基于涡流效应对磁聚焦传感器设计研究

张涛

(陕西国防工业职业技术学院， 智能制造学院， 陕西， 西安 710300)

0 引言

脉冲涡流检测技术被广泛应用于评价埋地金属管道壁厚，该技术与其他检测技术相比，具备非开挖，非接触，实现管道在线运营检测，很大程度上降低检测成本等优势。但是目前该技术在实际工况检测过程中也暴露出一些缺点，如：应用范围小、检测灵敏度低、磁场不聚焦等。传统的脉冲涡流检测技术都是以单线圈作为激励传感器，线圈参数为边长L=1 m的方形线圈，该激励传感器在空间产生的磁场有效覆盖管道长度为线圈边长与2倍的管道埋深之和，且该技术的检测电压信号非常微弱，一般达到mV或者μV级别。如果磁场有效覆盖范围太大将会使一些有用的信号被淹没，降低检测结果的准确性，同时也让该技术在城市中并行或者重叠管道检测的应用受到限制。因此，南昌航空航天大学于润桥教授、吴莉佳对埋地管道的磁场分布进行分析研究，成都信息工程学院谭伟强通过线圈阵列来使磁场聚焦，以便扩大脉冲涡流技术的适用性[1-3]。

1 脉冲涡流检测数学模型

脉冲涡流检测技术是通过给激励传感器施加正弦波在空间形成稳定的电磁场，电磁场扩散至埋地金属管道表面形成涡流效应[5]。假设施加信号频率为w，激发传感器外径为y=AeBx，工件位于z=0的平面上，模型在柱坐标系中如图1所示，在任一(r，θ，z)处的涡流密度看作Jz，工件表面涡流密度为Je(r=re)。

图1 涡流效应原理图

在工件(r，θ，z)处，涡流密度径向的数值为

(1)

式中，λ=r/re，带入上述公式表明：在r=re时，涡流密度最大值为Jo。在传感器正下方距离越远涡流密度以指数形式衰减，在(re，θ，z)位置涡流密度如式(2)，

(2)

其中，δ代表涡流的趋肤深度。

2 单线圈建模

传统的单线圈传感器形状一般选用正方形，参数：边长L=1 m，线圈匝数N=180，施加电流I=1.5 A，采用漆包线直径d=1 mm缠绕在方形线圈制成。由于载流线圈空间的电磁场理论计算解析式复杂，所以借助ANSYS Maxwell电磁学仿真软件对线圈空间电磁场的分布情况进行仿真。采用仿真软件中的3D模块进行创建模型如图2所示，线圈几何中心与XOY平面原点重合，电流方向为逆时针，漆包线材料设置为铜，磁导率0.999 91，电导率58 000 000。整个计算区域为正方体(6 m×6 m×6 m)，计算区域填充空气介质，坐标参数为(x∈(-3，3)，y∈(-3，3)，z∈(-3，3))。采用自由划分网格数量60 000，网格越细计算精度越高，但计算速度较慢。在线圈垂直向下1 m处创建平面，网格数量24 000，用来确定磁场分布云图，添加求解器，设置计算叠加次数25，计算精度0.02，计算得出空间的电磁场的分布情况[6-7]。

图2 单线圈传感器模型

通过电磁仿真计算得到单线圈传感器在垂直方向z=-1 m处的磁场分布云图及磁感应强度梯度如图3、图4所示。

图3 单线圈传感器磁场分布云图

图4 单线圈传感器磁场分布梯度

可以看出单线圈传感器磁场在空间某个平面分布是半径不同的圆环区域，磁场能量分布不集中，分布区域大约为R=500 mm，磁感应强度最大为B=0.81×10-5T，且磁场强度分布梯度较小，从而引发检测灵敏度不高的情况。

3 磁聚焦传感器总体设计

3.1 磁聚焦传感器结构设计

设计一种适用于评价埋地金属管道磁聚焦传感器，主要是依据电磁场可以进行矢量叠加的特性，通过合理的设计传感器外形结构，利用施加磁芯的方法来使磁场能量聚集在小的区域。传统单线圈传感器磁场覆盖范围R=0.5 m的圆形区域，磁感应强度B=0.81×10-5T。本次设计要求在此基础上进行大幅度提高，一是要求磁场强度主要集中R<0.35 m的圆形区域，二是要求磁感应强度应B>1.35×10-5T且磁场分布梯度大，设计原则符合技术标准规定，确保性能稳定，质量轻等特点。根据上述要求设计出几种具有磁聚焦特性的传感器，对比各项性能参数最终确定合理的结构，磁聚焦传感器总体结构头如图5所示。截面如图6所示。

图5 磁聚焦传感器总体结构头

图6 传感器截面图

磁聚焦传感器结构包括圆锥形骨架及表面缠绕的线圈，圆锥骨架中心位置安装有磁芯。线圈分为激发线圈和检测线圈，激发线圈安装接线柱1用于连接外部电源设备，给激发线圈施加电流信号，检测线圈安装接线柱2用于连接外界数据处理端口，激发线圈和检测线圈之间有绝缘皮圈起物理隔离作用。所设置的磁芯为圆柱形，材质具有铁磁性，在安装磁芯时需要确保与圆锥骨架中心线一致，在磁芯外表面和圆锥骨架内表面之间有四氟布起绝缘作用。本设计采用圆锥状主要是通过改变激发线圈和检测线圈相对位置来进行一次聚焦，在通过高铁磁性的磁芯对产生的空间电磁场进行二次聚焦，确保磁场聚集在小的区域，实现磁聚焦提高检测的准确性和灵敏度。

3.2 磁聚焦传感器工作原理

通过接线柱1外接信号激发装置，施加阶跃型信号给激发线圈在空间形成电磁场，利用设计的圆锥形骨架使电磁场进行一次聚焦，然后在磁芯的作用下对磁场再进行二次聚焦，目的是束缚磁力线，达到提高磁场强度的作用。空间聚焦磁场扩散到金属管道表面形成涡流，涡流发生欧姆消耗在空间形成涡流场被检测线圈接收并以电压的形式通过接线柱2传输到数据分析软件进行处理，进一步对金属管道腐蚀情况进行评价，检测原理图[8-10]如图7所示。

图7 磁聚焦传感器检测原理图

3.3 磁聚焦传感器建模仿真

通过脉冲涡流检测技术工作原理在Maxwell仿真软件中建立模型如图8、图9所示，由于线圈结构复杂所以采用厚度较小的圆环替代。传感器结构主要包括：圆锥形骨架、激发线圈、检测线圈、四氟布、绝缘皮圈及磁芯。采用仿真软件计算最重要的是存在边界，进一步将传感器所有的结构包裹在封闭的空气区域。建模过程采用参数化目的在于后期更好的研究传感器某个参数对聚焦效果的影响，根据后期数据处理的要求需要得到涡流场在整个衰减过程变化，特此设置Transient瞬态求解器满足条件。整个传感器位于正方体的区域内，正方体的几何中心坐标为(x=0,y=0,z=0))，长×宽×高=3 m×3 m×3 m，材料为空气，网格精度Δx=Δy=Δz=0.1 m，激发线圈和检测线圈的网格精度为Δx=Δy=Δz=0.15 m，磁芯网格精度为Δx=Δy=Δz=0.5 m，网格精度越小则计算精度越高，但计算速度较慢，可以根据软件采用自由划分网格的方法。下面是组成传感器各个部分的模型参数，如表1所示。

图8 磁聚焦传感器三维仿真模型

图9 磁聚焦传感器俯视图

表1 传感器各个部分的模型参数

3.4 仿真结果分析

通过建立合理的仿真模型，划分合适的网格精度，设置满足要求的瞬态求解器，经过计算得到磁聚焦传感器垂直方向(Z=-1 m)的空间磁场分布情况。由图10和图11可以看出：磁感应强度B=1.736×10-5T，磁场能力主要聚集在半径R=280 mm的区域内。通过数据对比可知：所设计的新型传感器对空间电磁场有聚焦效果，比传统的单线圈传感器磁场范围缩小了44%，磁感应强度提高了53.3%；对比磁场梯度分析，由图12也明显看出新型磁聚焦传感器比传感单线圈传感器梯度增大，进一步表新型传感器的效果参数满足设计要求。对后期数据分析与处理及提高脉冲涡流检测技术的精度和灵敏度有着重要作用。

图10 磁聚焦传感器磁场分布情况

图11 磁聚焦传感器磁感应分布梯度

图12 磁场强度梯度对比

4 总结

针对脉冲涡流检测技术关键部件传感器进行研究，主要目的是提高检测技术的应用范围，满足城市热力和压力管道的使用环境。根据设计要求设计出一种新型具有磁聚焦功能的传感器，主要由激发线圈、检测线圈、绕线骨架及磁芯构成。利用有限元仿真软件进行三维模拟仿真，对比新型磁聚焦传感器和传统传感器的主要参数，结果表明：磁聚焦传感器在磁场聚焦和磁感应强度方面有着很大优势，磁场集中范围由原来的R=300 mm缩小到R=280 mm，磁感应强度B=1.736×10-5T，提高了53.3%，且磁聚焦传感器的磁场分布梯度较大，满足设计要求的性能指标。因此磁聚焦传感器将为脉冲涡流技术在城市热力和压力管道的应用提供关键部件，也进一步提高埋地金属管道局部缺陷的检测灵敏度，为管道运输行业保驾护航。