直接測(cè)量渦流磁場(chǎng)的探頭研究.pdf

1、渦流檢測(cè)技術(shù)以法拉第電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過探頭在導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)變化來判斷被測(cè)試件的缺陷情況，探頭傳感器的性能決定了檢測(cè)結(jié)果的精確性。傳統(tǒng)的阻抗分析法通過探頭線圈的阻抗變化來判斷導(dǎo)體內(nèi)部是否存在缺陷，但其不能直觀地描述缺陷的形狀、大小和位置等信息，且激勵(lì)信號(hào)對(duì)線圈阻抗的影響較大。本文從渦流檢測(cè)的基本原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)直接測(cè)量渦流磁場(chǎng)的探頭，能夠消除激勵(lì)信號(hào)的影響，并通過檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化直接確定導(dǎo)體內(nèi)渦流磁場(chǎng)的分布，采用有

2、限元仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究分析缺陷形狀、大小和分布情況對(duì)檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響，驗(yàn)證了探頭傳感器直接測(cè)量渦流磁場(chǎng)的可行性，為新型渦流檢測(cè)儀器的研制提供理論指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選擇有限元法作為渦流檢測(cè)的數(shù)值分析方法。國(guó)內(nèi)渦流檢測(cè)的有限元仿真研究主要采用二維軸對(duì)稱模型，但是導(dǎo)體內(nèi)的缺陷并不規(guī)則分布，且探頭在導(dǎo)體上方移動(dòng)檢測(cè)，理想化的二維軸對(duì)稱模型不能準(zhǔn)確的描

3、述缺陷對(duì)導(dǎo)體內(nèi)渦流磁場(chǎng)分布的影響。因此，本文采用三維有限元模型，細(xì)化了網(wǎng)格剖分，消除了缺陷、邊界條件等不規(guī)則的干擾。
　　(2)對(duì)工程電磁場(chǎng)問題的數(shù)學(xué)模型、邊界條件和渦流的集膚效應(yīng)進(jìn)行了分析，并根據(jù)渦流檢測(cè)的工作原理設(shè)計(jì)了一個(gè)直接測(cè)量渦流磁場(chǎng)的探頭，包含三個(gè)線圈，兩個(gè)由同一根漆包線反向繞制而成的激勵(lì)線圈和一個(gè)匝數(shù)較多的檢測(cè)線圈，使得檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)完全由導(dǎo)體內(nèi)的渦流磁場(chǎng)產(chǎn)生。
　　(3)介紹了有限元法的基本理論，以有限

4、元軟件ANSYS Maxwell為工具，采用參數(shù)化法，仿真確定探頭內(nèi)三個(gè)線圈的具體結(jié)構(gòu)，在探頭未靠近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)恒為零，消除了激勵(lì)信號(hào)的影響。渦流檢測(cè)的有限元建模主要包括建立幾何模型、管理材料屬性、添加邊界條件和激勵(lì)源、剖分網(wǎng)格、計(jì)算和后處理等步驟。
　　(4)導(dǎo)體內(nèi)渦流場(chǎng)的變化不僅受缺陷分布的影響，還與激勵(lì)信號(hào)的頻率、探頭傳感器的提離高度、被測(cè)導(dǎo)體的材料和厚度等系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。采用有限元法仿真研究各參數(shù)對(duì)導(dǎo)體內(nèi)渦

5、流場(chǎng)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明:導(dǎo)體內(nèi)渦流在探頭線圈圓心正下方處為零，若以探頭線圈圓心為原點(diǎn)，渦流場(chǎng)的強(qiáng)度向四周輻射至線圈外徑附近時(shí)達(dá)到最大值，越過最大值后，隨著徑向距離的增加而逐漸減弱，至無窮遠(yuǎn)處衰減為零。
　　(5)選擇合適的系統(tǒng)參數(shù):激勵(lì)信號(hào)頻率為1 kHz、探頭提離高度為1.2 mm、被測(cè)導(dǎo)體選用2.5mm厚的鋁板，仿真分析導(dǎo)體內(nèi)存在缺陷時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化，并將無缺陷時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與其相減得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值的變化規(guī)律。研

6、究表明:缺陷在導(dǎo)體中心和邊緣位置時(shí)，檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值的變化規(guī)律相一致，且與導(dǎo)體內(nèi)渦流場(chǎng)的分布規(guī)律相似，均在徑向移動(dòng)至線圈外徑附近時(shí)達(dá)到最大值，但感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值相比于渦流場(chǎng)的強(qiáng)度衰減到零的趨勢(shì)更快。
　　(6)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分析缺陷不同形狀、大小和分布情況對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，包括探頭傳感器、被測(cè)導(dǎo)體試件、信號(hào)激勵(lì)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊四個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:導(dǎo)體內(nèi)存在缺陷時(shí)，檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值均在探頭移動(dòng)至其外徑距離時(shí)達(dá)到最