上海海事大学 物流工程学院 上海 201306
摘要：钢板缺陷检测中，传统的方法是提取阻抗变化的幅值来确定缺陷信息，这一方法存在缺陷位置无法确定以及无法进一步分析裂缝深度的问题。为解决这一问题，本文通过在Ansoft Maxwell软件中对被测钢板、激励线圈和涡流检测传感器进行建模，在被测钢板中缺陷位置不同的情况下，施加正弦波激励，结合分析涡流感应幅值和相位，能够有效地区分钢板涡流检测过程中表面缺陷和内部缺陷，并进一步分析缺陷信息。
关键词：涡流检测；缺陷检测；幅值；相位
1.引言
在钢铁工业的生产制造中，对于钢板的质量检测，特别是对于钢板缺陷检测的重要性不言而喻，作为涡流检测技术的典型的应用，涡流检测技术测量具有非接触、非侵入等优点[1][2]。涡流检测在导电材料无损检测领域具有其独特的优点，例如采用多频率激励时，涡流检测往往具有较好的抗干扰性等优点。诸如此类的脉冲涡流检测的研究[3][4]前人有了很多著作。
本文在涡流检测理论的基础上，通过仿真对存在内外部缺陷的钢板进行了研究。通过对感应信号进行了不同方式特征提取，并对缺陷的分类进行了探讨。
2.涡流检测原理
在实际测量中，对磁场变化感应明显的器件都可以作为涡流传感器，如霍尔传感器、线圈等。以脉冲激励信号为例，当给激励线圈施加一定周期的脉冲激励电压信号的时候，激励线圈中会产生相同周期的激励电流，当被测试件的某些性质发生变化的时候，必然会影响到被测试件中的涡流特性，因此检测线圈中检测到的磁感应强度的变化或是感应电动势的变化将反映出被测试件的信息。
3.仿真模型
在本文中，为了验证钢板内外部缺陷对涡流感应的不同影响，在Ansoft Maxwell中对实验模型进行仿真。其中，激励线圈和感应线圈为内径2毫米、外径7毫米、厚度0.8毫米、匝数750的铜制线圈；试验对象为长宽高为200毫米、80毫米、20毫米的钢板；激励信号为频率20KHz、幅值20V的正弦波。在设定的线圈切面导入激励信号，并创建十倍于试验对象的真空解析域。
本文采用手动方式来进行网格剖分，对钢质试件采用基于集肤深度方式进行剖分，对于激励线圈和外部真空采用内部剖分方式。设定两个激励信号周期为仿真求解时间，共设置200个采样点。
仿真运行完，查看磁感应强度时域曲线。
4.感应涡流分析
检测传感器线圈通常采用金属导线绕制而成，具有一定的电阻值和电感值，因此线圈模型可以由一个电阻和一个电感串接来表示。根据交流复阻抗的概念，线圈的复阻抗表示为导线电阻和线圈感抗两个部分，即 Z1=R1+jX1。
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在正弦激励的作用下，由于涡流效应金属试件中会产生电涡流，电涡流是闭合的，每一圈电涡流可以看成被短路的导线环，这样可把传感器线圈和被测的金属试件视为两个互相耦合的电感。从电路的角度来看，线圈和金属试件就是一个电感耦合的空心变压器模型，其中检测线圈为原边线圈，金属试件产生的涡流环相当于变压器副边线圈。根据向量形式的基尔霍夫定律可得：
R1+jωL1I1-jωMI2=U2（R2+jωL2）I2-jωMI1=0
其中：R1为传感器线圈自身的电阻；L1为传感器线圈自身的电感；R2为试件涡流环的等效电阻；L2为试件涡流环的等效电感；ω为传感器线圈的激励角频率；M为传感器线圈与涡流环之间的互感系数。解方程组可得检测线圈中的电流I1为：
I1=U1R1+jωL1+ω2M2R22+ω2L22R2-jωω2M2R22+ω2L22L2
可得受到被测导体影响的检测传感器线圈两端的视在阻抗：
Z=R1+ω2M2R22+ω2L22R2+jωL1-ω2M2R22+ω2L22
可以看出，仿真中导出的检测线圈感应信号等效为实部和虚部描述法下的视在阻抗，幅值即为根号下实部与虚部的平方和，相位虚部和虚部比值的反正切值。
本文中，根据趋肤深度或者渗透深度的计算公式，在检测钢板表面和距钢板表面0.5mm分别设置深度分别为0.5mm、1mm、1.5mm和2mm的缺陷。从试验数据可以看出，随着裂纹深度的增加，幅值大小也在不断增加，但增长率逐渐变缓。这符合涡流的性质，越往深处涡流越弱。当钢板表面存在0.5mm的缺陷和钢板内部存在1.5mm的缺陷时，其感应涡流幅值十分接近。如果不确定缺陷在钢板上的具体位置，无法进一步根据幅值探讨缺陷的深度、长度等其他信息。结合感应涡流的相位信息后，能够准确的区分缺陷类型。
5.结论
本文中，采用Ansoft Maxwell软件仿真方法分析了钢板缺陷涡流检测问题，对于正弦激励下的感应涡流特征提取方法进行了改进。当缺陷位于钢板表面时，涡流感应幅值随裂缝深度的增加而增加，但其相位一直在135度左右；当缺陷位于钢板内部时，涡流感应幅值也随裂缝深度增加而增加，但其相位在49度附近。采用相位和幅值结合的方式能够更直观准确的确定缺陷在钢板中的状态，准确地区分不同深度但幅值接近时钢板中的内外部缺陷，为缺陷信息的进一步挖掘提供了便利。
参考文献：
[1]章学铜，尹武良，赵丽婷，等.基于时域和频域综合分析的金属探伤研究[J].机电工程，2013，30（3）：253-256.
[2]尹武良.低频电磁传感检测技术[M].北京：科学出版社，2010.
[3]J.L.Rasolonjanahary，F.Thollon，N.Burais，and X.Brunotte，“Study of eddy currents non-destructive testing system in riveted assemblies，” IEEE Trans.Magn.，vol.32，pp.1585–1588，May 1996.
[4]T.Clauzon，F.Thollon，and A.Nicolas，“Flaws characterization with pulsed eddy current N.D.T.，” IEEE Trans.Magn.，vol.35，pp.1873–1876，May 1999.
论文作者:陈露,冯玉昊
论文发表刊物:《探索科学》2016年7期
论文发表时间:2016/10/26
标签：涡流论文; 线圈论文; 钢板论文; 缺陷论文; 感应论文; 相位论文; 传感器论文; 《探索科学》2016年7期论文;