電磁法檢測傳感器的設計及仿真

王廣林

(陜西國防工業職業技術學院，西安 710300)

1 幾種聚焦的瞬變電磁探頭

根據調研資料可知，目前瞬變電磁聚焦探頭都是通過線圈組合的方式實現磁聚焦的，其利用電磁場是矢量，使多個線圈組成合理的結構，目的是使探頭中間部位的磁力線更加密集，從而增加磁感應強度，達到聚焦的功能[1-2]。磁聚焦結構主要有半球型、“8”字型、下塔型及矩形陣列等(見圖1)，利用ANSYS Maxwell有限元軟件對上述聚焦線圈建立模型，得到距離該線圈垂直向下1 m處的磁感應強度，4種聚焦線圈參數如表1所示。

表1 4種聚焦線圈參數

圖1 4種聚焦探頭結構示意

仿真結果表明：4種線圈可以滿足聚焦效果，其中“8”字型聚焦效果最好，制作加工最難；下塔型聚焦效果一般；半球型和矩形陣列型聚焦效果較好，但是矩形陣列型線圈比半球型線圈制造加工更為方便。

上述4種線圈結構通過仿真都能達到聚焦的效果，但是在實際使用過程中需要非鐵磁性支架來輔助完成檢測工作，多個線圈組合之間的互感效應較強、重量大且操作難度高，影響檢測結果的準確性。因此筆者設計了一種新型聚焦探頭，不僅可以減少組合線圈的數量，而且可以利用鐵磁性材料對磁力線進行束縛，達到磁聚焦的效果，設計的探頭質量小、使用方便、互感效應小及聚焦能力強。

2 瞬變電磁聚焦探頭設計及工作原理

2.1 瞬變電磁聚焦探頭結構設計

瞬變電磁法的傳統探頭為單線圈形式，電磁場主要集中在直徑為1 m的圓形區域，磁感應強度B=1.210 0×10-5T。為了提高檢測范圍和精度，設計要求磁場聚焦范圍為直徑0.8 m的圓形區域，磁感應強度大于1.210 0×10-5T。設計原則是探頭的安全穩定性高、電磁互感效應小及設備輕便等，圖2為聚焦探頭總體結構示意。

瞬變電磁聚焦探頭包括梯形骨架、圓柱形骨架，梯形骨架和圓柱形骨架外部采用漆包線纏繞形成激發線圈和檢測線圈，激發線圈安裝有信號線2，用來連接外界電源設備，檢測線圈安裝有信號線1，用來連接外界數據處理設備，兩線圈之間有磁芯，磁芯內外兩側有一層絕緣體四氟布，主要用于減小互感效應，獲得頻率豐富且聚焦的空間電磁場。

2.2 瞬變電磁聚焦探頭工作原理

該聚焦探頭的聚焦原理是通過信號線給激發線圈施加階躍型信號，在高電壓時空間形成穩定的一次磁場。由于該探頭結構為梯形，對外界電磁場進行束縛，然后經過圓柱形磁芯后進一步得到集中的聚焦效果，一次磁場擴散到空間后穿過金屬管道，在金屬管道表面形成渦流。在低電壓時，渦流逐漸減小，金屬管體和周圍介質存在電阻，會影響渦流減小的速率，在空間形成二次磁場，二次磁場包含管道壁厚、埋深及電阻等信息，其被地面上的檢測線圈接收并以電壓的形式表示，再通過信號線傳輸到外界數據處理系統，用來評價管體腐蝕情況。該聚焦探頭能夠提高局部缺陷的檢出率[3-5]。電磁聚焦探頭總體結構如圖2所示。

圖2 電磁聚焦探頭總體結構示意

3 有限元仿真

3.1 建立仿真模型

根據瞬變電磁法工作原理，建立探頭仿真模型(見圖3)，模型包含:激發線圈、檢測線圈、四氟布、磁芯及空氣介質等。其中，激發線圈和檢測線圈是多層漆包線纏繞而成的，采用實心薄壁圓環柱替代，可對線圈進行簡化。利用ANSYS Maxwell軟件中3D(三維)模塊進行參數化建模，參數化建模有利于進一步研究探頭尺寸對聚焦效果的影響，求解器選擇Transient瞬態求解[6-7]。首先，設置求解區域，有限元計算要得到準確的結果，需要滿足求解區域封閉，設置本次求解域為2.5 m×2.5 m×2.5 m，求解域遠大于模型本身有利于提高和實現使用的真實性及計算精度，網格精度△x=△y=△z=0.2 m。探頭位于整個求解域幾何中心(x=0,y=0,z=0)，激發線圈和檢測線圈網格精度△x=△y=△z=0.01 m，磁芯網格精度△x=△y=△z=0.2 m，網格精度劃分越細，計算精度越高，但計算時間越長，因此要合理地選擇網格精度，表2為模型的基本參數。

圖3 探頭仿真模型

表2 仿真模型的基本參數

3.2 激勵信號電路設計

瞬變電磁法的激勵信號為階躍型信號(見圖4)，為了實現該技術，采用ANSYS Maxwell仿真軟件中的circuit editor電路設計模塊聯合仿真，利用繞組耦合實現激勵信號的施加和有效信號的提取。信號具體參數為：周期T=1 s，持續時間t1=0.5T，電壓U=12 V，信號占空比為50%，上升和下降時間為t2=0.2 μs，電路中設置電阻R=12 Ω。激勵電路設計如圖5所示。

圖4 激勵信號波形

圖5 激勵電路設計圖

3.3 仿真結果分析

通過有限元仿真軟件模擬聚焦探頭，設置合理的網格大小和求解器。計算得出該聚焦探頭垂直向下1 m處的電磁場分布情況及磁感應強度梯度曲線(見圖6，7)。通過圖8了解到，磁感應強度B=1.534×10-5T，磁場主要分布范圍半徑R=290 mm，為了確定該聚焦探頭的聚焦效果，對傳統探頭也進行有限元仿真，激勵信號大小相同，獲得傳統探頭垂直向下1 m處的磁場分布及磁感應強度梯度圖(見圖8,9)，可以看出磁場覆蓋范圍R=500 mm，磁感應強度B=1.210 0×10-5T。通過對比可知，該聚焦探頭磁場分布范圍比傳統探頭的縮小了42%，中心磁感應強度比傳統線圈的增大了36.78%，確定了該聚焦結構的合理性及有效性。

圖6 聚焦探頭磁場分布云圖

圖7 聚焦磁感應強度梯度曲線

圖8 傳統線圈磁場分布云圖

圖9 傳統線圈磁感應強度梯度曲線

4 結語

根據設計要求設計了瞬變電磁聚焦探頭，其主要由激發線圈、檢測線圈、四氟布、內外層骨架及磁芯等組成。利用有限元仿真驗證了該結構的合理性及聚焦的有效性，通過與傳統探頭的結果進行分析對比，結果表明：該聚焦探頭磁場分布范圍比傳統探頭的縮小了42%，中心磁感應強度比傳統線圈的增大了36.78%，滿足設計要求。為瞬變電磁法在埋地金屬管道上的局部檢測提供了關鍵部件，能確保檢測精度和檢測效率，可進一步為瞬變電磁法探頭的優化設計和應用提供參考。