安　寅，陳棣湘，田武剛

(國防科技大學 機電工程與自動化學院， 長沙 410073)

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基于TMR的平面電磁傳感器仿真設(shè)計

安寅，陳棣湘，田武剛

(國防科技大學 機電工程與自動化學院， 長沙 410073)

摘要：針對螺栓孔埋深裂紋缺陷的檢測問題，設(shè)計了一款基于隧道磁阻(TMR)元件的新型平面電磁傳感器。重點闡述了利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件中的電磁場模塊建立螺栓孔孔周徑向埋藏裂紋檢測物理模型的方法。根據(jù)對缺陷所引起的渦流、磁場分布及擾動仿真結(jié)果的分析，確定了平面電磁傳感器的結(jié)構(gòu)。最后通過試驗驗證了所設(shè)計的平面電磁傳感器對螺栓孔埋深裂紋缺陷的檢測能力。

關(guān)鍵詞：平面電磁傳感器；TMR；螺栓孔；埋深裂紋缺陷檢測

機械設(shè)備由于長期受到交變載荷和環(huán)境腐蝕的影響，其上螺栓孔周圍常會出現(xiàn)裂紋缺陷。對于表面及近表面螺栓孔裂紋缺陷的無損檢測較為容易，而螺栓孔邊緣深層區(qū)域的缺陷檢測則相對較難。目前，對于螺栓孔裂紋檢測的方法主要有：超聲無損檢測、磁粉檢測、漏磁檢測和渦流檢測等。其中，超聲無損檢測的穿透能力強、聲波指向性好且易于確定缺陷位置，但檢測時需在檢測部位涂抹耦合劑。磁粉檢測(濕法)和漏磁檢測僅適用于鐵磁性材料且難以確定缺陷形狀和長度等信息。常規(guī)渦流檢測利用檢測線圈感應(yīng)變化磁場的原理來判斷缺陷的存在，僅適用于表面或近表面的無損檢測，對處于深層的缺陷檢測靈敏度較低。

針對螺栓埋深裂紋檢測問題，筆者基于隧道磁阻(Tunneling Magneto Resistive,TMR)元件設(shè)計了一款平面柔性傳感器，可實現(xiàn)螺栓孔埋藏深度5 mm左右的缺陷檢測。介紹了利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件建立螺栓孔埋藏缺陷的渦流檢測電磁場模型并進行模型求解的過程，根據(jù)仿真結(jié)果確定了適用于該檢測場合的平面電磁傳感器結(jié)構(gòu)及檢測方法，最后對所設(shè)計的平面電磁傳感器應(yīng)用于螺栓孔埋藏缺陷檢測的性能進行了試驗驗證。

1傳感器結(jié)構(gòu)及其工作原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在交變激勵磁場作用下的導體會感應(yīng)出渦流場[1]，如導體中存在裂紋將引起渦流的擾動，從而導致感應(yīng)磁場的變化。TMR元件可通過直接測量磁場的變化來判斷缺陷的存在。

所設(shè)計的柔性平面電磁傳感器為3層結(jié)構(gòu)，由激勵線圈和TMR敏感元件組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其中，激勵線圈為差分式的雙線圈結(jié)構(gòu)，這兩組同軸多匝激勵線圈共用一個激勵源，且分別位于上下兩層。通過這兩組距螺栓孔中心距離不同、電流密度不同的反相激勵線圈，可在被測導體螺栓孔周圍產(chǎn)生不同的渦流分布;由于兩組激勵電流流向相反，使得原來以指數(shù)分布的兩感應(yīng)渦流之間有所抵消，以抑制導體表面的感應(yīng)渦流，使得導體內(nèi)的渦流密度隨著深度的增加衰減得更慢，從而達到提高渦流無損檢測深度的目的。測量元件為4個TMR元件，均勻分布在螺栓孔孔周。TMR元件的敏感方向如圖1中箭頭所示，其中TMR1、TMR3的敏感方向為y軸方向，TMR2、TMR4的敏感方向為x軸方向。

圖1　平面?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)示意

2螺栓孔缺陷檢測的三維建模

利用COMSOL Multiphysics多物理場有限元仿真軟件AC/DC模塊中的磁場與電場(mef)子模塊，對圖1所示平面?zhèn)鞲衅髟O(shè)計方案的可行性進行驗證。根據(jù)圖2所示缺陷檢測模型建立激勵線圈及裂紋的三維有限元模型。

設(shè)螺栓孔裂紋缺陷位于材料深層。在建立的三維模型中，缺陷的長度用L表示、在xy平面截面上觀測的缺陷寬度用W表示(圖2中未標出)、缺陷的高用H表示，其距材料表面深度為D。設(shè)置TMR傳感器敏感體所在位置下方材料內(nèi)沿z軸負方向的直線為材料中的渦流分布觀測線，用于觀測雙激勵線圈在材料內(nèi)部引起的渦流分布情況。

圖2　螺栓孔缺陷檢測模型示意

仿真分別對螺栓孔無缺陷和有缺陷兩種情況進行分析。通過觀測由缺陷引起的渦流及磁場分布的變化情況(即兩者求差)，來判斷激勵線圈的設(shè)計方案的可行性,并以此確定TMR及檢測線圈的分布。

2.1仿真模型的建立

螺栓孔缺陷檢測三維模型分為三個部分：① 帶有螺栓孔及缺陷的被測材料。檢測板材為鋁合金，電導率為16.5 MS·m-1，板材厚度為10 mm，螺栓孔直徑為6 mm。缺陷位于材料底層，其長×寬×高(L×W×H)分別為10 mm×1 mm×5 mm，距材料上表面D為5 mm。通過改變?nèi)毕莶课坏牟牧蠈傩詠矸謩e實現(xiàn)有、無缺陷兩種狀態(tài)。② 差分式多匝激勵線圈，材料為銅。③ 空氣層，包括材料外圍空氣、螺栓孔及缺陷。

仿真所用的激勵采用平面多匝線圈，其參數(shù)設(shè)置如表1所示。激勵線圈1、2的線徑不同,故兩者具有不同的電流密度。由仿真得到的激勵線圈1,2的阻抗分別為1.926,4.71 Ω。為能夠?qū)崿F(xiàn)深層缺陷的檢測，采用低頻正弦交流信號進行激勵，激勵頻率設(shè)為350 Hz。

表1　模型中激勵線圈參數(shù)設(shè)置

TMR元件所在檢測平面(即觀測區(qū)域)置于激勵線圈平面之上的一層，距材料表面上方0.2 mm的平面上。

2.2網(wǎng)格的劃分及求解

由于軟件自動劃分網(wǎng)格時，剖分得較為粗糙，不能滿足仿真精度和一致性的要求；因此筆者采用手動設(shè)置映射和掃掠劃分網(wǎng)格的方式對物理模型進行劃分，并且，在激勵線圈、傳感器所在區(qū)域及缺陷等重點部位細化了網(wǎng)格[2-3]。

3仿真結(jié)果分析

模型求解結(jié)束后，選擇所需觀測的數(shù)據(jù)或3D云圖進行分析。主要關(guān)注的內(nèi)容為傳感器所在位置下方材料中的渦流分布情況、缺陷所造成的渦流畸變情況、傳感器檢測平面的磁感應(yīng)強度變化分布,以及傳感器敏感方向上的磁場變化情況等。

3.1渦流分布情況分析

圖3為無缺陷情況下，TMR敏感體所在位置沿材料深度方向上渦流密度變化曲線。由圖可知，當激勵線圈1和2單獨作用時，渦流具有趨膚效應(yīng)，即表面的渦流密度最大，隨著深度的增加渦流密度銳減。而當兩個激勵線圈同時作用時，所產(chǎn)生的渦流方向相反且部分抵消，使得材料表面渦流得到了抑制[4-7]。雖渦流密度整體變小，但隨著材料深度的增加，在距表面很大的深度范圍內(nèi)渦流密度整體的變化不大。當缺陷存在于螺栓孔深層區(qū)域時，渦流擾動所造成的磁場變化量更易被識別。

圖3　不同激勵線圈的渦流密度沿材料深度方向的變化曲線

圖4為螺栓孔深層存在缺陷時的渦流分布仿真結(jié)果。圖4(a)所示為缺陷所在x-y截面渦流密度分布及渦流流向圖[8-10]，可見由于缺陷的存在，渦流改變了原有的流向，傾向于沿外加磁場條件下最小阻抗路徑運動，渦流在缺陷邊沿聚集，產(chǎn)生渦流密度集中區(qū)。圖4(b)為y-z截面渦流密度分布圖，可見渦流在缺陷周圍及缺陷上方聚集，與螺栓孔左側(cè)(無缺陷)對比，其渦流密度較大，出現(xiàn)明顯不對稱現(xiàn)象。

圖4　螺栓孔深層存在缺陷時的渦流分布

圖5　缺陷引起的磁場擾動仿真結(jié)果

3.2磁場分布情況分析

圖5為螺栓孔周無缺陷和缺陷位于表面以下5 mm深度時，螺栓上方TMR所在檢測平面的磁感應(yīng)強度三分量的變化情況。由圖5可知，當螺栓周圍存在埋深缺陷時，磁感應(yīng)強度Bx，By，Bz分量上的平衡均被打破，缺陷引起的磁場變化具有一定特征。觀測圖5(b)，因所設(shè)缺陷在螺栓孔周沿y軸的正方向上，缺陷引起的磁感應(yīng)強度By分量上的變化量在缺陷部位最大，且在缺陷附近一定區(qū)域內(nèi)變化量都較大，將傳感器放置在此處可覆蓋這一區(qū)域的缺陷檢測。

按照圖1所示TMR傳感器的靈敏度方向，針對無缺陷和在TMR1下方材料5 mm埋藏深度處存在缺陷時，分別進行有限元仿真，在仿真后分別對4個TMR元件所在區(qū)域的磁感應(yīng)強度模值求面平均，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在無缺陷的情況下，4個TMR敏感體區(qū)域在靈敏度方向上的磁感應(yīng)強度模值近似相等。而當TMR1位置處螺栓孔邊緣出現(xiàn)深層缺陷后，4個傳感器的磁感應(yīng)強度模值均出現(xiàn)了不同程度的變化。其中，在缺陷部位上的TMR1的磁感應(yīng)強度變化量最大，模值為-86.49 nT，變化率約為1%。其它三個位置的磁感應(yīng)強度變化量相近，變化量分別為-55.34,-55.4,-55.61 nT，變化率約為0.6%。

表2有、無缺陷時4個TMR元件

所在區(qū)域的磁感應(yīng)強度

nT

根據(jù)以上仿真數(shù)據(jù)分析，確定螺栓孔缺陷的檢測方法為：先后對螺栓無缺陷時和使用一段時間后(可能存在缺陷)的兩時段進行檢測，分別算出4個TMR傳感器前后兩次采樣數(shù)據(jù)的變化率，當其中1個傳感器的變化率大于其他3個的變化率且達到一定的閾值時，即判定該傳感器下方螺栓孔邊緣存在缺陷。

4試驗檢測

根據(jù)COMSOL有限元仿真結(jié)果所確定的傳感器參數(shù)，設(shè)計出的平面電磁傳感器實物如圖6所示。

搭建如圖7所示的螺栓孔埋深缺陷檢測試驗平臺，利用所制備的平面電磁傳感器探頭對鋁合金板螺栓孔埋深缺陷進行檢測。測試軟件中利用4盞燈分別代表4路TMR傳感器。當螺栓孔一側(cè)出現(xiàn)缺陷時，該傳感器所對應(yīng)的那個圓形控件即會變?yōu)榧t色，表示金屬材料相應(yīng)方位存在缺陷，由此可直觀地觀測出缺陷的方位。

圖6　平面電磁傳感器實物

圖7　螺栓孔埋深缺陷檢測試驗平臺

試驗中，激勵電流有效值為0.1 A，頻率設(shè)為285 Hz。試塊電導率為16.5 MS·m-1，厚度為6 mm的鋁合金板，螺栓孔直徑為6 mm，不同螺栓孔一側(cè)表面加工有不同尺寸、深度的裂紋凹槽。如圖8所示。

圖8　試塊結(jié)構(gòu)示意

按照圖8所示螺栓孔缺陷的編號順序，使用該試驗系統(tǒng)對其進行測試。通過對有、無缺陷接收到的信號變化率來判斷缺陷所在方位，該方位由相應(yīng)的TMR傳感器編號來表示。試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

由試驗結(jié)果可知，缺陷距表面深度越深，其有、無缺陷之間引起的傳感器輸出變化率越小，但深度5 mm處的缺陷仍可以被檢測到。對于同一深度的缺陷，缺陷越長其引起的傳感器輸出變化率越大。對于一個帶有缺陷的螺栓孔，其缺陷部位上方的傳感器輸出的變化率最大，其余三個方位傳感器輸出的變化率較小，以此判斷出缺陷的大致方位。這一試驗結(jié)果與COMSOL三維仿真結(jié)果基本相符，證明了該平面電磁傳感器的設(shè)計和檢測方法具有一定的可行性。

5結(jié)語

針對螺栓孔埋深缺陷的檢測，設(shè)計了一款基于TMR的平面電磁傳感器。通過對螺栓孔缺陷的COMSOL Multiphysics有限元仿真結(jié)果的分析，確定了平面?zhèn)鞲衅鞯男螤罴皡?shù)。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的平面電磁傳感器具有對螺栓孔埋深缺陷的檢測能力。通過利用所設(shè)計的傳感器對帶有缺陷的鋁合金螺栓孔試塊的試驗檢測，驗證了所設(shè)計的平面電磁傳感器對螺栓孔深層缺陷檢測具有一定的實用價值。

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TMR-based Plane Electromagnetic Sensor Simulation and Design

AN Yin, CHEN Di-xiang, TIAN Wu-gang

(College of Mechatronic Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：In this paper, a new type of planar electromagnetic sensor based on tunnel magneto resistance components was designed aiming at the detection of deeply embedded defects around bolt holes. The physical model was established with the electromagnetic field module using finite element simulation software COMSOL Multiphysics. The exciting coil’s eddy current field and magnetic field were analyzed, and disturbance of their distribution caused by the defect was solved. Finally, experimental measurements verified the detection capability of thus designed planar electromagnetic sensor for the detection of deeply embedded defects around fastener.

Key words:Planar electromagnetic sensor; Tunneling magneto resistive; Bolt holes; Deeply embedded defect detection

中圖分類號：TP115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)04-0033-05

DOI:10.11973/wsjc201604009

作者簡介：安寅(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向為電磁無損檢測技術(shù)。通信作者：安寅，E-mail: hisayar@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61171134)

收稿日期：2015-09-12