脉冲涡流测厚参数的优化

冯小勤,魏东旭

(淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安 223300)

脉冲涡流测厚参数的优化

冯小勤,魏东旭

(淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安 223300)

脉冲涡流检测是现代无损检测技术的重要方法之一.由于其出众的检测能力,目前已广泛应用于金属测厚等领域.文章基于COMSOL软件,建立了脉冲涡流测厚系统,对4种不同厚度的磁性和非磁性材料试件进行了测厚仿真的分析研究,并对影响厚度特征判别的测量参数 TC进行了优化,得到了优化后的仿真结果,得出了不同厚度材料检测信号的特点及特征判别的依据.

无损检测;脉冲涡流;有限元分析;优化设计;特征判别

0 引言

金属厚度的检测在许多方面都有应用,如金属板(铜、铝、钢板等)轧制过程中的厚度检测、各类金属中缺陷的检测等[1].目前,射线测厚存在射线源防护问题,对操作人员身体易造成伤害;接触式测厚虽然测量精度较高,但在被测金属高速运动情况下,与被测金属之间长时间接触会造成传感器的磨损,影响测量精度,严重时还会划伤金属表面而降低产品的质量;超声波测厚在检测薄金属厚度时检测精度不高.涡流检测方法与上述几种方法相比具有结构简单、成本低、可应用于高温高湿等恶劣环境等优点[2].脉冲涡流检测方法是近几年发展起来的一种新的无损检测技术(NDT).传统的电涡流采用正弦电流作为激励,而脉冲涡流的激励电流为具有一定占空比的方波.脉冲涡流方法与传统电涡流方法相比检测参数较多,可准确测量出距离和厚度.因此,采用脉冲涡流检测技术进行金属厚度检测的研究有重要的应用价值.

1 COMSOL简介

COMSOL Multiphysics是一个专业有限元数值分析软件包,是对基于偏微分方程的多物理场模型进行建模和仿真计算的交互式开发环境系统.它为科学和工程领域内物理过程的建模和仿真提供了一种崭新的技术.

COMSOL Multiphysics专为描述和模拟各种物理现象而开发,它使得建立各种物理现象的数学模型并进行数值模拟计算变得更为容易和可行.在使用COMSOL Multiphysics软件的过程中,可以自己建立普通的偏微分方程形式,也可以使用COMSOL Multiphysics提供的特定的物理应用模型.模型包括预先设定好的模块和在一些特殊应用领域内已经通过微分方程和变量建立起来的用户界面.此外,COMSOL Multiphysics软件通过把任意数目的这种物理应用模块整合成对一个单一问题的描述,使得建立耦合问题变得更为容易.本文使用COMSOL建立脉冲涡流测厚的模型,并进行相关仿真分析.

2 脉冲涡流测厚理论分析

激励脉冲信号在被测试件中感应出的脉冲涡流信号随着距表面深度的增加呈负指数规律衰减.脉冲涡流是在激励脉冲信号的上升沿或者下降沿的瞬变中产生的.

脉冲涡流在导体试件内部传播时,又会感应出一个快速衰减的涡流磁场,随着涡流磁场的衰减,检测线圈上就会感应出随着时间变化的电压,即瞬态感应电压.由此可见,脉冲涡流与检测线圈上得到的瞬态感应电压信号具有一定的对应关系,而瞬态感应电压信号相对于脉冲涡流信号来说,易于检测,所以通过测量瞬态感应电压信号,就可以得到相关缺陷的尺寸、类型和结构等信息[3-4].激励脉冲信号与检测线圈上的瞬态感应电压信号的对应关系如图1.

从图1中我们可以看出在位置A,感应电压有一个先上升后又趋向稳态的过程.这是因为瞬态感应电压是衰减的涡流磁场在检测线圈中感应得到的,而涡流磁场在试件中传播时,由于试件厚度的不同会导致涡流磁场的衰减速度和衰减的程度不同,所以在检测线圈中感应的瞬态电压的幅度和趋于稳态的时间不同,即对应于图中位置A的峰值和峰值时间不同.因此,位置A的相关参数可以很好的作为试件厚度判别的一个重要依据.本文对不同厚度、不同材料的试件进行仿真,对仿真结果进行了分析.

图1 激励信号与瞬态感应电压的对应信号

3 脉冲涡流测厚仿真分析

仿真分析中,所以我们选取铝(Aluminum)、铜(Copper)、钨(Tungsten)、镍铬合金600(Inconel 600)这4种材料进行仿真测试实验.由于在COMSOL软件中提供了丰富的材料库,所以只要在仿真中设置相应的仿真材料的属性即可选择相关材料,非常的方便.经过求解运算,我们可以得到相应的感应电压波形.

图2为4种不同试件在厚度分别为:0.5,1.0,2.5,5.0,7.5和10.0mm时,仿真得到的瞬时感应电压波形峰值的拟合图.

图2 测厚峰值变化拟合图

图3 不同 TC对应的测厚峰值拟合

从图2拟合的曲线中我们可以发现:

1)在高导电材料铜试件上,随着厚度增加,测厚峰值开始增加,厚度达1mm后,峰值开始减小.

2)当材料铝被检测时,测厚峰值开始逐渐增加,到厚度为2.55mm以后开始减小.

3)当材料钨被检测时,测厚峰值开始逐渐增加,到厚度为2.5mm以后开始减小.

4)而当低导电材料镍铬合金600被检测时,测厚峰值随着厚度的增加而增加.

从以上的4种试件仿真实验得到的参数及曲线,我们可以得出如下结论:对于低导电性能材料,测厚峰值逐渐增大,不同厚度材料对应不同峰值,可以用测厚峰值来区分材料的厚度.而对于高导电材料,测厚峰值随着厚度增加先增大再减小,同一材料的不同厚度可能会呈现出相同的测厚感应电压峰值.所以测厚峰值这个参数对较高导电性的材料,还不能作为判断试件厚度的标准.为了提高这个重要参数对厚度特征判别的质量,我们可以通过调节激励脉冲信号的相关参数来实现.

4 参数优化仿真

4.1 激励线圈等效模型

在具体实验中,在激励线圈上加一个脉冲电压,由于激励线圈自身的电感和电阻的存在,所以脉冲涡流检测电路中激励线圈的等效电路如图4.对图4等效电路,我们可以看作一个简单的一阶动态RL电路,激励源为一个脉冲电压源,我们可以作以下简单分析.由这个串联电路,我们很容易求的电路中的电流为:

图4 激励电路等效模型

(1)则线圈(电感)上的电压为:

(2)

对于参数τ(以下称TC),它是动态电路中一个非常重要的参数.

表1 参数τ(TC)对电感电压的影响

从表1可以看出 ,当τ(TC)取不同值的时候,线圈上的感应电压表达式就不同,可以推出激励线圈上电压的波形也应该是不一样的.4.2 优化后的仿真结果分析

我们将 TC=0.05、TC=0.1、TC=0.2、TC=0.5时对应的脉冲信号作为探头的激励信号,对铝块重复进行厚度测试仿真.可以得到随着厚度变化,不同 TC的峰值拟合曲线图(图3).由图3拟合曲线可以看出,随着 TC的减小,测厚峰值逐渐趋于恒定变化,而且变化的幅度越来越大,则依据 TC较小时的测厚电压峰值来区分高导电材料的厚度变得更加容易.

5 结论

综上,我们可以得出结论,测厚电压峰值可以用来判别不同导电率材料的厚度;测厚电压峰值用来作为厚度判断的参数时,需要对线圈上的激励信号进行优化调整,尤其是对于高导电性的材料;当 TC较小时,测厚峰值变化量明显较大,此时,测厚电压峰值可以很好的作为试件厚度判别的重要依据和标准.

[1] 张震.脉冲涡流测厚技术研究[D].西安:西安理工大学,2007.

[2] 刘世杭,过玉清.脉冲涡流感应测量方法的研究[J].东华大学学报,2001,27(6):49-52.

[3] 周昊.基于脉冲涡流信号主成分分析的金属测厚研究[D].西安:西安理工大学,2008.

[4] Yang H C,Tai CC.Pulsed eddy currentmeasurement of a conducting coating on amagnetic metal plate[J].Meas Sc Technol,2002(13):1259-1265.

[5] Tai CC,Rose J H,Moulder JC.Thickness and conductivity ofmetallic layers from pulsed eddy currentmeasurements[J].Rev Sci Instrum,1996,67(11):3965-3972.

Abstract:Pulsed eddy current testing is an important technique in modern non-destructive testingmethods.Because of its superior detection capabilities,it has beenwidely used inmetal thicknessmeasurement and other areas.And then,using the finite element analysis software COMSOL to established a pulsed eddy current thicknessmeasurement system;four kinds of different thickness of magnetic and non-magnetic material were have a thicknessmeasured simulation analysis,and the parameters TC which affecting the thicknessof themeasured have been optimization,thenwe received thewelloptimized simulation results,and reached a featuresof different thicknessmaterial and the basis for distinguishing characteristics.

Key words:NDT;pulsed eddy current;finite element analysis;optimization design;characteristics distinguish

[责任编辑:蒋海龙]

The Parameter Optim ization of Pulsed Eddy Current Thickness Measurement

FENG Xiao-qin,WEIDong-xu

(School of Physics and Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

TG115.2

A

1671-6876(2010)06-0481-03

2010-09-09

冯小勤(1981-),女,江苏海门人,助教,硕士研究生,研究方向为电磁学应用.