直接測量渦流磁場的探頭研究.pdf

1、渦流檢測技術以法拉第電磁感應原理為基礎，通過探頭在導體中產(chǎn)生的渦流磁場變化來判斷被測試件的缺陷情況，探頭傳感器的性能決定了檢測結果的精確性。傳統(tǒng)的阻抗分析法通過探頭線圈的阻抗變化來判斷導體內(nèi)部是否存在缺陷，但其不能直觀地描述缺陷的形狀、大小和位置等信息，且激勵信號對線圈阻抗的影響較大。本文從渦流檢測的基本原理出發(fā)，設計了一個直接測量渦流磁場的探頭，能夠消除激勵信號的影響，并通過檢測線圈的感應電動勢變化直接確定導體內(nèi)渦流磁場的分布，采用有

2、限元仿真和實驗相結合的方法，研究分析缺陷形狀、大小和分布情況對檢測線圈感應電動勢的影響，驗證了探頭傳感器直接測量渦流磁場的可行性，為新型渦流檢測儀器的研制提供理論指導。主要研究內(nèi)容和結果如下:
　　(1)在查閱相關文獻資料、總結國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，選擇有限元法作為渦流檢測的數(shù)值分析方法。國內(nèi)渦流檢測的有限元仿真研究主要采用二維軸對稱模型，但是導體內(nèi)的缺陷并不規(guī)則分布，且探頭在導體上方移動檢測，理想化的二維軸對稱模型不能準確的描

3、述缺陷對導體內(nèi)渦流磁場分布的影響。因此，本文采用三維有限元模型，細化了網(wǎng)格剖分，消除了缺陷、邊界條件等不規(guī)則的干擾。
　　(2)對工程電磁場問題的數(shù)學模型、邊界條件和渦流的集膚效應進行了分析，并根據(jù)渦流檢測的工作原理設計了一個直接測量渦流磁場的探頭，包含三個線圈，兩個由同一根漆包線反向繞制而成的激勵線圈和一個匝數(shù)較多的檢測線圈，使得檢測線圈中的感應電動勢完全由導體內(nèi)的渦流磁場產(chǎn)生。
　　(3)介紹了有限元法的基本理論，以有限

4、元軟件ANSYS Maxwell為工具，采用參數(shù)化法，仿真確定探頭內(nèi)三個線圈的具體結構，在探頭未靠近被測導體時檢測線圈的感應電動勢恒為零，消除了激勵信號的影響。渦流檢測的有限元建模主要包括建立幾何模型、管理材料屬性、添加邊界條件和激勵源、剖分網(wǎng)格、計算和后處理等步驟。
　　(4)導體內(nèi)渦流場的變化不僅受缺陷分布的影響，還與激勵信號的頻率、探頭傳感器的提離高度、被測導體的材料和厚度等系統(tǒng)參數(shù)有關。采用有限元法仿真研究各參數(shù)對導體內(nèi)渦

5、流場強度的影響，結果表明:導體內(nèi)渦流在探頭線圈圓心正下方處為零，若以探頭線圈圓心為原點，渦流場的強度向四周輻射至線圈外徑附近時達到最大值，越過最大值后，隨著徑向距離的增加而逐漸減弱，至無窮遠處衰減為零。
　　(5)選擇合適的系統(tǒng)參數(shù):激勵信號頻率為1 kHz、探頭提離高度為1.2 mm、被測導體選用2.5mm厚的鋁板，仿真分析導體內(nèi)存在缺陷時檢測線圈感應電動勢的變化，并將無缺陷時的感應電動勢與其相減得到感應電動勢差值的變化規(guī)律。研

6、究表明:缺陷在導體中心和邊緣位置時，檢測線圈感應電動勢的差值的變化規(guī)律相一致，且與導體內(nèi)渦流場的分布規(guī)律相似，均在徑向移動至線圈外徑附近時達到最大值，但感應電動勢的差值相比于渦流場的強度衰減到零的趨勢更快。
　　(6)搭建實驗平臺分析缺陷不同形狀、大小和分布情況對檢測結果的影響，包括探頭傳感器、被測導體試件、信號激勵模塊、信號檢測模塊四個部分。實驗結果表明:導體內(nèi)存在缺陷時，檢測線圈感應電動勢的差值均在探頭移動至其外徑距離時達到最