基于有限元仿真的渦流檢測探頭的設計與應用

王紫涵 于忠寧 王晴雅 劉 喆 賈 帥

（1.國機傳感科技有限公司，沈陽 110043；2.國家管網集團北方管道有限責任公司沈陽輸油氣分公司，沈陽 112000；3.沈陽儀表科學研究院有限公司，沈陽 110043）

近年來，渦流檢測技術有著較快的發展，不僅可以檢測金屬材料的腐蝕、裂紋和其他缺陷，還可以進行無損評價[1]。渦流檢測技術是根據渦流檢測中區域劃分得到的一種檢測方法，相較于傳統檢測技術具有獨特的優點，可以直接使用線圈檢測管道的腐蝕、缺陷、裂紋等情況[2]。文章從基本理論公式推導出發，進行建模仿真計算，展開渦流檢測探頭的設計及應用工作。

1 渦流檢測理論基礎

線圈中磁場的變化會引起檢測線圈阻抗的變化，因此在分析檢測線圈阻抗時，首先要關注試件放入檢測線圈后磁場的變化情況，通過得到的線圈阻抗變化或感應電壓的變化，分析試件的各種影響因素[3-4]。渦流傳感器仿真模型如圖1 所示，設置了發射線圈、接收線圈A、接收線圈B以及被測試件。

圖1 傳感器仿真模型

在建模時，賦予被測試件0 缺陷，可以發現接收線圈A和接收線圈B得到的幅值和相位參數方向相同，線圈差分輸出為0。當賦予被測試件一個微小缺陷時，被測試件缺陷處的磁場分布發生改變，線圈差分輸出不為0。根據渦流檢測的基礎理論可知，渦流是由電磁場感應而來，感應電流和試件表面的缺陷成正比。

透入深度公式為

式中：f為激勵頻率；μ為磁導率；σ為電導率。

通過式（1）可知，當缺陷在試件遠離線圈一側的表面時，在磁場作用下，線圈中的電流和相位都會產生變化，由此引起線圈等效阻抗和電感量的相應變化[5]。如果透入深度小于試件厚度，缺陷不會引起渦流分布的變化，因此線圈差分輸出依然為0。

2 渦流檢測探頭建模及仿真

在Maxwell 中建立3D 仿真模型，將兩個接收線圈的繞線方向設置成反方向，如圖2 所示。通過自動剖分功能，建立模型的網格圖如圖3 所示。

圖2 仿真模型

圖3 仿真模型網格圖

在仿真分析時，賦予模型的參數如表1 所示。

表1 參數表

渦流檢測探頭仿真分析過程分為前處理、求解及后處理3 個部分[6]。在試件中加入長、寬、深分別為10 mm、10 mm、2 mm 的缺陷，當試件經過線圈時，發射線圈會被電信號激勵，在試件的表面產生渦流分布，如圖4 所示。

在試件中加入長、寬、深分別為10 mm、10 mm、2 mm 的缺陷，仿真模型如圖5 所示，用來觀察線圈差分輸出電壓的變化情況。

圖5 仿真模型

在不改變其他輸入參數的前提下，在軟件中設置3 個缺陷。缺陷1 的長、寬、深分別為10 mm、10 mm、0.5 mm，缺陷2 的長、寬、深分別為10 mm、10 mm、1.0 mm，缺陷3 的長、寬、深分別為10 mm、10 mm、2.0 mm，仿真分析的結果如圖6 所示。由圖6 可知，缺陷深度和探頭輸出電壓變化成正比。

圖6 仿真分析結果

在不改變缺陷深度參數的前提下，在軟件中再設置2 個缺陷。缺陷1 的長、寬、深分別為10 mm、10 mm、2.0 mm，缺陷2 的長、寬、深分別為5 mm、5 mm、2.0 mm。仿真分析可知，缺陷的大小和探頭輸出電壓變化成正比。

綜上所述，渦流檢測探頭可檢測不同大小的缺陷，且缺陷具有較為明顯的變化規律，可以用于管道缺陷的檢測及后期的量化工作。

3 渦流探頭實驗驗證

使用渦流檢測探頭，在預先加工56 個缺陷的鋼板上反復接觸，并將探頭采集到的信號通過數據采集軟件進行處理，實驗結果如圖7 所示。由圖7 可知，56 個缺陷均被渦流探頭檢測到，波形與仿真結果一致，越大的缺陷峰值越高，波形圖越明顯。該實驗結果充分驗證了渦流檢測探頭研制的準確性及有效性。

圖7 實驗結果

4 結語

使用Maxwell 軟件建立渦流檢測探頭的3D 模型進行仿真分析。首先，對渦流檢測探頭進行理論分析，并采用有限元仿真軟件建立渦流檢測探頭的仿真模型。其次，在渦流檢測探頭模型中加入不同大小的缺陷，接收線圈輸出信號中含有缺陷信息，能夠識別管道缺陷及量化缺陷。最后，進行實驗驗證。結果表明，渦流檢測探頭能夠識別缺陷信息，證明該設計具有有效性。