曹丕宇， 周德強(qiáng),2,3， 王 華， 孫閃閃

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122； 2.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌航空大學(xué),江西 南昌330063； 3.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引 言

各類導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，因這些導(dǎo)體制作的關(guān)鍵零部件有些工作于高溫、高壓、高速等極端、惡劣的環(huán)境，有些存在超負(fù)荷工作或者服役時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況，這些都存在很大的安全隱患，因此對(duì)這些關(guān)鍵零部件進(jìn)行定期的無(wú)損檢測(cè)就尤為重要。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)具有內(nèi)外壁缺陷檢測(cè)靈敏度一致、受提離效應(yīng)影響小、不受集膚效應(yīng)的影響等優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

日本橫濱國(guó)立大學(xué)Kasai N等人采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)對(duì)石油儲(chǔ)罐底板進(jìn)行了檢測(cè)[1]，但其采用正弦激勵(lì)的方式，使得檢測(cè)信號(hào)頻譜成分單一且功耗較大； Sun Y S等人將遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)之中[2]，通過(guò)對(duì)傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層結(jié)構(gòu)中深層缺陷的檢測(cè)，但沒(méi)有給出傳感器的具體設(shè)計(jì)方案；張輝、楊賓峰等人采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,仿真分析了基于連通磁路的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器的聚磁效果,研究了該傳感器對(duì)管道軸向內(nèi)外壁裂紋缺陷的定量評(píng)估能力,比較了檢測(cè)線圈處于不同位置時(shí)的缺陷分類識(shí)別效果[3]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于連通磁路的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器對(duì)管道軸向裂紋缺陷深度的定量能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量評(píng)估。胥俊敏等人提出了脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的磁場(chǎng)抑制技術(shù)[4]，有效地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的磁場(chǎng)抑制與信號(hào)增強(qiáng)。劉相彪等人采用了主成分分析—獨(dú)立分

量分析(principal component analysis-independent component analysis, PCA-ICA)[5]，結(jié)合了PCA技術(shù)與ICA技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，提出了PCA-ICA聯(lián)合消噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單通道信號(hào)欠定條件下缺陷信號(hào)與磁導(dǎo)率不均等噪聲的分離，提高了脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流缺陷識(shí)別與定量評(píng)估的精度。

通常的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)是采用一定占空比的方波激勵(lì)信號(hào)施加于激勵(lì)線圈，并在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)拾取感應(yīng)線圈的電壓信號(hào)。上述的研究中在仿真和實(shí)驗(yàn)均是采用感應(yīng)線圈拾取遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的磁場(chǎng)信號(hào)，但是感應(yīng)線圈體積較大、控件分辨率低且在低頻域靈敏度較差[6]。

本文通過(guò)有限元仿真，主要研究基于磁場(chǎng)測(cè)量的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)非磁性平板技術(shù)。采用固態(tài)磁場(chǎng)傳感器拾取遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位及定量分析。

1 基于磁場(chǎng)測(cè)量的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理

由于金屬平板構(gòu)件不具備管道的屏蔽作用，當(dāng)傳感器位于平板上方時(shí)，穿透平板向下傳播的磁場(chǎng)由于受到衰減而弱于板上磁場(chǎng)，因而在磁場(chǎng)傳播過(guò)程中，板下磁場(chǎng)會(huì)弱于板上磁場(chǎng)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象。為了在平板中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)，選擇對(duì)激勵(lì)線圈進(jìn)行屏蔽處理，以削減直接耦合磁場(chǎng)。

如圖1所示，脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭由間隔一定距離的激勵(lì)線圈和磁場(chǎng)傳感器組成。通過(guò)對(duì)激勵(lì)線圈施加脈沖激勵(lì)，會(huì)在激勵(lì)線圈附近產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)激勵(lì)線圈進(jìn)行屏蔽處理來(lái)阻止直接耦合通道，使得磁場(chǎng)的直接耦合分量快速衰減，而間接耦合分量衰減較慢，因此在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)間接耦合分量會(huì)強(qiáng)于直接耦合分量，產(chǎn)生二次穿透[7]。由于二次穿透平板的磁場(chǎng)帶有缺陷信息，通過(guò)霍爾元件拾取遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的磁通密度信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)非磁性平板的檢測(cè)。

圖1 基于磁場(chǎng)測(cè)量的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理

2 仿真模型建立與仿真結(jié)果分析

2.1 仿真模型建立

在多物理場(chǎng)有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics 5.3中建立遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)模型如圖2(a)所示，一個(gè)被磁屏蔽罩包裹的激勵(lì)線圈放置在一塊鋁板上，周圍被空氣包圍，屏蔽罩的厚度為5 mm，激勵(lì)線圈的匝數(shù)為500匝，脈沖激勵(lì)的頻率為100 Hz，在距離激勵(lì)線圈20 mm處選擇了一個(gè)二維節(jié)點(diǎn)，通過(guò)拾取此點(diǎn)的磁通密度進(jìn)行研究。為了提高有限元仿真求解的計(jì)算精度，二維仿真模型中導(dǎo)電金屬板尺寸長(zhǎng)度為300 mm遠(yuǎn)大于激勵(lì)線圈的尺寸(4 mm)，以防止模型邊界帶來(lái)的計(jì)算誤差。各材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真模型材料參數(shù)

在AC/DC模塊選擇物理場(chǎng)為磁場(chǎng)，選擇時(shí)域?qū)ζ溥M(jìn)行瞬態(tài)求解分析。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 二次穿透現(xiàn)象判定

首先要確定在對(duì)激勵(lì)線圈施加了屏蔽之后在所選擇的的二維節(jié)點(diǎn)位置是否產(chǎn)生了二次穿透現(xiàn)象。在不對(duì)間接耦合分量進(jìn)行屏蔽時(shí)，通過(guò)仿真得到一個(gè)周期(10 ms)內(nèi)所選二維節(jié)點(diǎn)處的磁通密度曲線，如圖2(b)所示。

圖2 二維軸對(duì)稱仿真模型及其仿真結(jié)果

然后采用如圖3(a)所示的方法，在鋁板上方放置一塊磁屏蔽板來(lái)屏蔽間接耦合通道，通過(guò)仿真得到一個(gè)周期內(nèi)所選二維節(jié)點(diǎn)處的磁通密度曲線，如圖3(b)所示。

圖3 間接耦合通道屏蔽模型及其仿真結(jié)果

由圖2和圖3可以看出，在對(duì)間接耦合分量進(jìn)行屏蔽之后得到的磁通密度信號(hào)不足原來(lái)的0.1%，由此可見(jiàn)采用圖2(a)所示的方法對(duì)激勵(lì)線圈進(jìn)行磁屏蔽后，直接耦合分量被大大削弱，在所選擇的二維節(jié)點(diǎn)處所得到的磁通密度信號(hào)主要來(lái)源于間接耦合分量，因此，在此二維節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了二次穿透現(xiàn)象。這些間接耦合分量攜帶有缺陷相關(guān)的信息，所以使用圖2(a)的模型進(jìn)行下一步的仿真分析。

2.2.2 不同位置缺陷檢測(cè)效果對(duì)比

分別選擇激勵(lì)線圈下方，激勵(lì)線圈與二維節(jié)點(diǎn)中間，二維節(jié)點(diǎn)下方以及二維節(jié)點(diǎn)右側(cè)4個(gè)不同位置的缺陷進(jìn)行仿真分析，將仿真得到的一個(gè)周期內(nèi)的磁通密度曲線與原始信號(hào)(無(wú)缺陷的磁通密度曲線)進(jìn)行差分，目的是通過(guò)仿真結(jié)果研究缺陷位置與檢測(cè)效果之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位。其中缺陷的寬度均為4 mm，深度分別為0.5，1.5，2.5，3.5，4.5 mm,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同位置缺陷檢測(cè)效果對(duì)比

由圖4(a)可以看出，當(dāng)缺陷位于所選二維節(jié)點(diǎn)與激勵(lì)線圈中間以及激勵(lì)線圈下方時(shí)差分信號(hào)比其他三個(gè)位置高1個(gè)數(shù)量級(jí)且曲線最為光滑，因此，可以確定當(dāng)缺陷位于所選二維節(jié)點(diǎn)與激勵(lì)線圈中間以及激勵(lì)線圈下方時(shí)檢測(cè)效果最好，然后通過(guò)圖4(b)中的仿真數(shù)據(jù)做出缺陷深度與磁通密度差分幅值的關(guān)系圖，如圖5所示，從圖中可以看出磁通密度差分幅值與缺陷深度密切相關(guān)，磁通密度差分幅值隨著缺陷深度的增加而增加，并且具有很好的線性關(guān)系，因此說(shuō)明通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)感應(yīng)產(chǎn)生的磁通密度幅值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位和定量檢測(cè)。

圖5 缺陷深度與磁通密度差分幅值關(guān)系

3 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)方法不同，本文提出了基于磁場(chǎng)測(cè)量的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，在分析了基于磁場(chǎng)測(cè)量的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元建模，仿真分析了對(duì)激勵(lì)線圈施加屏蔽之后是否可以產(chǎn)生二次穿透現(xiàn)象，對(duì)比和分析了不同位置的缺陷對(duì)檢測(cè)效果的影響以及不同尺寸的深層缺陷下遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)所產(chǎn)生的磁通密度差分幅值與缺陷之尺寸之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)激勵(lì)線圈施加屏蔽可以產(chǎn)生二次穿透現(xiàn)象，當(dāng)缺陷位于所選二維節(jié)點(diǎn)與激勵(lì)線圈中間時(shí)檢測(cè)效果最好，缺陷深度與磁通密度差分幅值密切相關(guān)，并且具有良好的線性關(guān)系，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位以及定量檢測(cè)。