平面柔性涡流传感器工作频率影响分析与验证

唐 莺,赵建强,胡恒江,陈棣湘,何赟泽

(国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073)



平面柔性涡流传感器工作频率影响分析与验证

唐 莺,赵建强,胡恒江,陈棣湘,何赟泽

(国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073)

平面柔性涡流传感器能同时独立测量电导率和提离，在应力评估、缺陷检测方面具有较大优势。文中采用有限元法仿真分析了工作频率对平面柔性涡流传感器性能的影响，在工作频率为500 kHz时，使用所设计的平面柔性涡流传感器对铝合金3A21进行了拉伸应力试验，得到铝合金电导率与拉伸应力的关系。实验结果表明，在合适的工作频率激励下，平面柔性涡流传感器能有效实现导电材料的电导率测量和应力大小的评估。

平面柔性涡流传感器；工作频率；应力评估；电导率；有限元法

0 引言

金属部件长时间工作之后，容易因疲劳裂纹造成断裂而失效。而应力是造成零件疲劳、断裂的重要因素，也是表征构件早期质量的重要参量，有效评价应力变形状态对于关键部件早期失效预测十分必要[1-2]。

传统的无损检测技术对材料进行应力评估存在检测难度大、检测效率低、价格昂贵等问题。比如X射线衍射法检测设备价格昂贵，对测试操作要求较高[3-4]；超声检测需要使用耦合剂，对材料表面有一定要求，并受到被检测材料厚薄的限制[5]。金属材料具有的导电性能使得涡流检测在应力评估、缺陷检测方面具有较大优势[6-7]。

平面柔性涡流传感器将激励线圈和检测线圈制作在同一薄的柔性衬底上，能够适应较为复杂表面的被测材料，可以同时测量材料电导率和提离[8]。

对于平面柔性涡流传感器而言，检测的灵敏度受传感器的工作频率影响较大。本文利用有限元法仿真分析了工作频率对传感器性能的影响，并进行了铝板应力评估实验。实验结果表明，在合适的工作频率激励下，平面柔性涡流传感器能有效实现导电材料的电导率测量和应力大小的评估。

1 平面柔性涡流传感器工作原理

平面柔性电磁传感器由激励线圈和感应线圈组成，激励线圈和感应线圈按一定的规则周期分布在柔性基底上。其结构和平面变压器类似，如图1所示。平面柔性传感器的这种周期性结构能够提高激励磁场的均匀性，同时，方便对电磁场的相互作用进行准确的建模。

图1 平面柔性电磁传感器示意图

(1)

由式(1)所得转移阻抗Z与被测材料的电导率和提离等物理属性有关，而电导率反映了被测材料的损伤程度，提离体现了材料表面的粗糙度。因此，根据传感器转移阻抗的幅度和相位可以获得被测材料的电导率、磁导率、涂层厚度等绝对参数的相关信息，从而进行微损伤、应力分布等的评估。

平面柔性涡流传感器测量所得被测材料物理属性为感应单元覆盖面下的平均值，感应单元的尺寸越小，测量的空间分辨力就越高。为了识别细微的裂纹损伤，需要减小感应单元的尺寸。但感应单元面积的减小，感应线圈和激励线圈的磁链也会减小，这将导致感应电压的幅值降低，增大信号处理的难度。对平面柔性涡流传感器的设计要综合考虑上述2方面因素。

有限元法由于具有可以模拟实际检测条件，不需要设计制作大量传感器以及人工缺陷试样，被广泛应用于解决电磁场问题。平面柔性涡流传感器的结构具有对称性和周期性，非常适合有限元仿真分析。本文采用有限元法分析工作频率对传感器性能的影响。

2 传感器有限元仿真模型

采用有限元分析软件ANSYS，对图1所示的平面柔性涡流传感器结构进行三维建模分析，图2为平面柔性涡流传感器的模型图。选用三维单元类型SOLID97，这是一种基于节点的矢量位分析方法，节点自由度分别为AX、AY和AZ。采用六面体单元对模型进行网格划分。

图2 平面柔性涡流传感器模型图

有限元仿真模型中，传感器线圈宽度为0.2 mm，厚度为0.35 mm，激励线圈和感应线圈的间距为0.1 mm，与实际传感器尺寸保持一致。采用正弦电流激励，电流幅值为1 A，初相位为0°。

3 传感器工作频率对检测深度的影响

由电磁感应定律知，存在电磁耦合关系的激励线圈和感应线圈，在相同幅值的正弦激励电流作用下，激励绕组的频率越高，感应电压幅值越大。在传感器结构确定后，可以相应提高工作频率以获得较大响应输出。但工作频率直接影响磁场在被测对象表面的透入深度，这关系到传感器的可检测深度。现对空间波长分别为2.4 mm和3.6 mm的2种平面柔性涡流传感器在不同工作频率情况下仿真分析透入深度，其中被测材料电导率为1 MS/m、相对磁导率为20，仿真结果如图3所示。

图3 透入深度与传感器工作频率的关系

由图3知，在工作频率为1 MHz以内，空间波长对透入深度起主要作用，工作频率高于1 MHz，透入深度与趋肤深度趋于一致。可见，高频和较短的空间波长更加适合于近表面缺陷检测和研究表面的应力分布。

4 传感器工作频率对转移阻抗的影响

利用仿真分析平面柔性涡流传感器转移阻抗随工作频率变化情况。图4是转移阻抗的频率特性。

(a)转移阻抗实部

(b)转移阻抗虚部图4 转移阻抗的频率特性

由图4知，在低频段，转移阻抗的实部和虚部都很小，这是因为感应电压幅值很小，随着频率的增加，感应电压幅值迅速增加。

为了保证感应绕组两端的电压信号幅值满足一定的检测要求，传感器的工作频率不能选得太低，一般大于100 kHz；另一方面，工作频率也不能过高，否则会大幅增加信号处理电路的复杂度，因此应当小于5 MHz。

5 实验

根据有限元仿真结果，综合考虑选取传感器工作频率为500 kHz，分析平面柔性涡流传感器响应信号与被测材料应力之间的相关性。

5.1 实验设备

实验设备主要包括：

(1)阻抗分析仪:使用高精度阻抗分析仪，用于转移阻抗的测量，激励频率范围为：20 Hz～20 MHz；

(2)平面柔性涡流传感器如图5所示；

(3)加载试件：本试验样品为轧制的铝合金3A21，长为200 mm，宽为40 mm，厚2 mm，屈服强度约为100 MPa；

(4)拉伸实验机:型号为WDW-E100D，是微机控制电子式万能试验机，最大加载容量为50 kN。拉伸实验时，如图5所示，试件两端固定在实验机上，将传感器固定在试件一侧，其他面为自由状态，把实验机调整为拉伸状态。拉伸试验在加载材料的弹性区进行。

图5 实验装置

5.2 实验结果

从0开始逐渐增加拉力，一直增加至2.5 kN左右，对每一拉力值进行5次重复转移阻抗值的测量，最后取平均值作为实验结果并记录数据。拉力值依次为0.483 kN、1.051 kN、1.508 kN 、1.973 kN 、2.543 kN,对应的应力分别为：2.415 MPa、5.255 MPa、7.54 MPa、9.865 MPa、12.715 MPa。

将所得电导率值与所加应力绘制成图，如图6所示。

从图6可以看出，当拉应力增加时，电导率值随之几乎线形下降，这是金属材料典型特性的表现。采用线性拟合的方式，得到拟合方程为

σ电=-0.150 8σ应+19.415 1

(2)

残差值为0.005 9。

6 结论

本文仿真分析了工作频率对平面柔性传感器性能的影响，

图6 应力与电导率关系图

根据仿真结果，选取工作频率为500kHz，对铝合金进行了拉伸应力实验。实验结果表明，在较合适工作频率激励时，平面柔性涡流传感器能够用来评估电导率的分布，并以此来评估被测导电材料所处的应力状态，为关键部件早期失效预测提供有力保证。

[1]JAMESMN，HUGHESDJ，CHENZ，etal，Residualstressesandfatigueperformance.EngineeringFailureAnalysis,2007,14(2)：384-395.

[2] 张春月,边杰.航空发动机轴向力测量传感器设计及应用.仪表技术与传感器,2014(6)：13-15.

[3]CHAIBMOS,DJELOUAHH,BOUTKEDJIRTT．Propagationofultrasonicwavesinmaterialsunderbendingforces．NDT&EInt，2005(38)：283-289.

[4] 许占显.用检测残余应力方法预报航空件突变断裂的可行性．航空制造技术，2004(5)：69-72．

[5] 车俊铁，侯强，于静.兵器零部件微裂纹检测方法的对比分析.兵器材料科学与工程，2005，28(5):44-47.

[6]WILSONJW,TIANGY,BARRANSS.Residualmagneticfieldsensingforstressmeasurement.NDT&EInt，2007(135):381-387.

[7] 赵建强,翁飞兵,潘孟春，等.平面传感器阵列有限元模型和实验研究.计量技术，2012 (3):3-7.

[8] 赵建强.平面涡流传感器关键技术研究：[学位论文].长沙：国防科技大学，2011.

[9] 赵建强,徐瑶.测量电导率和提离的平面传感器阵列.仪表技术与传感器,2012(12)：167-169.

Analysis and Validation of Effect of Frequency on Planar Eddy Sensor

TANG Ying,ZHAO Jian-qiang,HU Heng-jiang,CHEN Di-xiang,HE Yun-ze

(College of Mechatronics and Automation,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The planar flexible eddy current sensor can test lift-off and conductivity independently at the same time，making it easy for defect testing and stress evaluation.The effects of the frequency on the performances of planar flexible eddy current sensor were analyzed by using the finite element method (FEM).The sensor working in frequency of 500 kHz was used for tensile stress testing of aluminum alloy 3A21,then the relationship between the aluminum alloy conductivity and the tensile stress was obtained.The experimental results show that the planar flexible eddy current sensor can be used for measurement of conductive material’s conductivity and evaluation of its stress when the exciting frequency is appropriate.

planar flexible eddy current sensor；frequency;stress evaluation；conductivity;finite element method

国家自然科学基金资助项目(61171134)

2014-10-22 收修改稿日期：2015-03-05

TM154.2

A

1002-1841(2015)08-0004-03

唐莺(1971—)，副教授，博士，主要从事电磁无损检测技术及其相关理论的研究。E-mail:tangyingtiger@163.com赵建强(1986—)，在读博士研究生，主要研究方向为无损检测。E-mail：jqzhao@qq．com