任旭虎，張圣坤，張 振

(中國石油大學(華東) 海洋與空間信息學院，青島 266580)

脈沖渦流(Pulsed Eddy Current，PEC)檢測技術作為一種無損檢測技術，以電磁感應原理為基礎，根據檢測所得到電信號的變化來判定檢測試件的缺陷位置以及缺陷情況[1-2]。

PEC檢測信號頻率豐富，信號中所包含的低頻渦流信號能夠穿過較薄的金屬層以及較厚的非金屬層，實現(xiàn)對金屬構件較深處的檢測。

與傳統(tǒng)渦流傳感器相比，PEC傳感器激勵線圈激發(fā)的磁場幅值大，在大提離下仍然可測得檢測信號；同時PEC傳感器覆蓋面積大，能夠檢測到大面積的金屬腐蝕[3]。

1 脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測原理示意如圖1所示，將信號源產生的具有一定脈沖寬度的方波電流施加于激勵線圈，在方波電流的上升沿與下降沿瞬間，激勵線圈中會產生一個快速衰減的一次磁場，衰減的一次磁場在金屬試件中產生感應渦流[4]。感應渦流的變化產生二次磁場，檢測線圈將感應到的變化的二次磁場信息轉為電壓信息。若金屬試件存在缺陷，則會導致感應渦流發(fā)生變化，最終檢測線圈感應到的電壓信號發(fā)生變化，通過對變化的電壓信號進行分析從而確定金屬試件的缺陷情況[5]。

圖1 脈沖渦流檢測原理示意

檢測線圈放大后的感應電壓信號如圖2所示，對于多匝導線的檢測線圈上感應電壓信號的計算，可采用有限元的數值計算方法。

圖2 檢測線圈放大后的感應電壓信號

可通過理想化方式將線圈銅線的橫截面看成每一個點的構成，運用麥克斯韋方程，則每個點的瞬態(tài)感應電壓為

(1)

式中：B為磁感應強度；A為矢量磁位;l為理想化時單匝線圈的長度單位。

因此單匝線圈的瞬態(tài)感應電壓為

Vf=?Vpit(r,z,t)drdz/((?drdz)

(2)

式中：r，z為檢測線圈的半徑，高度；t為積分時間。

利用有限元的方法計算，式(1)為

(3)

式中：r0為有限元檢測半徑；h0為有限元檢測線圈與導體表面間的距離。

將式(2)代入式(3)可得檢測線圈上的瞬態(tài)感應電壓[6-7]

(4)

式中：Δj為第j個有限元的面積；rcj為有限元的中心距離；Acj為中心矢量磁位；N為線圈的匝數。

2 傳感器設計及仿真

系統(tǒng)總體設計流程如圖3所示，上位機通過控制數據采集卡產生幅度、頻率以及占空比均可調的雙極性脈沖信號，脈沖信號通過H橋電路后,產生脈沖電流驅動激勵線圈，激勵線圈放置于帶包覆層鐵磁性材料的上表面，檢測線圈將采集的二次磁場信息轉化為電信號，電信號通過信號調理電路進行放大、濾波的調理，調理后的信號通過數據采集卡進行采集，最終通過串口傳送至上位機，上位機對采集到的信號進行顯示、分析、計算與存儲。

圖3 系統(tǒng)總體設計流程

根據渦流信號時域與頻域特征值的實時變化情況，檢測當前材料是否存在缺陷，通過渦流信號峰值與鐵磁性材料厚度之間的對應關系，建立峰值信號與厚度之間的數學模型，進行最佳曲線擬合，得到兩者之間的數學關系式，并對材料的板厚進行反演計算,確定材料的厚度信息。

傳感器采用復合式結構設計，通過兩個激勵線圈的聯(lián)合使用，對激勵線圈 1加載一個較大的激勵電流，并且同時在激勵線圈2加載一個較小的反向電流,使得激勵磁場的空間范圍得到約束，可實現(xiàn)磁場聚焦的作用。采用復合式激勵的方法解決了單個線圈容易受外界電磁信號干擾，以及因大激勵電流帶來的磁場范圍過大的情況，保證了采集信號的穩(wěn)定性與缺陷檢測的精確性，仿真步驟如下。

2.1 搭建仿真模型

在COMSOL軟件中搭建的傳感器模型如圖4所示，激勵線圈與檢測線圈均等效為圓柱體模型，被測金屬試件簡化為正方體模型，將空氣場簡化為球體模型。以三維結構建模，傳感器組成部分的參數如下：檢測線圈的內徑為8 mm，外徑為15 mm，線徑為0.31 mm，匝數為600匝；激勵線圈1的內徑為20 mm，外徑為28 mm，線徑為0.81 mm，匝數為400匝；激勵線圈2的內徑為34 mm，外徑為38 mm，線徑為0.31 mm，匝數為200匝，線圈高度均為15 mm。空氣場半徑設置為150 mm，設置金屬試件為邊長100 mm，厚度10 mm的正方體。

圖4 傳感器模型

2.2 添加物理場

添加物理場前對模型的材料進行如下選擇：空氣場模型材料為空氣，線圈為絕緣純銅漆包線，線圈材料為銅，金屬試件材料為鋼。在COMSOL軟件中，選擇物理場中的磁場模塊，研究類型為瞬態(tài)研究，用于計算場變量隨時間變化的情況。最后選擇模型邊界為狄利克雷邊界，設置磁矢為0。

2.3 劃分模型網格

對有限元模型進行網格劃分，劃分選擇自由剖分的三角形網格類型，網格劃分越密，則計算結果越精確，仿真越接近真實情況，同時不同的網格劃分程度也有助于提高工作效率。針對不同研究內容進行不同疏密的網格劃分。模型網格劃分示意如圖5所示，選擇傳感器及被測金屬試件的網格劃分較密，其余部分自由劃分網格。

圖5 模型網格劃分示意

2.4 求解仿真模型

網格劃分完成后，對激勵線圈1施加脈沖激勵電流為2 A，對激勵線圈2施加激勵電流為1 A，占空比均為50%，對線圈1與線圈2施加相反方向電流，求解仿真模型。激勵線圈1施加的激勵電流示意如圖6所示，檢測線圈感應電壓仿真結果如圖7所示。

圖6 激勵線圈1施加的激勵電流示意

圖7 檢測線圈感應電壓仿真結果

搭建單個激勵線圈的傳感器模型，設置其激勵線圈尺寸與激勵線圈1的尺寸一致。對兩種不同激勵線圈傳感器進行仿真，保證金屬試件模型以及缺陷深度一致，仿真所得峰值電壓數據如表1所示。

表1 仿真所得的峰值電壓

分析數據可知，單激勵線圈傳感器所得的電壓信號峰值大于復合式傳感器的，但是無缺陷時與存在缺陷時的電壓信號差值相對更小，峰值變化相對于復合式線圈較小，因此采用復合式傳感器在檢測缺陷時更加精確，更具有檢測優(yōu)勢。

3 試驗結果與分析

實驗室加工了一批Q235鋼板試件，對鋼板進行挖槽、切割等缺陷處理，采用巖棉板模擬包覆層材料，保持巖棉板包覆層材料厚度為20 mm不變，利用脈沖渦流檢測系統(tǒng)對鋼板進行缺陷檢測，觀察上位機軟件界面中電壓峰值的變化(見圖8)。

圖8 上位機軟件界面中電壓峰值的變化示意

傳感器移動方向示意如圖9所示，保持傳感器以1 cm·s-1的速率沿鋼板邊界橫向移動，以鋼板邊界位置記做0 cm，由圖8可知，渦流信號的峰值在距離鋼板邊界位置7.8 cm處發(fā)生變化，且變化趨勢相同，由此可確定金屬試件在該處位置存在厚度變化，即該處有缺陷。

圖9 傳感器移動方向示意

針對不同程度的缺陷，對其時域信號進行傅里葉變換,得到其頻域分布如圖10所示。

圖10 缺陷檢測信號頻域分布

對檢測信號的頻譜進行分析，提取其基波分量及諧波分量的幅值，不同缺陷深度的鋼板對應不同的信號幅值(見表2)，缺陷深度由2 mm增加到5 mm時，基波幅值變化最大。則可以在頻域范圍內通過檢測基波的幅值來確定鋼板的缺陷情況。

表2 不同缺陷深度的鋼板對應的信號幅值

采用巖棉板模擬包覆層材料，保持巖棉板厚度20 mm不變，鋼板厚度分別為12,10,9,8,6,5 mm，保持鋼板試件階梯狀放置，用檢測系統(tǒng)對不同試件進行檢測，保存不同厚度試件的渦流信號峰值數據，取3次試驗結果的平均值，所得擬合曲線如圖11所示。

圖11 峰值曲線擬合

選擇擬合函數為多項式擬合，擬合方法為最小二乘法，階數為3階，則擬合所得多項式為

y=-4.599x3+87.786x2-563.74x+1 217.042

(5)

對鋼板試件進行測量，保存峰值數據，并代入多項式計算得出未知厚度的鋼板試件數據，取3次測量結果的平均值，所得結果如表3所示。

表3 鋼板厚度數據測量結果

4 結語

針對油氣田行業(yè)帶包覆層鐵磁性材料缺陷不易檢測的問題，設計開發(fā)了一套金屬材料缺陷的脈沖渦流檢測系統(tǒng)。通過新型傳感器的仿真與設計，實現(xiàn)了缺陷位置的精確測定，同時系統(tǒng)可以有效測量金屬材料的厚度。試驗結果表明，該檢測系統(tǒng)能夠檢測包覆層小于20 mm的金屬材料缺陷，厚度檢測精度誤差達到3%以內。