王曉玉　柏雪倩　曹海霞　張　輝　楊賓峰

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077；2.空軍工程大學(xué)科研部，西安 710051)

0　引言

鐵磁性平板材料在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如飛機的機翼大梁、火車的鐵軌及石油儲罐的底板等，其在使用過程中，由于應(yīng)力的存在及腐蝕的作用，內(nèi)部會產(chǎn)生缺陷，如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些缺陷，將可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此，必須定期對鐵磁性平板材料進(jìn)行安全檢查。

遠(yuǎn)場渦流(Remote Field Eddy Current，RFEC)檢測技術(shù)對內(nèi)外壁缺陷檢測靈敏度相同，而且其不受集膚效應(yīng)的限制，可實現(xiàn)對大厚度鐵磁性材料的檢測[1-5]。日本橫濱國立大學(xué)的N.Kasai等人采用遠(yuǎn)場渦流技術(shù)對石油儲罐的底板進(jìn)行了檢測[6]，南京航空航天大學(xué)王新等人設(shè)計了用于平板構(gòu)件檢測的遠(yuǎn)場渦流傳感器[7]，該傳感器可以檢測厚度不大于10mm的鐵磁性板材。

本文在分析了脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理的基礎(chǔ)上，仿真分析了脈沖遠(yuǎn)場渦流對鐵磁性平板中不同走向裂紋的檢測能力，研究了兩種不同走向裂紋對空間磁場的擾動規(guī)律，比較了三維磁場分量對裂紋缺陷的檢測靈敏度，本文的研究結(jié)果為深入理解脈沖遠(yuǎn)場渦流的作用機理提供了理論依據(jù)。

1　平板脈沖遠(yuǎn)場渦流的檢測機理

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)是針對金屬管道進(jìn)行檢測的一種技術(shù)。激勵線圈產(chǎn)生的一部分電磁場從激勵源附近的近場區(qū)穿過管壁向管外傳播；由于管壁的屏蔽作用，另一部分電磁場被束縛在激勵線圈附近的近場區(qū)內(nèi)。由于渦流對管內(nèi)場的抑制作用，使得管內(nèi)場以很快的速度衰減；而穿過管壁向外傳播的部分電磁場沿管道軸線衰減速率比管內(nèi)磁場慢得多。當(dāng)距離激勵線圈一定距離時，會出現(xiàn)管外場強于管內(nèi)場的現(xiàn)象，這樣的一段區(qū)域，稱之為遠(yuǎn)場區(qū)。若將檢測線圈置于遠(yuǎn)場區(qū)，將會接收到二次穿過管壁的磁場，其中包含有缺陷信息，通過提取特征量對缺陷信息進(jìn)行提取，就能實現(xiàn)對管壁缺陷的檢測。

如果將管道檢測中的遠(yuǎn)場渦流傳感器直接應(yīng)用于平板結(jié)構(gòu)，在平板上間隔一定距離分別放置激勵線圈和檢測線圈，由于失去了傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流中管道的渦流屏蔽作用，平板激勵線圈一側(cè)的磁場始終強于平板另一側(cè)的磁場，也就實現(xiàn)不了遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)，檢測線圈接收的信號只是從激勵線圈直接傳播而來的磁場，因此檢測線圈感應(yīng)電壓不含平板的缺陷信息。平板導(dǎo)體件遠(yuǎn)場渦流檢測示意圖如圖1所示，為了能在平板導(dǎo)體件上實現(xiàn)遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)，必須對傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，其通過給激勵線圈加裝屏蔽結(jié)構(gòu)來抑制激勵磁場的直接耦合分量向檢測線圈傳播，同時聚集激勵磁場能量向板下傳播。這樣，板下的磁場在距離激勵線圈一定距離將強于板上磁場，從而實現(xiàn)了磁場的二次穿透，這時的磁場中就攜帶有平板的結(jié)構(gòu)信息，從而可以實現(xiàn)遠(yuǎn)場渦流技術(shù)對平板導(dǎo)體件的檢測。

圖1　平板脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理示意圖

2　脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器模型的建立

為了解決矩形結(jié)構(gòu)傳感器存在的激勵磁場在空間中發(fā)散，不能有效向平板下側(cè)傳播的問題，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，給激勵線圈兩端加裝了聚磁板，來定向引導(dǎo)激勵磁場的傳播；與此同時，給檢測線圈加裝U形磁芯，建立了新的帶聚磁磁路的矩形脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器模型，使得激勵線圈產(chǎn)生的磁場沿磁路傳播，從而來提高穿透平板的磁場強度，另外擁有高導(dǎo)磁率的U形磁芯對缺陷上方的磁場有很強的聚磁能力，從而進(jìn)一步提高檢測信號的幅度。

圖2　帶聚磁磁路和屏蔽結(jié)構(gòu)的脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器仿真模型

帶聚磁磁路的矩形脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器模型如圖2所示(為方便觀察，圖(a)中沒有給出激勵線圈的屏蔽罩，圖(b)中為屏蔽罩結(jié)構(gòu))。激勵線圈為矩形，長寬高分別為45mm×20mm×25mm，檢測線圈為圓柱形，內(nèi)半徑2mm，外半徑4mm，長6mm；激勵線圈兩端聚磁板的長與激勵線圈寬度一致，聚磁板寬為5mm，高為39.5mm；檢測線圈U形磁芯分為三部分，靠近激勵線圈的磁腿長度為8mm，是另一側(cè)磁腿長度的2倍，磁腿寬度均與檢測線圈外徑一致，磁腿高度均為14mm，檢測線圈內(nèi)導(dǎo)磁芯直徑與檢測線圈內(nèi)徑一致。

3　平板中不同走向缺陷對空間三維擾動場的分析

不同走向的裂紋缺陷對磁場的擾動規(guī)律不同，為了明晰磁場與缺陷的相互作用機理，進(jìn)而探索傳感器對不同走向裂紋的檢測能力，下面分別對與激勵場垂直和與激勵場平行的裂紋進(jìn)行空間三維擾動場分析。

3.1　與激勵磁場垂直的缺陷擾動場分析

為了確定檢測線圈的放置位置，有必要研究平板中的缺陷對空間磁場的擾動規(guī)律，圖3為激勵線圈和缺陷示意圖，其中激勵線圈產(chǎn)生的磁場沿Y向，與缺陷的走向垂直，缺陷的長×寬×深為(24mm×2mm×2mm)，其中缺陷中心與激勵線圈中心的X坐標(biāo)相同，且處于遠(yuǎn)場區(qū)。

圖3　平板中缺陷示意圖

首先分析不同時刻時缺陷對三維磁場的擾動特點，在缺陷上方沿X向(缺陷走向)以缺陷為中心的-25～25mm路徑上取各點磁場的X向、Y向和Z向分量隨時間的變化曲線，得出該路徑上磁場分量Bx、By和Bz隨時間的變化圖，分別如圖4所示，此時采用的激勵脈沖頻率為40Hz，占空比為10%。從圖中可以看出在激勵電流存在時與斷開后，三個方向上的磁場方向發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，這是由于加載的脈沖信號同時含有上升沿和下降沿所致；同時，也可以看出，在脈沖激勵信號斷開后，缺陷處仍有很強的感應(yīng)磁場，檢測信號的間接耦合分量正是由激勵斷開后的平板中感應(yīng)磁場產(chǎn)生。選擇某一固定時間點觀察此路徑上各點三維磁場分量的變化特點，由于缺陷的存在，原本均勻的感應(yīng)場被破壞，導(dǎo)致空間磁場分布出現(xiàn)變化，Bx在缺陷邊緣有明顯的波動，分別出現(xiàn)了兩個方向相反的極值；By在缺陷處出現(xiàn)了增量；Bz在缺陷內(nèi)部出現(xiàn)凹陷，在缺陷中間位置達(dá)到極小值，在缺陷邊緣位置出現(xiàn)兩個較大波動。

圖4　三維磁場隨時間變化圖

圖5　空間三維磁場分布

以上分析了空間中三維擾動磁場隨時間的變化規(guī)律，為了明晰特定時刻條件下(0.001s)磁場的擾動情況，在平板上方以缺陷為中心的50mm×14mm范圍內(nèi)，每隔0.5mm取一條路徑，提取路徑上各點X向、Y向和Z向磁場分量，得出受缺陷擾動的空間三維磁場分布，結(jié)果如圖5所示。Bx磁場在缺陷邊緣處出現(xiàn)了較大的波動，但兩個邊緣位置處的磁場方向相反；By磁場在缺陷處出現(xiàn)了較大負(fù)峰值；Bz磁場在缺陷寬度方向的邊緣處出現(xiàn)了正負(fù)極值，但出現(xiàn)的位置并未在缺陷寬度邊緣處，說明Bz在缺陷寬度方向的磁場存在一定的擴(kuò)展度。對比三個方向上的磁場擾動情況可以發(fā)現(xiàn)：Bx幅度最小，比其它兩個分量小一個數(shù)量級；Bz分量存在正負(fù)不同方向的磁場分量，并且其擾動幅度是By的1/3。綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，By磁場擾動最大，并且僅有單一方向的擾動，因此，應(yīng)當(dāng)使檢測線圈拾取By磁場分量，也就可以確定檢測線圈的放置方位。

3.2　與激勵磁場平行的缺陷擾動場分析

上面分析了與激勵場垂直的缺陷磁場分布，得出了此缺陷對Y向磁場擾動最大的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上研究走向與激勵場平行的缺陷擾動場，進(jìn)一步明晰傳感器對不同走向缺陷的靈敏度，此時，模型中缺陷的尺寸與3.1節(jié)中相同，裂紋缺陷的長×寬×深為(24mm×2mm×2mm)，只是裂紋走向不同。從仿真結(jié)果圖6可以看出，出現(xiàn)較大幅值的區(qū)域?qū)?yīng)缺陷的寬度范圍，在缺陷寬度中心達(dá)到最大值。結(jié)合上面的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)Y向磁場的擾動區(qū)域主要與缺陷的走向有關(guān)，那么沿垂直激勵場走向的缺陷的檢測靈敏度必然大于平行與激勵場走向的缺陷，這一點類似于管道遠(yuǎn)場渦流中對周向缺陷檢測靈敏度大于軸向缺陷的現(xiàn)象。

圖6　與激勵場平行的缺陷對By場的擾動

4　結(jié)論

本文首先分析了平板脈沖遠(yuǎn)場渦流的檢測原理，然后采用ANSYS軟件建立了帶有聚磁板和屏蔽結(jié)構(gòu)的脈沖遠(yuǎn)場渦流的仿真模型，接著分析了不同走向裂紋缺陷對空間磁場擾動的規(guī)律，仿真結(jié)果表明：對于與激勵磁場垂直的缺陷，其對空間磁場By分量的擾動最大，因此，檢測時需要提取該磁場分量來實現(xiàn)對缺陷的定量檢測，對于與激勵磁場平行的缺陷，其檢測靈敏度低于與激勵場走向垂直的缺陷，這與管道遠(yuǎn)場渦流檢測中，周向缺陷檢測靈敏度大于軸向缺陷的現(xiàn)象相吻合。本文的研究結(jié)果為深入理解脈沖遠(yuǎn)場渦流的作用機理及設(shè)計對不同走向裂紋缺陷檢測的傳感器具有重要的理論價值。

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