交变电磁场检测激励探头的仿真与结构优化

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(西南石油大学 机电工程学院，成都 610500)

图1 ACFM检测缺陷识别结果

交变电磁场检测(ACFM)技术是一种新兴的无损检测技术。工件感应电流产生的磁感应强度在x方向上的Bx磁通密度曲线上出现的凹陷反映裂纹的深度，在z方向上的Bz磁通密度曲线上出现的波峰和波谷反映裂纹的长度；因此只需得到Bx和Bz的特征分布，就可以分析检测到缺陷的具体位置和尺寸[1]，ACFM检测缺陷识别结果如图1所示。利用ACFM技术检测缺陷时，具有非接触测量、无需打磨、无需标定、操作简单等优点[2]，能较大程度减少检测工时，降低检测成本，在国内外钻井平台、铁路轨道和铝合金外壳飞机等的检测工作中有十分广泛的应用[3-4]。

目前，ACFM技术的研究是建立在模型计算和分析待测工件表面感应电流分布特征及感应磁场上的，建立模型和计算电磁场信号特征是交变电磁场准确检测缺陷的基础[5]。已经有大量的研究[6-8]是基于ACFM检测原理和电磁场特性来建立不同结构和参数的激励探头数学模型和进行仿真分析的，特别是以U型激励探头模型结构为基础的研究，但激励探头磁芯的几何参数对工件缺陷检测准确度的影响还没有系统研究。因此，笔者通过应用软件COMSOL Multiphysics电磁模块建立了U型激励探头仿真模型，研究了各几何参数激励探头的感应电磁场分布影响规律，获得了检测灵敏度最高的U型磁芯的几何参数，为U型ACFM激励探头的结构优化提供数据参考。

1 激励线圈仿真模型

由激励探头数学模型的计算方法可知，若使用交变电磁场技术对缺陷进行检测，工件表面必须形成匀强磁场[9]。通过比较匀强电流的两种激励方式，用数值计算的方法得出矩形截面线圈符合ACFM检测的要求[10]。结合交变电磁场检测范围的实际需要，最后采用了矩形激励线圈套在有矩形横梁的U型结构上作为激励探头结构，因为考虑线圈的绕组可层层绕制，即可忽略磁芯各处截面所形成的影响，同时U型线圈在传感器安置上具有优势，满足多磁路少漏磁[11]的检测要求，所以采用各截面为矩形的U型激励绕组线圈。U型激励探头检测工件的仿真模型和磁芯的结构示意如图2所示。

建立的三维U型激励线圈检测缺陷工件的仿真模型共分为4个部分，即激励探头磁芯、绕组线圈、带缺陷工件和空气层等。激励线圈产生的交变磁场的磁通量最大限度地汇聚到工件表面，可获得明显的检测效果。此外，由磁芯加上一个或多个彼此平行的绕组绕制而成的U型线圈中，线圈绕组内芯材料为铜，电阻率为0.01 Ω·m，导线直径为0.15 mm，线圈匝数为500；内芯再接入频率为6 kHz，幅值为0.2 A的正弦电流。磁芯底面距离缺陷工件表面3 mm，裂纹位于工件中心，简化缺陷为矩形凹槽，填充空气。考虑电磁场在空气中的衰减，在激励探头和工件模型外围设置边界，此边界域假定为磁场的无限远处，这部分区域为空气层。模型参数以一般ACFM激励探头的尺寸作为初设定值，具体参数如表1所示。

图2 U型激励探头检测工件的仿真模型和磁芯的结构示意

对模型工件和线圈表面采用分区域的形式进行网格划分，工件缺陷尺寸较小，若采用大网格的划分方法，则检测精确度低[12]，所以必须在缺陷处细化网格，以保证检测精度，同时能避免计算时的资源浪费。仿真模型的网格划分如图3所示。

表1 U型激励线圈检测工件仿真模型的参数

2 计算结果与分析

在距离工件外部1 mm正对缺陷中心位置处，沿缺陷走向各延伸30 mm来设置感应磁场的测量路径，可以更准确地得到路径上的磁感应强度分量Bx和Bz的变化曲线[13]，通过电磁场模块来对U型激励线圈检测缺陷工件的仿真模型进行物理场仿真分析，仿真得到的被测工件表面感应电流分布情况如图4所示，工件表面感应磁场分量的特征曲线如图5所示。

图3 仿真模型的网格划分

图4 工件表面感应电流的矢量分布

图5 工件表面感应磁场分量的特征曲线

由图4可知，模型中的感应电流特征分布符合ACFM检测的理论结果[14-15]。从图5可以看出，分量Bx图中的凹陷和Bz分量图的波峰波谷间距很明显地表现出了缺陷的位置和缺陷的尺寸，而且合成的蝴蝶图能够很好地闭合，可以实现ACFM对缺陷的监测分析结果，说明建立的仿真模型合理。由于磁感应分量Bx和Bz都可以体现具体位置的磁感应密度，只分析Bz分量随参数变化的特征值，将检测到两个峰值间的距离与缺陷限定值相比较，用得到的相对误差δ来判定激励线圈结构的几何参数对缺陷检测灵敏度和准确度的影响。以初设模型为基准，调整激励线圈的磁芯腿部高度h，腿部底面与底板距离保持不变，通过对多组磁芯腿部数据的分析，得出磁感应信号分量Bz的特征分布规律。分量Bz随磁芯腿部高度h的变化曲线如图6所示，Bz峰值随磁芯腿部高度h的变化曲线如图7所示，Bz的特征值随磁芯腿部高度h的变化数据如表2所示。

图6 分量Bz随磁芯腿部高度h的变化曲线

图7 Bz峰值随磁芯腿部高度h的变化曲线

从图6，7和表2可以看到，当磁芯腿部高度h在87.5～137.5 mm之间变化时，随着h的增加，磁通密度分量Bz的大小逐渐降低，缺陷的特征值曲线变化趋势并不明显。通过波峰波谷的间距反映出的裂纹长度L，可以得出磁芯腿部高度大于117.5 mm时，检测误差较大，对结果影响很大。特别地，当h小于87.5 mm时，磁通密度并不随着h的增加而一直增加，而是出现了回落现象。由此可知，在U型激励探头的磁芯腿部高度不妨碍检测传感器正常工作的情况下，可以适当地减小腿部高度h。当腿部高度达到87.5 mm时，缺陷定位更加灵敏，缺陷尺寸信息更准确。

以初设模型为基准，对激励线圈磁芯上部长度ω进行调整，通过对多组数据的分析，得出磁感应信信号Bz分量的特征分布规律，仿真结果如图8，9所示，各参数特征值如表3所示。

表2 Bz的特征值随磁芯腿部高度h的变化数据

图8 分量Bz随磁芯上部长度w的变化曲线

图9 分量Bz的峰值随磁芯上部长度w的变化曲线

上部长度w/mmBz波谷位置Dz1/mmBz波峰位置Dz2/mm裂纹长度检测值L/mmL检测误差δ/%160-8.0328.08116.1130.707180-7.9757.95815.9330.419200-7.9998.05116.0500.313220-7.9618.00315.9640.225240-7.9328.01015.9420.363260-7.8757.93215.9071.121

分析图8，9可知，当上部磁芯长度w以20 mm的间距增加时，磁通密度分量Bz随着w的上升并不呈连续增长的趋势，虽然在180～220 mm之间有较好的特征值，表3中缺陷长度L的检测误差δ相较之下也较小，缺陷位置信息较容易被采集和识别，但对数据整体分析来看，磁芯上部长度w的变化对缺陷检测准确度的影响很小。

以初始模型为基准，以磁芯腿部截面为参考，保持激励线圈截面长度l不变，对截面宽度s(磁芯腿部y方向尺寸)进行调整，通过对多组数据的分析,得出磁感应信号Bz分量的特征分布规律，其仿真结果如图10，11所示，Bz的特征值随磁芯腿部截面尺寸的变化数据如表4所示。

图10 分量Bz随磁芯腿部截面尺寸变化曲线

图11 分量Bz的峰值随磁芯腿部截面尺寸变化曲线

尺寸(长×宽)/mmBz波谷位置Dz1/mmBz波峰位置Dz2/mm裂纹长度检测值L/mmL检测误差δ/%35×20-8.0328.08116.1130.70635×30-7.9637.97816.9410.35635×40-8.0037.95115.9540.28835×50-7.9998.05116.0500.31335×60-7.9728.00615.9780.13835×70-7.9897.97415.9630.231

分析Bz分量的曲线图，可以看到，在保持截面长度l不变的情况下，逐渐增大磁芯腿部截面宽度s，磁通密度分量Bz在波峰和波谷处有随着s上升而增大的趋势，有突出的特征信号，但不是一直在增加，超过一定范围后，有保持不变的趋势。同时，通过分析数据表中缺陷长度L的检测误差δ，得出当磁芯宽度s为60 mm时误差较小，说明此时对缺陷尺寸检测准确度的影响较小，即磁芯腿部宽度s保持在60 mm左右，更有利于数据的采集处理、缺陷位置的检测和尺寸信息的获取，能够得到较好的灵敏度和准确度。从以上研究中得出磁芯参数对缺陷检测精确度影响的规律，按照实际检测工作的要求，选定线圈腿部高度为97.5 mm、铁芯上部长度为200 mm和线圈截面尺寸(长×宽)为35 mm×70 mm这一最优组合,得出其磁感应强度Bz分量的特征值曲线(见图12)。

图12 最优组合下磁感应强度Bz分量的特征值曲线

3 结论

在仿真研究中，利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对交变电磁场检测U型激励线圈模型的几何参数进行了调整，得到了激励线圈磁芯的腿部高度、上部长度、截面长和宽的变化对缺陷检测准确度的影响；对比分析得出了U型激励探头磁芯的腿部高度在不妨碍检测传感器正常工作的情况下可适当减小，现有模型中可减小到87.5 mm，这样在检测波形处理的过程中，缺陷定位更加灵敏，检测到的缺陷尺寸信息更加准确。其磁芯上部长度在实际应用中需考虑检测环境的需要，因为过长会导致探头尺寸过大而影响检测工作的正常进行，过短则导致检测缺陷具有局部性；且上部长度对检测结果并不敏感，故在现有模型中可将上部长度设置为200 mm，在生产中也可根据需要选取适当尺寸；磁芯腿部y方向的尺寸相对取较大值，即磁芯腿部宽度保持在60 mm左右，有利于数据采集处理、缺陷位置检测和尺寸信息的获取，能够得到较好的灵敏度和准确度，故可将截面尺寸设置为35 mm×50 mm(长×宽)。以上的结论为ACFM交变电磁场激励探头结构的优化提供参考依据。