便携式多功能涡流仪的研制

    涡流检测是以电磁感应为基础的常规无损检测方法之一。笔者利用ANSYS软件,通过涡流检测线圈阻抗的数值计算,得到涡流检测线圈的归一化阻抗图。依据提离效应对线圈阻抗的影响在阻抗平面图上近似为直线轨迹的规律,提出利用相位变换的方法实现提离干扰信号的抑制。设计了以ARM9微处理器为核心的、基于幅相鉴别原理的便携式多功能涡流仪的硬件电路,该电路既可抑制提离效应,实现涡流探伤和电导率测量,又可以利用提离效应来进行涡流法测厚。

1　涡流线圈阻抗分析

    分析和研究涡流检测理论问题的出发点是麦克斯韦方程组[^1]的求解与实验验证。

    应用ANSYS来分析电磁场[^2]的基本原理是,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,进而求解出其它相关量,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^[3]。

    利用ANSYS软件模拟分析可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4.5 mm,外径为6.8 mm,线圈高度为5.5 mm,加载电压为3 V,频率为5 000 Hz。提离间隙从0.3 mm逐渐增加至4 mm。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。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(图1),分配单元和材料属性,对模型进行网格划分,再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,最后进行求解。然后进入通用后处理器,获取探头线圈电流的实部和虚部,根据公式Z=U/I,便可以计算出探头线圈的阻抗值。

      

    设置不同的提离间隙,分别建模进行ANSYS模拟,可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。图2为线圈在不同电导率非铁磁性金属下的归一化阻抗图。图2可得: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。