電渦流探頭電磁特性仿真研究

電渦流探頭電磁特性仿真研究

1渦流檢測(cè)接頭的設(shè)計(jì)電流傳感器是電感率傳感器。最大特點(diǎn)是相位、厚度、材料損傷等連續(xù)測(cè)量，頻率響應(yīng)功能好，彌補(bǔ)了其他傳感器的不足。另外,它靈敏度高、結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)單、體積小、安裝方便、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),因此在工業(yè)在線(xiàn)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。探頭是電渦流傳感器重要的組成部分,其性能的好壞直接影響到電渦流傳感器的檢測(cè)質(zhì)量。通常,渦流檢測(cè)探頭的結(jié)構(gòu)是由線(xiàn)圈繞組以及骨架和外殼組成,為了增強(qiáng)線(xiàn)圈的聚磁能力和提高電渦流傳感器的靈敏度,有些還用到磁芯。通常電渦流傳感器探頭的設(shè)計(jì)有3種基本的方法:(1)試驗(yàn)型或經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì);(2)解析型設(shè)計(jì);(3)數(shù)值型設(shè)計(jì)。自多德等人用數(shù)值求解與線(xiàn)圈響應(yīng)有關(guān)的解析積分表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器性能的模擬后,純數(shù)值方法(有限元法和有限微分法)開(kāi)始得到應(yīng)用。在電渦流傳感器的硬件實(shí)現(xiàn)之前,可以通過(guò)數(shù)值方法來(lái)模擬電渦流傳感器,以節(jié)省硬件設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本。通常電渦流傳感器的電磁機(jī)理非常復(fù)雜,用精確數(shù)學(xué)解析表達(dá)式去計(jì)算存在著很大的困難,為此本文利用COMSOLMultiphysic對(duì)電渦流傳感器探頭的電磁場(chǎng)和影響其性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)因數(shù)進(jìn)行了仿真和分析,為電渦流傳感器的設(shè)計(jì)和制作提供了一定的借鑒和幫助。2測(cè)量電磁源傳感器位移的原理3金屬板厚度對(duì)電渦流傳感器接頭特性的影響由于電渦流檢測(cè)系統(tǒng)的電磁場(chǎng)屬于似穩(wěn)交變場(chǎng),電渦流傳感器檢測(cè)線(xiàn)圈為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),被測(cè)導(dǎo)體也可視為軸對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu),這樣便可將電渦流檢測(cè)系統(tǒng)三維渦流場(chǎng)的一般問(wèn)題轉(zhuǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)似穩(wěn)交變電磁場(chǎng)問(wèn)題。對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,若求得某軸對(duì)稱(chēng)截面上的電磁場(chǎng)分布,便可以很容易得到整個(gè)分析區(qū)域的電磁場(chǎng)分布。由于軸對(duì)稱(chēng)截面是一平面,這樣便大大簡(jiǎn)化了分析計(jì)算。在本電渦流傳感器系統(tǒng)中,由于線(xiàn)圈,被測(cè)金屬導(dǎo)體和周?chē)諝獾慕Y(jié)構(gòu)是呈軸對(duì)稱(chēng)的,因此取其1/4來(lái)建模,基于這一思路,電渦流傳感器的仿真模型可以簡(jiǎn)化如圖1。在二維軸對(duì)稱(chēng)面RZ上,ABCD區(qū)域?yàn)榘鼑陔姕u流傳感器周?chē)目諝饨橘|(zhì),被測(cè)金屬表面理論上應(yīng)視為無(wú)窮大,在本渦流檢測(cè)系統(tǒng)中,被測(cè)金屬等效為一個(gè)圓柱型的平板,當(dāng)平板直徑與線(xiàn)圈直徑比例大于5,且金屬板厚度與集膚深度比例大于4時(shí),可認(rèn)為金屬平板對(duì)線(xiàn)圈阻抗的影響與無(wú)窮大平板一致。在圖1中,被測(cè)金屬平板半徑為80mm,厚度為40mm,假設(shè)周?chē)目諝饨橘|(zhì)為一圓柱體,其半徑為160mm,厚度為200mm,探頭線(xiàn)圈與被測(cè)平板置于空氣介質(zhì)的中間區(qū)域。(1)求解域設(shè)定及方程(2)邊界條件外部邊界和對(duì)稱(chēng)軸需要施加邊界條件,并在需要的地方施加邊界電流。通過(guò)設(shè)定向量位能為零在外部邊界施加零磁流通量,然后施加對(duì)稱(chēng)邊界條件,同樣可以通過(guò)表面電流方程來(lái)施加電流源。在設(shè)定完模型的求解域和邊界條件后,對(duì)電渦流傳感器的電氣參數(shù)特性定義如表1所示。圖2分別是線(xiàn)圈距離被測(cè)表面d1=6mm和d2=12mm下,線(xiàn)圈周?chē)碾姶艌?chǎng)分布圖和被測(cè)金屬表面的渦流分布圖。從圖2中可以看出,當(dāng)線(xiàn)圈距被測(cè)金屬板距離越近時(shí),在金屬板上所激發(fā)的電渦流越強(qiáng)。渦流探頭的磁場(chǎng)分布也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,由于電渦流探頭電磁場(chǎng)和被測(cè)金屬導(dǎo)體中渦流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互作用,從而使電渦流探頭的阻抗發(fā)生改變,上面的電磁模擬可以清晰地看出電渦流傳感器的基本工作機(jī)理,進(jìn)而我們可以繼續(xù)對(duì)電渦流探頭特性進(jìn)行深入的探討。由畢奧—薩伐定律直接推導(dǎo)出的,線(xiàn)圈軸線(xiàn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)于線(xiàn)圈端面到被測(cè)導(dǎo)體間的距離之間的關(guān)系為:式中:ra為線(xiàn)圈的內(nèi)半徑;rb為線(xiàn)圈的外半徑;h為線(xiàn)圈的界面高度;μ0為介質(zhì)的磁導(dǎo)率;N為線(xiàn)圈的匝數(shù);I為線(xiàn)圈的電流強(qiáng)度。在確保NI一定的前提下,即保證通過(guò)線(xiàn)圈截面的總電流一定的情況下,通過(guò)改變探頭線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2),分析其對(duì)電渦流傳感器探頭性能的影響。下面討論隨著探頭離被測(cè)平板距離d的變化,線(xiàn)圈在中心軸線(xiàn)Z軸上一點(diǎn)(0,2)的磁場(chǎng)的變化情況。在給探頭線(xiàn)圈加載的頻率、被測(cè)體材料不變和通過(guò)線(xiàn)圈截面的總電流一定的情況下,在距離相同時(shí),外徑小的(2#線(xiàn)圈)在線(xiàn)圈軸線(xiàn)上某一點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大,當(dāng)線(xiàn)圈離被測(cè)體的距離發(fā)生變化時(shí),從圖3曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)來(lái)看,外徑大(1#,3#,4#線(xiàn)圈)的線(xiàn)性范圍大,但是曲線(xiàn)的斜率較小,即靈敏度不及線(xiàn)圈外徑小的,說(shuō)明增大探頭線(xiàn)圈的外徑有利于提高電渦流傳感器的線(xiàn)性范圍,但不利于改善靈敏度。從1#線(xiàn)圈和3#線(xiàn)圈的比較結(jié)果來(lái)看,線(xiàn)圈3的靈敏度較線(xiàn)圈1要高,說(shuō)明探頭線(xiàn)圈的厚度越薄,其靈敏度就越高,要提高電渦流傳感器的靈敏度,減小探頭線(xiàn)圈的厚度是其中一個(gè)途徑。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算電渦流探頭和被測(cè)金屬導(dǎo)體共同構(gòu)成電渦流傳感器系統(tǒng),影響電渦流傳感器性能的因素有很多,一般而言,在被測(cè)金屬導(dǎo)體和激勵(lì)電流確定后,渦流探頭線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響很大。為此,設(shè)計(jì)了一種放置反射式點(diǎn)渦流傳感器探頭,繞在線(xiàn)圈骨架上的是一個(gè)環(huán)形的扁平空心線(xiàn)圈,線(xiàn)圈和線(xiàn)圈骨架一起置于環(huán)形的電渦流探頭殼體內(nèi),并且構(gòu)建了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。分別對(duì)1#:rb=12mm,ra=8mm,h=2mm,N=89;2#:rb=10mm,ra=8mm,h=2mm,N=45;3#:rb=12mm,ra=8mm,h=1mm,N=45;4#:rb=10mm,ra=9mm,h=2mm,N=67四種不同參數(shù)線(xiàn)圈的探頭做實(shí)驗(yàn)分析,取其較好的線(xiàn)性區(qū)域做最小二乘擬合,得出如圖5所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明:外徑較大的線(xiàn)圈1和線(xiàn)圈3的線(xiàn)性范圍也較大,但靈敏度不及外徑較小的線(xiàn)圈2和線(xiàn)圈4,當(dāng)線(xiàn)圈的厚度較薄時(shí),傳感器的靈敏度也較大一些,從線(xiàn)圈3和線(xiàn)圈1的數(shù)據(jù)比較也可以得出,這很好地驗(yàn)證了上面關(guān)于不同線(xiàn)圈的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5電渦流傳感器的基本原理有限元法將所要分析的連續(xù)場(chǎng)分割為很多較小的區(qū)域(稱(chēng)為元素),這些元素的集合體就代表原來(lái)的場(chǎng),然后建立每個(gè)元素的公式,再組合起來(lái)就能求得連續(xù)場(chǎng)的近似解,貫穿于其中的是從局部到整體的思想,使分析問(wèn)題大為簡(jiǎn)化。通過(guò)COMSOLMultiphysic仿真軟件對(duì)電渦流傳感器探頭的電磁場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真和分析,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電渦流探頭線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響,為電渦流傳感器的設(shè)計(jì)提供了必要的參考和依據(jù)。用一個(gè)通有交變電流is的扁平線(xiàn)圈置于金屬導(dǎo)體附近,由于電流的變化,在線(xiàn)圈周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)H1,由電渦流效應(yīng),金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流,電渦流也是交變的,將產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)H2,H2的方向和H1的方向相反,因此部分的抵消H1線(xiàn)圈磁場(chǎng),從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線(xiàn)圈的阻抗電感品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化、、。被測(cè)導(dǎo)體中電渦流的大小和金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率μ、電阻率ρ、金屬導(dǎo)體的厚度t、通過(guò)探頭線(xiàn)圈的電流強(qiáng)度is、頻率f、以及其與金屬導(dǎo)體之間的距離H有關(guān),進(jìn)而線(xiàn)圈的阻抗可以表示為:當(dāng)上面參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)H發(fā)生變化,其它參數(shù)不變時(shí),探頭線(xiàn)圈阻抗Z就成為H的單值函數(shù),當(dāng)被測(cè)體與傳感器之間的相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí),電渦流傳感器的電參數(shù)也隨之發(fā)生變化,把位移量的變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)的變化,這是電渦流傳感器進(jìn)