吳 婧，周鈺明，王學(xué)權(quán)

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610041）

1 前言

目前在化工、船舶、航空航天及核工業(yè)領(lǐng)域，通常在金屬管表面噴涂金屬或非金屬涂層來提高自身的耐腐蝕性和可靠性[1]，為了控制成本和質(zhì)量，需要對涂層的厚度進(jìn)行檢測。目前檢測涂層厚度的無損檢測方法主要有渦流測厚技術(shù)[2]、超聲測厚技術(shù)[3]、磁性測厚技術(shù)[4]、紅外熱波測厚技術(shù)[5]及太赫茲檢測技術(shù)[6]等。針對導(dǎo)電材料的檢測，渦流檢測具有不需要耦合劑、檢測靈敏度高、可以進(jìn)行材料屬性的多參數(shù)檢測等優(yōu)點(diǎn)。在渦流檢測過程中，經(jīng)常遇到各種復(fù)雜的情況，為了提高檢測探頭的靈敏度、信噪比以及熱漂移免疫性，會(huì)用到互感式探頭。與傳統(tǒng)的絕對式探頭相比，互感式探頭具有更好的靈敏度與靈活性。

本文采用ANSYS 軟件對互感式探頭不同激勵(lì)頻率、不同探頭提離和不同涂層厚度等因素進(jìn)行仿真，提取檢測線圈電壓，分析涂層厚度和渦流檢測信號之間的對應(yīng)關(guān)系，以期實(shí)現(xiàn)基于渦流信號幅值特征的包覆層管的厚度識別。

2 渦流測厚原理

將置于被檢工件上方的激勵(lì)線圈通有交變電流，激勵(lì)線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，處于交變磁場中的被檢工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流即渦流，交變的渦流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的次級磁場，次級磁場的存在會(huì)干擾原磁場的變化，使得穿過檢測線圈的磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致檢測線圈阻抗和感應(yīng)電壓的變化。通過測量感應(yīng)電壓信號，對線圈感應(yīng)電壓信號的波形進(jìn)行時(shí)域分析，可得到被測金屬板材厚度與線圈感應(yīng)電壓信號之間的關(guān)系，進(jìn)而利用這種關(guān)系來進(jìn)行金屬板材厚度檢測。對于金屬涂層厚度的測量，隨著涂層厚度的增加，板中渦流分布的區(qū)域增加，渦流引起電壓增大。渦流測厚通過測量電壓信號的變化實(shí)現(xiàn)對涂層厚度的測量。

3 ANSYS 有限元分析

3.1 有限元模型建立

互感式渦流檢測探頭由兩個(gè)獨(dú)立的線圈（激勵(lì)線圈和檢測線圈）組成，仿真模型包括涂層、基體、激勵(lì)線圈、檢測線圈及其鐵芯組成，各部分尺寸如表1 所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)采用自上而下的方式直接建立二維幾何模型，為激勵(lì)線圈及檢測線圈添加外電路，激勵(lì)線圈載壓5 V，檢測線圈外接電阻R1，表示開路，以防檢測線圈短路，無感應(yīng)電壓。

表1 模型參數(shù)

3.2 劃分網(wǎng)格并設(shè)置邊界條件

為仿真模型劃分網(wǎng)格，形成四面體單元，在涂層及基體趨膚深度內(nèi)，加密網(wǎng)格，保證結(jié)果的精確度。

3.3 求解與結(jié)果后處理

設(shè)置激勵(lì)頻率，進(jìn)行諧波分析，分別查看管及涂層的電流密度云圖。

3.4 仿真數(shù)據(jù)分析

為互感式探頭渦流測厚，可直接提取檢測線圈的電壓實(shí)部與虛部值，研究檢測涂層厚度對檢測線圈電壓的影響，探頭與被測體之間的距離即提離為0.5 mm，線圈激勵(lì)電壓為5 V，激勵(lì)線圈頻率選取0.5 MHz、2.5 MHz 及4 MHz，檢測線圈電壓值與涂層厚度的關(guān)系，整體呈現(xiàn)正增長趨勢。其中，當(dāng)激勵(lì)線圈頻率為2.5 MHz、4 MHz 時(shí)，涂層從0～5 μm 厚度呈現(xiàn)負(fù)增長趨勢，涂層厚度為5 μm 和10 μm 時(shí)的檢測電壓值低于0 μm。已知隨著激勵(lì)頻率的增大，檢測信號的靈敏度隨之增大，當(dāng)涂層厚度較薄時(shí)，探頭的干擾因素較大，檢測精度受限，從而導(dǎo)致檢測線圈電壓下降。當(dāng)涂層厚度由5 μm逐漸增加至30 μm 時(shí)，檢測線圈電壓整體趨勢為隨著涂層厚度的增加而逐漸增加。表2 為激勵(lì)頻率為2.5 MHz 時(shí)，檢測線圈電壓隨涂層厚度變化的具體值。

表2 涂層厚度對檢測線圈電壓的影響（激勵(lì)線圈頻率為2.5 MHz）

保持激勵(lì)線圈輸入電壓不變即為5 V，選取激勵(lì)頻率為2.5 MHz，依次改變探頭與被測體之間的提離距離為0.1 mm、0.5 mm、1 mm、6 mm，檢測線圈電壓值與涂層厚度的關(guān)系圖1 所示，提離值為0.1 mm 及0.5 mm 時(shí)，當(dāng)涂層厚度由5 μm逐漸增加至30 μm 時(shí)，檢測線圈電壓整體趨勢為隨著涂層厚度的增加而逐漸增加，提離值較大時(shí)，涂層厚度的檢測精度降低，提離效應(yīng)對檢測產(chǎn)生干擾，涂層厚度擾動(dòng)信號與提離擾動(dòng)信號相互作用使得檢測信號出現(xiàn)波動(dòng)，為得到有用的檢測信號，檢測探頭應(yīng)盡量緊貼被檢管表面，可取提離值為0.5 mm。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用ANSYS 軟件，對基于渦流檢測的帶包覆層管的互感式探頭參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：①渦流檢測電壓信號隨著涂層厚度的增加總體呈增大趨勢。當(dāng)涂層從無到有，即從0～5 μm 變化時(shí)，電壓呈現(xiàn)為負(fù)增長趨勢?？紤]到渦流檢測的精度，在進(jìn)行包覆層厚度測量時(shí)，可以選擇5 μm 厚度為零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。②渦流檢測信號頻率選取2.5 MHz 以保證信號的靈敏度及檢測深度。③渦流測厚時(shí)，探頭的提離可選取0.5 mm 及以下。當(dāng)提離厚度繼續(xù)增大時(shí)，檢測線圈電壓值受提離干擾較大，失去準(zhǔn)確性。

圖1 不同提離下涂層厚度與檢測線圈電壓的關(guān)系