非磁性金属平板脉冲远场涡流传感器优化设计与缺陷定量检测*

张 超 王晓锋 蒋锋聚 张 辉 杨宾峰

(1.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077；2.上海美多通信设备有限公司，上海 200333；3.空军工程大学科研部，西安 710051)

0 引言

非磁性平板金属构件在航空领域有着广泛的应用，及时对其进行无损检测与评估对于确保飞行器安全有着重大意义。近年来国内外学者对平板构件无损检测进行了初步研究，美国Iowa state university的Y.S.Sun等人通过为传感器合理设计屏蔽结构与导磁结构在平板上实现了远场现象，并成功的将其应用到了飞机多层结构的检测中，但是没有给出传感器的具体设计方案[1]；日本Yokohama National University的N.Kasai等人利用平板远场涡流技术对石油储罐底板缺陷进行了检测，但其采用正弦激励方式，使得检测信号频谱成分单一且功耗较大[2]；南京航空航天大学的王新设计了一套适用于铁磁性平板导体件的远场涡流检测系统，但此系统无法对非磁性平板进行检测[3]。

针对以上问题，本文采用脉冲方波信号作为激励，设计了一种新型非磁性金属平板远场涡流检测传感器，并仿真分析了激励线圈长度、匝数，激励与检测线圈间距以及激励信号占空比等参数变化对检测结果的影响。在优化后传感器的基础上，研究了其对平板上下表面缺陷的定量检测能力。本文研究结果可以为脉冲远场涡流技术在非磁性金属平板检测中的应用提供新的思路。

1 平板脉冲远场涡流检测原理

由于平板中远场涡流现象较难实现，本文采用UTC(U-type component)构件罩于激励和检测线圈之上，用以模拟管道结构。如图1所示，传感器由激励和检测线圈构成，激励线圈感应出的磁场分为直接耦合分量和间接耦合分量，分别沿着两条不同通道传播。直接耦合分量在UTC结构的作用下快速衰减，而间接耦合分量衰减较慢，在远场区间磁场间接耦合分量会强于直接耦合分量，并向上二次穿透平板。由于受到平板中缺陷的扰动，二次穿透平板的磁场带有缺陷信息，通过提取检测信号便可实现对平板中缺陷的检测[4-5]。

图1 非磁性金属平板远场涡流检测原理示意图

传统远场涡流检测技术加载正弦激励信号，由于磁场间接耦合分量两次穿透被测件，受到被测件的阻碍，其幅值会发生衰减，相位会发生滞后，因此其在检测线圈上感应出的瞬态信号相位也会滞后于激励信号。当被测件中存在缺陷时相当于其厚度发生了变化，因此检测信号相位也会发生相应的规律性变化，通过提取检测信号相位变化量就可以实现对缺陷深度的定量检测。而在脉冲激励情况下，检测线圈的感应电压信号如图2所示，传统远场涡流检测信号的“相位变化”体现为检测信号最后一个过零时间的变化，通过提取过零时间作为特征量便可以实现对缺陷的定量检测。

图2 脉冲激励下的检测信号及所提取的特征量

2 平板脉冲远场涡流仿真模型的建立

采用ANSYS有限元仿真软件建立平板脉冲远场涡流检测模型，其中平板长、宽均为200mm，厚为5mm，UTC长为132mm，内部宽和高均为34mm，厚为5mm。平板与UTC相对磁导率均为1，电阻率均为2.65×10-8Ω.m。矩形激励线圈长为20mm，高和宽均为30mm；检测线圈绕制在相对磁导率为1000的“工”字型磁芯上，长为6mm，外半径为4mm，厚度为2mm，与激励线圈间距为20mm；绕线的相对磁导率均为1，电阻率均为1.724×10-8Ω.m。为了将模型更清晰的显示，我们在绘图时将UTC前板去掉，所得传感器模型如图3所示。

图3 传感器仿真模型

3 传感器参数仿真优化

3.1 激励线圈匝数对检测结果的影响

为了研究激励线圈匝数变化对检测结果的影响，本文仿真计算了激励线圈分别为100匝，200匝和300匝时检测线圈的感应信号，如图4所示。从图中可以看出，随着激励线圈匝数的减小，检测信号幅值逐渐增大，同时最后一个过零时间减小，且过零特征更为明显。仿真结果表明，激励线圈匝数减少，有利于检测信号中峰值和过零时间特征量的提取。因此在下文的仿真中激励线圈匝数均设置为100匝。

图4 激励线圈匝数对检测结果的影响

3.2 传感器长度对检测结果的影响

传感器长度主要受到两个参数影响：一个是激励线圈长度，另一个是激励与检测线圈的间距。为了分析传感器长度对检测结果的影响，本文分别通过仿真分析了上述两个参数变化时检测信号的变化情况。

分别建立当匝数为100匝，激励线圈长度分别为20mm、30mm、40mm时的仿真模型，将三种模型计算所得检测信号绘制成图5。从图中分析可知，当激励线圈长度增加时，感应信号峰值和过零时间基本保持不变，但是检测信号过零时间特征量更容易提取。在三种模型中，当激励线圈长为20mm时，感应电压信号间接耦合分量部分幅值更大，过零时间特征量更明显。

图5 激励线圈长度对检测结果的影响

传统管道远场涡流检测中激励线圈和检测线圈之间的距离通常为2～3倍的管径[6]，为了研究脉冲激励下的非磁性平板远场涡流检测中激励线圈与检测线圈间距变化对检测结果的影响，仿真分析了当激励与检测线圈间距分别为5mm、10mm、20mm和30mm四种情况下检测信号的变化情况，仿真结果如图6所示。通过分析可以看出，当激励与检测线圈间距5mm时，检测信号中间接耦合分量特征消失，说明此时检测线圈位于“近场区”。当激励与检测线圈间距变大时，检测信号幅值在不断减小，同时其过零时间特征量也变得不明显，不利于对缺陷进行定量检测。因此优化后传感器模型激励与检测线圈间距取10mm。

图6 激励与检测线圈间距对检测结果的影响

3.3 脉冲激励信号占空比对检测结果的影响

在铁磁性金属管道远场涡流检测中，需要加载低频激励信号，通常为10～50Hz。但是非磁性金属管道远场涡流检测中，激励信号频率的选择要遵循“感应涡流‘集肤深度’与管壁厚度相当”的原则[7]。经过仿真验证，此结论同样适用于非磁性金属平板的检测，因此经过计算，模型中线圈加载频率为300Hz的脉冲方波激励。在此基础上分别仿真计算激励信号占空比为5%、10%和50%时的检测信号，并对其进行比较，所得结果如图7所示。从图中可以看出，当激励信号占空比为5%和10%时，检测信号包含直接耦合分量和间接耦合分量，且具有过零时间特征量，但是进一步比较发现当占空比为10%时感应电压间接耦合分量幅值更大，过零时间特征量更容易提取，因此当激励信号占空比为10%时传感器检测能力更强。当激励信号占空比增大至50%时，检测信号波形发生了失真，过零时间特征量消失。综上可知，在加载脉冲激励信号时，应选择适当的激励信号占空比。

图7 脉冲激励信号占空比对检测结果的影响

4 非磁性金属平板上下表面缺陷的定量检测

在优化后传感器基础上，分别建立两组模型，第一组模型具有上表面缺陷，第二组模型具有下表面缺陷。两组模型均计算缺陷深度分别为1mm、2mm、3mm和4mm时的检测信号，为了便于观察，将感应信号过零时间特征量所在区域放大，如图8、9所示。从图中可以看出，在平板上、下表面缺陷两组模型中，检测信号的过零时间均随着缺陷深度的增加而减小，表明过零时间这个特征量只体现平板厚度的信息，而与缺陷位于上表面还是下表面无关。

图8 上表面不同深度缺陷对应感应信号

图9 下表面不同深度缺陷对应感应信号

为了实现对缺陷的定量检测，在局部放大图中分别提取两组模型不同缺陷深度对应的感应信号过零时间。上表面缺陷模型中缺陷深度分别为1mm、2mm、3mm和4mm时所对应过零时间分别为1.311ms、1.270ms、1.236ms、1.200ms；下表面缺陷模型中缺陷深度分别为1mm、2mm、3mm和4mm时所对应过零时间分别为1.334ms、1.313ms、1.284ms、1.242ms，过零时间与缺陷深度成一一对应关系。

在实际检测中，我们首先要进行大量仿真，在仿真中设置不同深度的缺陷，并提取其检测信号过零时间，建立缺陷深度与过零时间一一对照的数据库，然后使用传感器对被测平板进行扫描，当感应信号过零时间发生变化时，说明被测件中存在缺陷，此时通过提取检测信号过零时间特征量，对比数据库便可以测得缺陷深度。前期我们通过大量仿真验证，优化后传感器可以对深度为0.5～5mm范围内的缺陷进行检测。

5 结论

本文设计了一种新型非磁性金属平板脉冲远场涡流传感器，并分析了此传感器检测原理。在此基础上采用ANSYS软件仿真建立了传感器检测模型，分析了传感器激励线圈匝数和长度、激励与检测线圈间距、脉冲激励信号占空比等参数变化对检测结果的影响，得到了优化后传感器模型。最后通过提取检测信号最后一个过零时间作为特征量实现了对非磁性金属平板上下表面缺陷的定量检测。

[1] Y.S.Sun，W.Wan，X.Yang，C.Sun，H.Zhu and T.Ouyang.Applications of motorized RFEC probes in thick aircraft structure crack detection[J].QNDE,2007，18(4):125-133

[2] Naoya Kasai,Yasuhiro Fujiwara,Kazuyoshi Sekine,Takahide Sakamoto.Evaluation of back-side flaws of the bottom plates of an oil-storage tank by the RFECT [J].NDT&E International,2008,41(5):525-529

[3] 王新．平板导体件的远场涡流检测系统的研究与设计[D]．南京：南京航空航天大学,2010.

[4] 崔文岩，朱荣新，杨宾峰，李龙军．铁磁性平板导体件远场涡流有限元仿真与分析[J].计量技术,2012(10):3-5

[5] 幸玲玲，盛剑霓．涡流检测中轴对称场的快速计算[J].计量学报,2000,21(4):296-301

[7] H.Fukutomi，T.Takagi，M.Nishikawa.Remote field eddy current technique applied to non-magnetic steam generator tubes[J].NDT&E International，2001,34:17-23