影响涡流检测中提离效应的因素

影响涡流检测中提离效应的因素

在漩涡检测中，提离效应是指当应用放置式线圈时，线圈与零件之间的距离变化时，线圈的阻力变化。该提离效应对于涡流检测的不同应用场合,可能是干扰因素需要抑制(如导电材料的探伤或电导率测量),可能是有用信息需要提取(如金属基体表面膜层厚度测量),因此对涡流传感器提离效应的研究一直是涡流界的热点课题之一,对于提离效应的分析方法目前主要是采用对电磁场进行数值计算。采用数值计算方法计算量大,且对于复杂模型的计算较困难。本文针对这种提离的变化,采用基于有限元法的ANSYS分析软件建立了涡流检测线圈(传感器)的二维模型,针对不同规格及类型的线圈,不同的检测材料,模拟提离效应对传感器阻抗的影响,得到了涡流检测线圈(传感器)的归一化阻抗平面图。这些应用数值分析法得出的阻抗图经实验验证基本吻合,为涡流检测的实际应用提供了有意义的分析方法和参考依据。1基于anasas的二维电磁分析麦克斯韦方程组是支配所有宏观电磁现象的一组基本方程,在实际有限元计算中,通常引入辅助计算量,如标量电势Φ、矢量磁位A等,将麦克斯韦方程化为二阶方程进行有限元求解。∇×1μ∇×Az=Jz(1)∇×1μ∇×Az=Jz(1)二维静磁场所满足的非齐次标量波动方程;∇×(1σ+jωε∇×H)+jωμH=0(2)∇×(1σ+jωε∇×Η)+jωμΗ=0(2)二维轴向磁场所满足的齐次波动方程。式(1)、(2)中,μ为介质磁导率,Az为矢量磁位的Z向分量,Jz为电流密度的Z向分量,σ为介质电导率,ε为介质的介电常数,H为磁场强度。对于二维电磁场分析所定义的边值问题为:−∂∂x(αx∂Φ∂x)−∂∂y(αy∂Φ∂y)+βΦ=f(x,y)∈Ω(3)-∂∂x(αx∂Φ∂x)-∂∂y(αy∂Φ∂y)+βΦ=f(x,y)∈Ω(3)式(3)中,Φ是未知函数,αx、αy和β是与区域物理性质有关的已知参数,f是源或激励函数。这里,所考虑的边界条件为:Φ=pΓ1(4)(αx∂Φ∂xxˆ+αy∂Φ∂yyˆ)⋅nˆ+γΦ=qΓ2(5)(αx∂Φ∂xx^+αy∂Φ∂yy^)⋅n^+γΦ=qΓ2(5)式(4)、(5)中,Γ(=Γ1+Γ2)表示包围面Ω的轮廓或边界,nˆn^是外法向单位矢量,γ、p和q是与边界物理性质有关的已知参数。应用ANSYS来分析电磁场,其基本原理是,首先将所处理的对象划分成有限个单元(包含若干节点),然后根据矢量磁势或标量电势求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的磁势或电势,进而求解出其他相关量,如磁通量密度和电磁场储能等。计算完成后将结果读入,进行相应的参数分析。2模拟和网格划分在涡流检测中,当有交流电通过放置式线圈时,会产生一个交变磁场,线圈接近金属试块时,由于交变磁场的作用会在金属试块上感生出涡流,此涡流也产生一个与原来磁场相反的交变磁场,两个交变磁场相互叠加,便决定了探头线圈的阻抗。当金属板电导率,形状,有无缺陷或提离间隙等外界条件发生变化时,涡流及涡流产生的反磁场也将发生变化,从而线圈的阻抗也随之发生变化。通过探头线圈阻抗变化的测量便可以推断试件影响因素的变化(如电导率,缺陷,膜层厚度等)。本文分析当电导率、形状等外界条件不发生变化,只改变提离的大小时,检测线圈阻抗的变化规律,以及空芯线圈与带磁芯线圈对提离影响的阻抗变化规律。实验利用ANSYS软件模拟分析不同线圈上的阻抗变化规律,得到线圈阻抗归一化平面图。模拟前,先定义模型几何尺寸及模拟参数,规定探头线圈的内径为4.5mm,外径为6.8mm,线圈高度为5.5mm,线圈模型如图1所示,加载电压为3V,频率为5000Hz。提离间隙从0.3mm逐渐增加至4mm。在分析中,选择模型为一个加载交流电压的线圈放置在一块无缺陷金属平板上,为简化模型,设置当前的金属板为圆柱型,因此只需建立二维1/2轴对称模型即可,可大大节省计算量。当平板直径与线圈直径比例大于5,且金属板厚度与集肤深度比例大于4时,可认为金属平板对线圈阻抗的影响与无穷大平板一致。根据已知参数,定义单元以及材料参数,建立对应的模型,模型如图2所示,分配单元和材料属性,对模型进行网格划分。图3为模型线圈与金属板网格划分图。划分网格后,根据定义的参数和模型属性对不同的单元进行参数耦合,设置边界条件、分析类型和加载激励,最后选择求解器进行求解。求解完成,进入POST1后处理器,获取检测线圈电流的实部与虚部,然后根据式(6)计算得到探头线圈的阻抗值:Z=U˙I˙(6)Ζ=U˙Ι˙(6)设置不同的提离间隙,分别建模进行ANSYS模拟,得到不同提离下涡流传感器上电流的大小及相位,根据这些数据,得到不同提离下的归一化阻抗值,同样,改变被测金属体的电导率的大小,便得到不同检测对象下的涡流传感器的归一化阻抗值。在实验中,利用模型的通用性及模拟数据的相似性,我们编写了一个APDL程序,可以在程序中对被测体的电阻率,磁导率以及提离间隔进行设置,通过一次运行可将不同金属在不同检测提离下的阻抗变化结果保存到数组中,最后输出,图4为该模拟实验的APDL程序流程图。表1是被测体为金属铝(电导率63%IACS,相对磁导率1)时,对于不同提离通过ANSYS模拟得到的阻抗变化的数据,此时线圈的归一化阻抗图如图5所示。针对不同电导率的非铁磁性金属进行ANSYS模拟,得到的一组阻抗图如图6所示。3磁场强度对磁导率及抗菌材料性能的影响在涡流检测中,为了集中磁场并增强磁场的强度,通常在使用放置式探头的时候给探头线圈加上磁芯,在涡流检测中常用的磁芯材料为铁氧体软磁材料,铁氧体材料有着电阻系数高,矫顽力小等诸多的优点。使用ANSYS模拟带有磁芯的线圈与模拟空芯线圈基本上类似,不同的是在磁芯的磁性参数设置时要考虑到软磁材料的性质。软磁材料的磁导率变化不是随着外加磁场的增加而逐渐减小,而是先增大后减小的一个过程,其μ-H关系如图7所示。在初始时磁导率有一个迅速增加的过程,当磁场强度增加到一定值时,磁导率达到最大,随着外加磁场强度的进一步增大,磁导率开始逐渐减小,直至磁芯达到磁饱和而相对磁导率趋于恒定。使用ANSYS模拟带磁芯的线圈时,为方便比较,线圈规格与上述空芯规格一致,施加激励相同,得到对不同金属板的归一化阻抗图如图8所示。对比图6与图8可以看出,使用磁芯后阻抗的变化明显要高于空芯线圈的阻抗变化,这说明磁芯的使用使得磁场强度有了很大的提高,同时金属板上感生涡流的强度也随之增强,涡流产生的反作用于线圈的交变磁场也随之增强。可以看出,提离效应随着磁场强度变化的不同也有所不同,当磁场强度变化大时,线圈阻抗的变化率也会随之增大。提离效应表现的也很明显。4实验结果与模拟结果对比为了对比ANSYS数值模拟的结果,本实验进行了实际的实验验证,根据图9所示原理图,分别对不同规格线圈在不同激励下进行阻抗测量并归一化,同时对该规格线圈进行ANSYS建模,通过仿真计算得出阻抗变化的理论值,作实验和ANSYS理论分析得出的提离变化阻抗图,然后对比分析。表2为当被测金属为铝(电导率63%IACS,相对磁导率1)时,线圈(规格为250匝,高5.5mm,内径4.5mm,外径8.3mm)在激励频率为10kHz交流激励下得到的不同提离下的实验数据与使用ANSYS模拟得出的模拟数据。图10为线圈在10kHz激励下分别在ANSYS模拟和实验中得到的归一化阻抗图。图11为线圈在100kHz激励下分别在ANSYS模拟和实验中得到的归一化阻抗图。由表中数据及两阻抗图看出,实验结果与模拟结果虽然存在一定的误差,分析其原因主要是受实验过程中的操作方法及实验材料所影响,如被测金属板的材质不均匀,其实际的电导率与标称值存在一定误差;绕制的线圈与ANSYS仿真模型存在一定误差;提离垫片产生磨损引起的误差等。但从实验数据的整体性来看,实验数据与仿真分析数据吻合得比较好,能很好的反映ANSYS分析得到的理论规律。5抗波特性分析通过对涡流检测线圈提离效应的ANSYS模拟可以得到以下结论:对于非铁磁性金属板,随着提离间隙的增大,线圈阻抗增大,反映到电阻和电抗上分别为:电阻随着提离的增大而减小,电抗随着提离的增大而增大。对于不同电导率的金属,阻抗随提离变化的反映也有所不同,在相同提离变化下,随着金属板电导率的增加,金属板上感生出的涡流变大,涡流产生的反磁场也变大,对阻抗的最终影响是使得阻抗的变化量增大。无论金属板电导率怎么变化,提离的最终结果都是使阻抗值趋于线圈的空载值。对于空芯和带有磁芯的线圈来说,在相同的外界条