曹丕宇， 周德强,2,3， 王 华， 孙闪闪

(1.江南大学 机械工程学院,江苏 无锡 214122； 2.无损检测技术教育部重点实验室 南昌航空大学,江西 南昌330063； 3.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏 无锡 214122)

0 引 言

各类导体材料广泛应用于航空航天、轨道交通、工业生产等领域，因这些导体制作的关键零部件有些工作于高温、高压、高速等极端、恶劣的环境，有些存在超负荷工作或者服役时间过长的情况，这些都存在很大的安全隐患，因此对这些关键零部件进行定期的无损检测就尤为重要。远场涡流技术具有内外壁缺陷检测灵敏度一致、受提离效应影响小、不受集肤效应的影响等优势，因此近年来，远场涡流技术在无损检测领域得到了广泛的研究和应用。

日本横滨国立大学Kasai N等人采用远场涡流技术对石油储罐底板进行了检测[1]，但其采用正弦激励的方式，使得检测信号频谱成分单一且功耗较大； Sun Y S等人将远场涡流检测技术的应用扩展到飞机多层结构的检测之中[2]，通过对传感器的改进设计，实现了对多层结构中深层缺陷的检测，但没有给出传感器的具体设计方案；张辉、杨宾峰等人采用仿真与实验相结合的方法,仿真分析了基于连通磁路的脉冲远场涡流传感器的聚磁效果,研究了该传感器对管道轴向内外壁裂纹缺陷的定量评估能力,比较了检测线圈处于不同位置时的缺陷分类识别效果[3]，通过实验验证了基于连通磁路的脉冲远场涡流传感器对管道轴向裂纹缺陷深度的定量能力,实验结果表明：该传感器可以很好地实现对缺陷的定量评估。胥俊敏等人提出了脉冲远场涡流的磁场抑制技术[4]，有效地实现了远场涡流的磁场抑制与信号增强。刘相彪等人采用了主成分分析—独立分

量分析(principal component analysis-independent component analysis, PCA-ICA)[5]，结合了PCA技术与ICA技术各自的优势，提出了PCA-ICA联合消噪技术，实现了单通道信号欠定条件下缺陷信号与磁导率不均等噪声的分离，提高了脉冲远场涡流缺陷识别与定量评估的精度。

通常的脉冲远场涡流技术是采用一定占空比的方波激励信号施加于激励线圈，并在远场区拾取感应线圈的电压信号。上述的研究中在仿真和实验均是采用感应线圈拾取远场区的磁场信号，但是感应线圈体积较大、控件分辨率低且在低频域灵敏度较差[6]。

本文通过有限元仿真，主要研究基于磁场测量的脉冲远场涡流检测非磁性平板技术。采用固态磁场传感器拾取远场区磁感应强度信号，以实现对缺陷的定位及定量分析。

1 基于磁场测量的脉冲远场涡流检测原理

由于金属平板构件不具备管道的屏蔽作用，当传感器位于平板上方时，穿透平板向下传播的磁场由于受到衰减而弱于板上磁场，因而在磁场传播过程中，板下磁场会弱于板上磁场，从而无法实现远场涡流现象。为了在平板中实现远场涡流效应，选择对激励线圈进行屏蔽处理，以削减直接耦合磁场。

如图1所示，脉冲远场涡流探头由间隔一定距离的激励线圈和磁场传感器组成。通过对激励线圈施加脉冲激励，会在激励线圈附近产生磁场，通过对激励线圈进行屏蔽处理来阻止直接耦合通道，使得磁场的直接耦合分量快速衰减，而间接耦合分量衰减较慢，因此在远场区间接耦合分量会强于直接耦合分量，产生二次穿透[7]。由于二次穿透平板的磁场带有缺陷信息，通过霍尔元件拾取远场区的磁通密度信号，即可实现非磁性平板的检测。

图1 基于磁场测量的脉冲远场涡流检测原理

2 仿真模型建立与仿真结果分析

2.1 仿真模型建立

在多物理场有限元仿真软件COMSOL Multiphysics 5.3中建立远场涡流检测模型如图2(a)所示，一个被磁屏蔽罩包裹的激励线圈放置在一块铝板上，周围被空气包围，屏蔽罩的厚度为5 mm，激励线圈的匝数为500匝，脉冲激励的频率为100 Hz，在距离激励线圈20 mm处选择了一个二维节点，通过拾取此点的磁通密度进行研究。为了提高有限元仿真求解的计算精度，二维仿真模型中导电金属板尺寸长度为300 mm远大于激励线圈的尺寸(4 mm)，以防止模型边界带来的计算误差。各材料参数设置如表1所示。

表1 仿真模型材料参数

在AC/DC模块选择物理场为磁场，选择时域对其进行瞬态求解分析。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 二次穿透现象判定

首先要确定在对激励线圈施加了屏蔽之后在所选择的的二维节点位置是否产生了二次穿透现象。在不对间接耦合分量进行屏蔽时，通过仿真得到一个周期(10 ms)内所选二维节点处的磁通密度曲线，如图2(b)所示。

图2 二维轴对称仿真模型及其仿真结果

然后采用如图3(a)所示的方法，在铝板上方放置一块磁屏蔽板来屏蔽间接耦合通道，通过仿真得到一个周期内所选二维节点处的磁通密度曲线，如图3(b)所示。

图3 间接耦合通道屏蔽模型及其仿真结果

由图2和图3可以看出，在对间接耦合分量进行屏蔽之后得到的磁通密度信号不足原来的0.1%，由此可见采用图2(a)所示的方法对激励线圈进行磁屏蔽后，直接耦合分量被大大削弱，在所选择的二维节点处所得到的磁通密度信号主要来源于间接耦合分量，因此，在此二维节点处发生了二次穿透现象。这些间接耦合分量携带有缺陷相关的信息，所以使用图2(a)的模型进行下一步的仿真分析。

2.2.2 不同位置缺陷检测效果对比

分别选择激励线圈下方，激励线圈与二维节点中间，二维节点下方以及二维节点右侧4个不同位置的缺陷进行仿真分析，将仿真得到的一个周期内的磁通密度曲线与原始信号(无缺陷的磁通密度曲线)进行差分，目的是通过仿真结果研究缺陷位置与检测效果之间的关系，从而实现对缺陷的定位。其中缺陷的宽度均为4 mm，深度分别为0.5，1.5，2.5，3.5，4.5 mm,仿真结果如图4所示。

图4 不同位置缺陷检测效果对比

由图4(a)可以看出，当缺陷位于所选二维节点与激励线圈中间以及激励线圈下方时差分信号比其他三个位置高1个数量级且曲线最为光滑，因此，可以确定当缺陷位于所选二维节点与激励线圈中间以及激励线圈下方时检测效果最好，然后通过图4(b)中的仿真数据做出缺陷深度与磁通密度差分幅值的关系图，如图5所示，从图中可以看出磁通密度差分幅值与缺陷深度密切相关，磁通密度差分幅值随着缺陷深度的增加而增加，并且具有很好的线性关系，因此说明通过对远场区感应产生的磁通密度幅值可以实现对缺陷的定位和定量检测。

图5 缺陷深度与磁通密度差分幅值关系

3 结 论

与传统的远场涡流检测方法不同，本文提出了基于磁场测量的脉冲远场涡流检测，在分析了基于磁场测量的脉冲远场涡流检测原理的基础上，通过有限元建模，仿真分析了对激励线圈施加屏蔽之后是否可以产生二次穿透现象，对比和分析了不同位置的缺陷对检测效果的影响以及不同尺寸的深层缺陷下远场区所产生的磁通密度差分幅值与缺陷之尺寸之间的关系。仿真结果表明：通过对激励线圈施加屏蔽可以产生二次穿透现象，当缺陷位于所选二维节点与激励线圈中间时检测效果最好，缺陷深度与磁通密度差分幅值密切相关，并且具有良好的线性关系，因此可以实现对缺陷的定位以及定量检测。