建立304不銹鋼PEC檢測模型,所建立的模型如圖3,其中激勵線圈與檢測線圈同軸放置。

圖3 PEC測厚的2D ANSYS軸對稱模型Figure 3 2D ANSYS axisymmetric model for PEC thickness measurement

仿真中涉及的主要參數[15]如表1。

表1 主要仿真參數

2.2 激勵線圈尺寸參數的影響

在仿真模型的其他參數不變的基礎上,改變激勵線圈內徑,為每一種不同內徑尺寸建立以2 mm為步進的38～50 mm的7個不同被檢件厚度的仿真模型并求解計算,提取檢測線圈上的感應電壓,并以50 mm壁厚時的信號為參考信號,求出各內徑尺寸下各壁厚時的差分信號峰值與試件厚度變化如圖4。

圖4 不同內徑下峰值與試件厚度變化的關系Figure 4 Relationship between peak value and specimen thickness at different inner diameter

由圖4可以看出差分信號峰值與試件厚度變化之間具有良好的線性關系,表明脈沖渦流差分信號的峰值可以作為評估試件壁厚的特征量。根據式(1)可求得各內徑尺寸下,PEC檢測的靈敏度如圖5(a)。同理也可得到激勵線圈寬度(PEW)、高度(PEH)對于檢測靈敏度的影響如圖5(b)、5(c)。

圖5 激勵線圈幾何參數對PEC測厚靈敏度的影響Figure 5 Effect of geometric parameters of excitation coil on PEC thickness sensitivity

由圖5可以分析得出,在保持激勵線圈匝數不變的前提下:激勵線圈的內徑越大,PEC測厚的靈敏度越大;激勵線圈的寬度越大,PEC測厚的靈敏度越大;激勵線圈的高度越小,PEC測厚的靈敏度越大。

在上面的研究結論下繼續探究激勵線圈內徑、寬度、高度影響厚度檢測靈敏度的權重。對每個因素各選取三個水平的值做成一個L9正交實驗表,求出靈敏度,統計每個因素每個水平值時的總靈敏度和平均值,并求出各因素三水平平均值的極差[16],結果如表2。通過極差數值的大小可以判斷各因素影響檢測靈敏度的權重。

表2 激勵線圈尺寸參數影響權重正交試驗結果

Table 2 Orthogonal test results of influence of size parameters of excitation coil on weight

試驗號線圈內徑/mm線圈寬度/mm線圈高度/mm靈敏度11030300.010 24921035400.011 97031040500.013 65142030400.013 76452035500.015 44262040300.021 43473030500.017 51683035300.023 99493040400.025 581T10.035 8690.041 5290.055 677-T20.050 6410.051 4060.051 315-T30.067 0910.060 6660.046 609-m10.011 9560.013 8430.018 559-m20.016 880.017 1350.017 105-m30.022 3640.020 2220.015 536-R0.010 4070.006 3790.003 022-

激勵線圈尺寸參數影響權重正交試驗結果中,內徑靈敏度極差為0.010 407,寬度靈敏度極差為0.006 379,高度靈敏度極差為0.003 022。因此,比較靈敏度極差大小可知,在保持線圈匝數不變的情況下,激勵線圈內徑對靈敏度的影響最大,寬度次之,高度的影響最小。

2.3 磁芯尺寸參數的影響

為聚焦磁場、縮小探測區域、提升信號強度,從而提高檢測靈敏度,保持已有的空心線圈不變并在其中添加罐型磁芯,其結構尺寸如圖6。

圖6 罐型磁芯結構尺寸(2D軸對稱)Figure 6 Structure dimension of tank core(2D axis symmetry)

圖7 有無磁芯差分信號局部放大Figure 7 Local amplification of differential signal with or without core

添加罐型磁芯前后得到的38 mm壁厚的差分信號的局部放大如圖7,可以明顯的看出添加磁芯后,差分信號的峰值得到了顯著的提升,由原來的0.27 V提升到了0.41 V。這是由于加入了罐型磁芯后,限定了磁場范圍,壁厚變化帶來的磁場變化也更加強烈,從而檢測到的電壓信號幅值也隨之提升,差分信號的峰值也會明顯提升。

下面我們將探究磁芯的尺寸參數對于PEC測厚靈敏度的影響,分別改變磁芯的高度(CH)、厚度(CT)、外圈半徑(CRO),提取各個模型中檢測線圈上的感應電壓,計算得到磁芯幾何參數對PEC測厚靈敏度的影響如圖8。

圖8 磁芯幾何參數對PEC測厚靈敏度的影響Figure 8 Effect of core geometric parameters on PEC thickness sensitivity

由圖8可以分析得出,磁芯的高度、厚度、外半徑增大均可以使PEC測厚的靈敏度增大。

3 結 論

本文研究分析了激勵線圈和磁芯尺寸參數對于非鐵磁性材料PEC測厚靈敏度的影響,為適用較大提離下的非鐵磁性金屬材料PEC檢測探頭的優化設計提供參考與依據,得到的結論如下。

1)在匝數不變的情況下,PEC檢測探頭的激勵線圈與檢測線圈的內徑越大、寬度越寬、高度越小,PEC測厚的靈敏度越高,其中激勵線圈內徑對靈敏度的影響最大,寬度次之,高度的影響最小。

2)加入磁芯后使38 mm壁厚差分信號的峰值由0.27 V提升到了0.41 V,且磁芯的高度、厚度、外半徑增大均可以使PEC測厚的靈敏度增大。