基于有限元仿真的涡流检测探头的设计与应用

王紫涵 于忠宁 王晴雅 刘 喆 贾 帅

（1.国机传感科技有限公司，沈阳 110043；2.国家管网集团北方管道有限责任公司沈阳输油气分公司，沈阳 112000；3.沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳 110043）

近年来，涡流检测技术有着较快的发展，不仅可以检测金属材料的腐蚀、裂纹和其他缺陷，还可以进行无损评价[1]。涡流检测技术是根据涡流检测中区域划分得到的一种检测方法，相较于传统检测技术具有独特的优点，可以直接使用线圈检测管道的腐蚀、缺陷、裂纹等情况[2]。文章从基本理论公式推导出发，进行建模仿真计算，展开涡流检测探头的设计及应用工作。

1 涡流检测理论基础

线圈中磁场的变化会引起检测线圈阻抗的变化，因此在分析检测线圈阻抗时，首先要关注试件放入检测线圈后磁场的变化情况，通过得到的线圈阻抗变化或感应电压的变化，分析试件的各种影响因素[3-4]。涡流传感器仿真模型如图1 所示，设置了发射线圈、接收线圈A、接收线圈B以及被测试件。

图1 传感器仿真模型

在建模时，赋予被测试件0 缺陷，可以发现接收线圈A和接收线圈B得到的幅值和相位参数方向相同，线圈差分输出为0。当赋予被测试件一个微小缺陷时，被测试件缺陷处的磁场分布发生改变，线圈差分输出不为0。根据涡流检测的基础理论可知，涡流是由电磁场感应而来，感应电流和试件表面的缺陷成正比。

透入深度公式为

式中：f为激励频率；μ为磁导率；σ为电导率。

通过式（1）可知，当缺陷在试件远离线圈一侧的表面时，在磁场作用下，线圈中的电流和相位都会产生变化，由此引起线圈等效阻抗和电感量的相应变化[5]。如果透入深度小于试件厚度，缺陷不会引起涡流分布的变化，因此线圈差分输出依然为0。

2 涡流检测探头建模及仿真

在Maxwell 中建立3D 仿真模型，将两个接收线圈的绕线方向设置成反方向，如图2 所示。通过自动剖分功能，建立模型的网格图如图3 所示。

图2 仿真模型

图3 仿真模型网格图

在仿真分析时，赋予模型的参数如表1 所示。

表1 参数表

涡流检测探头仿真分析过程分为前处理、求解及后处理3 个部分[6]。在试件中加入长、宽、深分别为10 mm、10 mm、2 mm 的缺陷，当试件经过线圈时，发射线圈会被电信号激励，在试件的表面产生涡流分布，如图4 所示。

在试件中加入长、宽、深分别为10 mm、10 mm、2 mm 的缺陷，仿真模型如图5 所示，用来观察线圈差分输出电压的变化情况。

图5 仿真模型

在不改变其他输入参数的前提下，在软件中设置3 个缺陷。缺陷1 的长、宽、深分别为10 mm、10 mm、0.5 mm，缺陷2 的长、宽、深分别为10 mm、10 mm、1.0 mm，缺陷3 的长、宽、深分别为10 mm、10 mm、2.0 mm，仿真分析的结果如图6 所示。由图6 可知，缺陷深度和探头输出电压变化成正比。

图6 仿真分析结果

在不改变缺陷深度参数的前提下，在软件中再设置2 个缺陷。缺陷1 的长、宽、深分别为10 mm、10 mm、2.0 mm，缺陷2 的长、宽、深分别为5 mm、5 mm、2.0 mm。仿真分析可知，缺陷的大小和探头输出电压变化成正比。

综上所述，涡流检测探头可检测不同大小的缺陷，且缺陷具有较为明显的变化规律，可以用于管道缺陷的检测及后期的量化工作。

3 涡流探头实验验证

使用涡流检测探头，在预先加工56 个缺陷的钢板上反复接触，并将探头采集到的信号通过数据采集软件进行处理，实验结果如图7 所示。由图7 可知，56 个缺陷均被涡流探头检测到，波形与仿真结果一致，越大的缺陷峰值越高，波形图越明显。该实验结果充分验证了涡流检测探头研制的准确性及有效性。

图7 实验结果

4 结语

使用Maxwell 软件建立涡流检测探头的3D 模型进行仿真分析。首先，对涡流检测探头进行理论分析，并采用有限元仿真软件建立涡流检测探头的仿真模型。其次，在涡流检测探头模型中加入不同大小的缺陷，接收线圈输出信号中含有缺陷信息，能够识别管道缺陷及量化缺陷。最后，进行实验验证。结果表明，涡流检测探头能够识别缺陷信息，证明该设计具有有效性。