線圈結構參數對渦流效應的影響與應用

汪建新，王培屹，段茹茂

（內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭 014010）

0 引言

在日常生活中，金屬制品隨處可見，已經成為工業生產的重要組成部分，然而，大量金屬制品的損壞、廢棄，大大增加了生產成本。所以對其中有價值的金屬產品進行缺陷檢測、定位以及功能修復就成為了亟需解決的問題。對比數種無損檢測方法發現，磁粉探傷法檢測較為復雜，使用不便捷[1]；超聲探傷法更偏向于檢測物體內部是否存在空間類缺陷，同時還需要耦合劑進行輔助檢測[2]；而渦流探傷法適用于金屬表面裂紋等缺陷的檢測，檢測過程易操作，不需要耦合劑[3-4]。經過對比，選用渦流探傷法來對金屬表面進行裂紋檢測。

通過最常見的渦流探傷法來對不同線圈參數下的檢測效果進行模擬分析，對比檢測線圈的不同尺寸對檢測結果的影響。

1 問題提出

為增加工業生產中生產器械的使用壽命，對損壞金屬器械修復再利用是當今時代發展研究的課題，這其中，對缺陷進行準確定位是非常重要的一環。根據渦流檢測原理可知，線圈的結構參數會影響檢測數據，針對金屬裂紋實際發生時的情況[5-6]，本文通過有限元仿真，通過分析線圈的不同外徑、內徑、厚度等參數，加強線圈對被檢測件的檢測深度。

2 渦流檢測原理

渦流檢測是以麥克斯韋方程組為數學模型的檢測方法，其原理是在傳感器探頭的線圈中通以變化的電流時，在其周圍空間必然產生對應變化的磁場，導致處于交變磁場中的導體近表面區域產生非常小的漩渦形電流（即渦流）來阻礙導體自身所處磁場的變化[7-8]。

根據如圖1所示的線圈布置，N3N4兩個線圈產生的電壓相互抵消；當N1N3接近導體時，導體中的感應磁場減小了激勵磁場，導致電壓差增大并保持平穩；當導體表面有缺陷時，就會減小感應磁場，激勵磁場變化量減小，電壓差減小[9-10]。根據輸出的電壓差變化來判斷導體中是否存在缺陷。

圖1 渦流檢測線圈布置圖

圖2 線圈模型

3 有限元仿真

實驗選擇ANSOFT Maxwell16.0 來進行模擬不同線圈尺寸時，金屬板內的渦流密度及磁感應強度的變化情況。首先，選擇模型為Insert Maxwell 3D Design，求解器類型選擇eddy current。

創建線圈模型如圖2所示，其中，線圈外徑為r1，線圈內徑為r2，線圈高度為h，線圈的等效半徑為r=(r1+r2)/2，線圈中通過的電流大小為I，線圈總匝數為N，那么整個線圈的等效電流大小為A=NI。線圈材料選擇copper；金屬板選擇材料為steel-stainless。

在線圈模型垂直截面中設置電流加載面；添加電流激勵，電流大小為安匝數A，類型為Stranded；添加金屬板為渦流存在區域；創建dummy 局部加密網格劃分；對模型設置激勵源頻率及Create Analysis Setup，對模型進行求解，選擇查看部分后處理結果。

為了得出線圈內外徑對檢測距離的具體影響，在線圈正下方添加一條垂直于被檢測件的直線，通過分析直線上距離O點d處的磁感應強度對比，分析線圈內外徑及厚度對d處磁感應強度的影響。

3.1 線圈外徑對磁感應強度大小的影響

檢測線圈匝數為500 圈，通電電流為1 A，添加激勵頻率為10 kHz，線圈內徑為4 mm，厚度為20 mm，外徑分別為6 mm 和15 mm，直線上的磁感應強度對比如圖3 所示。根據曲線對比可知，在比較大的線圈外徑下，磁場的滲透深度比較大，但是磁場強度的變化梯度比較?。划斁€圈外徑比較小時，感應磁場梯度變化更加明顯。也就是說，線圈外徑越大，滲透深度越大但檢測靈敏度越低；線圈外徑越小，檢測深度越小但是靈敏度越高。

圖3 不同外徑產生磁感應強度對比

圖4 不同內徑產生磁感應強度對比

3.2 線圈內徑對磁感應強度大小的影響

檢測線圈匝數為500圈，通電電流為1 A，施加激勵頻率為10 kHz，線圈外徑為12 mm，線圈厚度為20 mm，內徑分別為4 mm和8 mm，直線上的磁感應強度對比如圖4所示。由圖可以看出，內徑較小的線圈產生的磁感應強度變化率要超過內徑大的線圈，而此變化率越大，代表能檢測出更小的裂紋缺陷。

因此在選擇檢測線圈時，應盡可能選擇比較大的外徑來增大滲透深度，較小的內徑來增加發現裂紋缺陷的靈敏度。

3.3 線圈厚度對磁感應強度大小的影響

檢測線圈匝數為500圈，通電電流為1 A，施加激勵頻率為10 kHz，線圈外徑為12 mm，內徑分別為4 mm，線圈厚度分別為10 mm 和30 mm，直線上的磁感應強度對比如圖5 所示。根據圖中不同線圈厚度時添加直線上的磁感應強度對比圖得知，線圈厚度10 mm時的磁感應強度大于線圈厚度30 mm時，得出當線圈厚度較小時，被檢測件中磁感應強度較大。

圖5 不同厚度產生磁感應強度對比

4 提離距離對渦流檢測結果的影響

提離效應是指將磁場與導體之間距離改變，影響了通過被檢測件中磁通量的大小，進而改變導體中電渦流的大小以及滲透深度，提離距離的大小是對渦流檢測精度非常重要的影響因素。

通過對變量條件的控制，設置線圈內徑為5 mm，外徑為18 mm，線圈匝數為500 圈，激勵電流為1 A，激勵頻率為10 kHz。通過設置不同的提離距離0.5 mm和5 mm，分析其對檢測效果的影響。不同提離距離對渦流密度的影響如圖6所示。

圖6 不同提離距離對渦流密度的影響

通過圖6（a）～6（b）的對比可以得出，當提離距離越小時，渦流密度峰值越大，渦流滲透范圍減?。幌喾矗斕犭x距離增大時，產生渦流的區域會增大，但是渦流峰值會減小。而且提離距離越大時，產生的感應渦流密峰值區域會向線圈外側移動。

設置線圈和導體之間距離為0.5 mm，逐步增加1 mm，增到5 mm 停止，通過分析各提離距離下的峰值，通過origin 繪制，得到提離距離對渦流密度幅值的影響如圖7 所示，輸出幅值與提離距離之間是似線性關系，檢測渦流密度幅值的大小隨著提離距離的增大而減小。

圖7 提離距離對渦流密度幅值的影響

5 試驗驗證

5.1 不同外徑線圈的試驗對比

保證線圈檢測功率4 MW不變，線圈高度為20 mm，線圈內經為4 mm，線圈外徑分別為8 mm和12 mm，選擇鋁為檢測材料，不斷調整線圈和檢測件之間的距離，得出試驗數據如表1所示。經過數據對比，在線圈內徑、厚度、匝數相同時，線圈外徑越大，檢測數據電壓值越大，電壓變化速度也越快，即更有利于深裂紋檢測，與仿真結果一致。

表1 不同外徑下試驗結果

5.2 不同內徑線圈的試驗對比

保證線圈檢測功率4 MW不變，線圈高度為20 mm，線圈外徑為12 mm，線圈內徑分別為4 mm和8 mm，選擇鋁為檢測材料，不斷調整線圈和檢測件之間的距離，得出試驗數據如表2 所示。分析數據可知，線圈外徑相同，匝數相同的情況下，內徑較小的傳感器的輸出電壓基本高于內徑大的傳感器，結合圖4仿真結果可以得出，線圈內徑越小，檢測結果越準確。

表2 不同內徑下試驗結果

5.3 不同厚度線圈的試驗對比

保證線圈檢測功率4 MW 不變，線圈內經為4 mm，線圈外徑為12 mm，線圈高度分別為10 mm和30 mm，選擇鋁為被檢測材料，通過調整線圈和檢測件之間的距離，得出試驗數據如表3所示。分析表中數據可知，線圈內外徑、匝數相同的情況下，厚度較小的傳感器的輸出電壓基本高于內徑大的傳感器，即厚度較小的線圈靈敏度較高。

表3 不同厚度下試驗結果

6 結束語

本文通過對金屬檢測件的缺陷仿真實驗證明，對于大多數的金屬回轉體來說，采用渦流檢測法檢測裂紋是一個非常有效的方法。通過對檢測中各個影響因素的單因素變化仿真分析可以得出以下幾點：

（1）渦流探傷過程中，線圈正對的位置產生的磁感應強度值更大，更有利于缺陷的檢測，為提高檢測準確率，應選擇較小的線圈內徑；

（2）在可以達到最小缺陷的檢測精度時，應選擇較大的線圈外徑來增加檢測深度；

（3）在回轉體表面誤差允許范圍內，應盡可能選擇小的提離距離；

（4）在本次實驗中，選擇線圈外徑12 mm、內徑4 mm、厚度10 mm、提離距離0.5 mm，檢測結果最優。