阵列涡流成像技术数值仿真及应用.doc

阵列涡流成像技术数值仿真及应用阵列涡流成像技术数值仿真及应用 周建平 1 安海春 2 白小宝 3 江运喜 3 1 上海航天精密机械研究所 上海 201600 2 四川材料与工艺研究所 江油 621700 3 矩阵科技有限公司 北京 100102 摘要 摘要 阵列涡流检测技术因为可以根据工件外形来设计探头 检测方式灵活 多变 并能将检测结果成像显示 成为了涡流检测的发展趋势 数值仿真方法可以对实际检测情 形进行模拟 辅助检测工艺的制定 提高检测的准确性 关键词 关键词 阵列涡流 数值仿真 THE NUMERICAL SIMULATION AND APPLICATIONS OF EDDY CURRENT ARRAY IMAGING TECHNOLOGY Zhou Jianping 1 An Haichun 2 Bai Xiaobao 3 Jiang Yunxi 3 1 Shanghai Aerospace Precision Machinery Research Institute Shanghai 201600 2 Sichuan Institute Of Materials and Technology Jiangyou 621700 3 Matrix U E Technologies Ltd Beijing 100102 AbstractAbstract As the eddy current array testing technology can design probes according to the shape of the test piece detect flexibly and imaging the result so it becomes the trend of eddy current testing Numerical simulation method can simulate the actual test cases help to establish the detection technology and improve the accuracy of testing KeywordsKeywords Eddy Current Array Numerical Simulation 一 一 前言前言 常规涡流检测作为五大常规检测方法之一 主要用于导电材料的表面及近表面缺陷检 测 因为不需要耦合且对工件表面状况要求较低的特点 使其在各领域中都有广泛的应用 1 但是对于复杂形貌工件的检测 因为结构的限制 常规涡流检测不仅费时费力 有时 还可能根本无法应用 阵列涡流检测技术是近年来随着计算机技术和数字信号处理技术的发展而出现的新无 损检测方法 该技术是通过涡流线圈结构的特殊设计 并借助于计算化的涡流仪强大的分 析 计算和处理功能 实现对工件的快速 灵活检测 其优点是 1 检测探头覆盖区域大 检测效率高 2 检测探头有多个独立的线圈排列而成 对于不同方向的线性缺陷具有一致 的检测灵敏度 3 根据被检零件的尺寸和形面进行探头外形设计 可直接与被检测零件形 成良好的电磁耦合 不需要设计 制作复杂的机械扫查装置 2 二 二 阵列涡流检测方法阵列涡流检测方法 阵列涡流检测技术与常规涡流检测相比 阵列涡流探头是由多个独立工作的线圈组成 这些线圈按照特殊的方式排布 且激励和检测线圈之间形成两种相互垂直的电磁场传递方 式 有利于发现取向不同的线形缺陷 2 通过分时切换以及使用多路器 各线圈的信号可 以分开传入仪器 有效的避免了不同线圈间的互感 涡流检测的渗透深度可由公式 1 计算得到 与材料属性和探头频率有关 常规涡流检 测中探头的频率是一定的 所以当材料确定后 其渗透深度就是固定的 而阵列涡流探头 则可在一定频率范围内激发 所以可根据检测需求来在一定范围内调节检测频率以达到不 同的渗透深度 1 上式中 是渗透深度 是材料的磁导率 是材料电导率 f是激发频率 涡流阵列探头在设计时需要考虑线圈数量 排列方式 灵敏度等因素 以发射 接收 式探头为例 如果采用图1a中的单排零度角排列方式 则会获得较大的覆盖面积 但是在 探头长度方向上其灵敏度并不一致 极大值与极小值有明显的差距 见图1b a 单排零度角排列方式 b 探头长度方向上的检测灵敏度 图1 单排零度角排列发射 接收式阵列涡流探头示意 如果将线圈排列方式更改为双排零度角排列 见图2a 虽然覆盖面积减小 但是分辨 率明显提高 探头长度方向上的灵敏度也比较均匀 极大值与极小值的差距明显减小 见 图2b a 双排零度角排列方式 b 探头长度方向上的检测灵敏度 图2 双排零度角排列发射 接收式阵列涡流探头示意 如果将线圈排列方式更改为单排30度角排列 见图3a 与单排零度角排列相比 覆盖 面积不变 但是分辨率明显提高 探头长度方向上的灵敏度也比较均匀 极大值与极小值 的差距明显减小 见图3b a 单排30度角排列方式 b 探头长度方向上的检测灵敏度 图3 单排零度角排列发射 接收式阵列涡流探头示意 如果将线圈排列方式更改为双排30度角排列 见图4a 与单排30度角排列相比 覆盖 面积减小 但是分辨率明显提高 探头长度方向上的灵敏度极为均匀 极大值与极小值几 乎相等 见图4b a 双排30度角排列方式 b 探头长度方向上的检测灵敏度 图4 双排零度角排列发射 接收式阵列涡流探头示意 从上面的对比分析可以看出 不同的线圈排列方式会得到不同的检测效果 所以在实 际中需要根据工件类型 检测灵敏度 检测效率等因素来综合实际阵列涡流探头 尤其是 对于一些形貌复杂的工件 阵列探头的形状也要相应改变 图5是加拿大Eddyfi公司专门针 对于复杂工件设计的阵列涡流探头 a 管材检测阵列涡流探头 b 叶片边缘检测阵列涡流探 头 c 叶根槽检测阵列涡流探头 图 5 特殊设计的阵列涡流探头 三 三 数值仿真数值仿真 由于阵列涡流探头设计复杂 制作成本较贵 所以针对不同的被检工件选择或设计探 头时 为了节约时间和成本 使用数值仿真方法进行模拟是极其必要的 下面是使用 CIVA 仿真软件对一 3mm 厚不锈钢工件检测的模拟 要求检测该工件表面 及近表面的缺陷 针对该工件设计的阵列探头为单排发射 接收式 共 34 个线圈 在工件 表面添加一些走向和大小不等的颏槽和平底孔缺陷 见图 6 图 6 工件及阵列探头示意图 首先通过仿真来选择探头的频率范围 图 7 是通过 CIVA 仿真得到的不同频率的阻抗 归一化曲线 可以看出 在 100kHz 600kHz 频率范围内 响应较好 其中 200kHz 附近有最 好的效果 图 7 阻抗归一化平面图 仿真时 就以 200kHz 来激励探头 结果如图 8 所示 图 8 仿真结果 C 扫图 从结果可以看出 添加的所有缺陷都可以检出 幅值则与缺陷的性质 走向和大小的 有关 缺陷尺寸越大幅值越高 缺陷走向越接近轴向则幅值越高 四 四 实验对比实验对比 参考上面仿真的结果设计探头 频率范围是 100kHz 600kHz 线圈数 34 个 下面用该 阵列涡流探头对图 9 中所示的工件进行检测 该工件与上面仿真中的工件类似 都是 3mm 厚不锈钢 表面都有一系列大小不等 方向不同的缺陷 图 9 阵列涡流探头及不锈钢试件 检测时选择的激发频率为 200kHz 结果如图 10 所示 a 轴向检测C扫图 b 横向检测C扫图 图10 阵列涡流检测结果 从检测结果中可以看出 轴向检测图中 工件中部的3个横向缺陷很难发现 而在横向 检测图中 也没有发现前面的12个轴向缺陷 通过轴向和横向的结合 所有的工件表面缺 陷都可以从C扫图中快速的辨别出来 说明前面的仿真结果是可靠的 五 五 总结总结 阵列涡流检测技术因为 1 覆盖面积大 检测速度快 2 可根据工件设计探头 对工 件的适应性强 3 激发频率可调 能达到不同的渗透深度 4 结果成像显示易于判读等优 点 在航空航天 压力容器 船舶 电力等行业有