基于COMSOL Multiphysic电涡流传感器的仿真和设计

电涡流探头是电涡流传感器的核心部件。本文从电磁场理论出发,通过二维有限元法构建电涡流探头模型,运用COMSOL Multiphysic软件对电涡流探头的电磁特性进行仿真,研究线圈结构对电涡流传感器性能的影响。依据仿真设计一种反射式环形结构电涡流传感器探头,并进行实验验证。     

基于有限元仿真的涡流探头特性研究

涡流检测在工业生产及设备运行维护等无损检测技术领域占有重要地位。文中介绍一种用于无损检测的涡流探头,探头由1个激励线圈与2个接收线圈组成。激励线圈在电压信号的激励下,在试件中产生感应涡流,试件中涡流随缺陷发生变化,接收线圈捕获到涡流产生磁场的变化,以此分辨试件表面缺陷。分别对涡流探头的激励线圈、接收线圈进行理论分析,使用有限元仿真软件Maxwell对传感器进行建模与仿真。采用数值方法分析探头在正弦波电压激励下的工作方式,铝试件与Q235试件表面涡流分布与探头输出特性。仿真分析了涡流效应对Q235材料探头输出的影响。对Q235试件中不同缺陷深度对探头输出电压大小的影响进行了分析。根据仿真结果,进行了探头实物制作,获得了探头在不同缺陷深度的输出信号,通过实验验证了探头对缺陷检测的有效性。     

电涡流传感器探头线圈的参数化设计与制造

探头线圈是电涡流传感器的最核心的部件,其设计参数对电涡流传感器的性能有直接影响。建立电涡流传感器探头线圈的等效模型,根据理论推导和ANSYS参数化建模仿真,分析探头线圈的设计参数对电涡流传感器线性度、灵敏度和测量范围的影响。根据所确定的设计参数,利用印刷电路板制造工艺,制作PCB板探头线圈,并测试了基于PCB板探头线圈的电涡流传感器的静态和动态性能。结果表明,PCB板探头线圈制造工艺成熟稳定,一致性很高,质量容易保证,基于PCB板探头线圈的电涡流传感器可以满足实际应用的需要。     

一种新型EMAT圆柱探头的三维有限元分析

提出了一种空心圆柱结构的电磁超声换能器(EMAT,Electromagnetic Acoustic Transducer)线圈探头,为获得空心圆柱探头的设计参数,以有限元仿真软件ANSYS为工具,对所设计的电磁超声探头进行了三维有限元建模和仿真,分析了空心圆柱型换能器所激发超声波的幅值和频率;研究了线圈的各几何参数及换能器电气特性变化对所激发感生涡流幅值的影响规律;确立了电磁超声圆柱探头的基本设计准则。仿真结论证明:空心圆柱线圈适合作为EMAT探头进行缺陷检测,为此类线圈的设计提供的理论指导。     

脉冲涡流矩形差分探头缺陷检测机理

为了进一步提升脉冲涡流的缺陷检测能力,提出了脉冲涡流矩形差分探头的检测方法。建立了脉冲涡流矩形探头的三维检测模型,分析了矩形线圈激励时试件上感应电流的分布,比较了铁磁性材料和非铁磁性材料的试件表面涡流方向和值的大小。根据试件上涡流X分量和Y分量呈对称分布的特性,提出了两种金属材料的脉冲涡流矩形差分探头设计方法。制作了相应的脉冲涡流矩形差分探头来获取磁场分量,仿真与实验结果表明,对于铁磁性材料和非铁磁性材料缺陷检测,脉冲涡流矩形差分探头测量的磁场X分量、Y分量比Z分量检测灵敏度更高。     

一种自调零平切型电涡流探头及其在碳纤维复合材料细观成像中的应用

针对碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)弱导电性和异质多相结构特点,通过设计开发高分辨率涡流线圈探头结合空频域信号处理方法,实现对碳纤维复合材料板中10-6～10-3m细观尺寸范围内的纤维分布以及纤维缺失、褶皱和空隙过大等缺陷的涡流成像.主要从线圈探头耦合特性建模仿真和图像特征参数提取两个方面对碳纤维复合材料的电涡流细观尺度成像技术进行研究,建立分离式线圈探头耦合阻抗信号模型和点扩散函数数学模型,综合考虑这两方面影响因素设计一种自调零涡流探头并确定了其结构参数.对多方向CFRP层合板进行了检测并研究了图像的特征参数提取方法,基于复平面相位旋转的方法确定每个扫描点的像素值,得到了清晰的纤维纹路分布和缺陷图像,进一步提高检测的分辨率.     

小径管脉冲远场涡流检测研究

小径管如热交换器管等在工业中应用广泛,不少使用情况下需要定期检测.远场涡流技术是检测小径管缺陷的有效技术之一,在此基础上,脉冲远场涡流检测技术结合了脉冲涡流的频谱丰富性和远场涡流技术同时检测内外管壁缺陷的特点.应用脉冲远场涡流检测技术对小径管进行检测,并对该技术中差分式探头和绝对式探头的检测特点进行系统详细的研究.设计一种新型差分式探头,其接收部分由两个差分连接的检测线圈组成.差分结构中的一个检测线圈用作绝对式线圈,其检测信号采用一个信号采集通道处理,同时两个线圈的差分信号则采用另一个信号采集通道处理.通过数值仿真分析了检测原理,并对腐蚀、孔状和裂纹三种类型管道试件缺陷进行了系列检测研究.试验结果表明探头中的差分线圈对裂纹类、孔类缺陷具有很好的检测灵敏度,远优于绝对式线圈的检测能力,但对检测渐变腐蚀类缺陷不敏感;同时探头中的绝对式线圈对渐变腐蚀具有很好的检测灵敏度.绝对式线圈检测信号中存在着明显的伪峰信号,但差分式线圈则能够有效抑制伪峰信号.所设计的应用双通道处理方法的探头可同时有效检测三种类型的缺陷,并且脉冲涡流检测所具有的缺陷深度定位特征也仍然有效.     

基于涡流测距的保温管偏心检测有限元仿真分析

为了研究保温管偏心检测中的电涡流传感器探头线圈的性能,根据电涡流测距原理,采用有限元方法,利用软件对涡流传感器检测偏心进行仿真分析,研究了管道偏心时探头线圈阻抗的变化以及检测距离和管道材质改变时对探头线圈性能的影响。     

铁磁性构件缺陷的脉冲涡流检测模式研究

针对铁磁性材料的脉冲涡流检测信号比较复杂的问题,建立脉冲涡流矩形传感器检测模型,提出了矩形探头中同时存在脉冲涡流与脉冲漏磁检测区域,并进行脉冲电磁检测的仿真分析,研究了缺陷和矩形探头轴线所呈角度的最佳检测位置。仿真和实验结果表明了矩形探头的脉冲涡流有效检测区域为探头正下方的边框区域,而脉冲漏磁有效检测区域为矩形线圈中心的正下方区域。脉冲涡流最佳检测点为矩形探头轴线与缺陷呈10°附近位置,而脉冲漏磁最佳检测点为矩形探头轴线与缺陷呈70°位置。     

基于LTCC基板温度载荷条件下失效的仿真分析

针对低温共烧陶瓷(LTCC:low temperature co-fired ceramic)基板温度载荷条件下出现裂纹从而引起失效的问题进行研究,建立LTCC基板与盒体的有限元模型,根据LTCC基板的载荷条件采用热结构耦合仿真分析。将分析结果与LTCC基板失效位置进行对比,查看在裂纹产生次数较多位置的应力集中情况,对LTCC基板失效原因进行分析,为LTCC基板的结构优化提供依据与支持。     

电涡流传感器的频率补偿式测量方法的研究

在电磁感应原理的涡流效应的基本理论研究的基础上,根据导体内部感应电动势随磁场变化频率增大的特性,针对金属导体内缺陷、合金组分带来的电导率变化这一实际材料的属性给检测线圈的反作用感应电动势带来影响这一物理现象,提出了一种频率补偿式的测量方法.该方法由于回避了电动势的直接测量,通过激励源频率的自动扫描跟踪标准样品的参数,以频率为表象空间提供材料的性能参数.通过理论计算和超强铝合金薄壁管的实验数据对比,该方法具有快速、准确的优点.通过电子学和计算机技术,该方法可以实现性能优异的测量系统,提供丰富的电涡流信息.     

PCB空心线圈的电流测量动态特性研究

PCB空心线圈具有测量准确度高、稳定性和参数一致性好、设计和加工方便等优点,适合用作电子式电流互感器.但由于结构和制作工艺不同于常规空心线圈,因此其电磁参数也不同于常规空心线圈.按通常的单纯优化负载电阻阻值的方法可能无法同时满足高准确度和高动态特性的要求.通过对线圈等效电路模型及电磁参数的分析,提出了在PCB空心线圈的输出端串联一个校正网络并优化配置零极点的方法.仿真及实验结果表明,该方法能有效抑制线圈输出的高频振荡,在保证稳态0.2 S准确度等级的情况下实现了其动态性能的优化.     

车轮踏面动态感应热成像缺陷检测方法研究

涡流脉冲热成像是一种新型的无损检测技术,具有检测速度快,灵敏度高,探测范围大的特点。为适应车轮踏面缺陷的动态检测,本文提出了一种适应车轮踏面廓形的矩形磁轭电磁感应激励传感结构。通过传感器结构的磁路模型推导,从理论上证明了传感结构的可行性。通过数值模拟计算分析了踏面表面检测区域的磁场与涡流场分布,并对比了矩形磁轭与直导线的检测结果。在此基础上,本文搭建了一套车轮自动探伤检测系统,能够实现65 mm/s速度下的缺陷动态测量。结果表明,设计的矩形磁轭传感结构可优化感应加热的均匀性,对车轮踏面浅表层疲劳裂纹(轴向表面开口)具有更好的检测结果。     

电涡流磨粒传感器磁场仿真研究

针对电感式磨粒传感器易受磨粒连续性影响和无法识别磨粒材质的问题,通过增大电感式磨粒传感器中磨粒的涡流作用,提出一种电涡流磨粒传感器。结合有限元软件ANSYS Maxwell建立电涡流磨粒传感器的仿真模型,并对不同材质和尺寸的磨粒进行仿真分析,验证电涡流原理在磨粒监测中的可行性。对不同激励频率及线圈内径的电涡流磨粒传感器进行仿真分析。仿真结果表明:电涡流作用可以识别磨粒尺寸,磨粒产生的涡流作用与磨粒尺寸成三次方关系;电涡流作用可以识别磨粒材质,不同材质的磨粒在相同的磁场环境中产生的涡流作用不同;线圈的激励频率越高,磨粒的涡流作用越大;线圈的内径越大,磨粒的涡流作用越小。     

奥氏体不锈钢涡流阵列C扫成像检测技术的仿真研究与应用

为了解探头设计参数对涡流阵列C扫成像效果的影响和涡流阵列C扫成像检测技术对奥氏体不锈钢材料典型缺陷定性能力,采用CIVA软件仿真方法建立奥氏体不锈钢试样上平底孔、刻槽试样的涡流阵列C扫模型,研究涡流阵列探头的设计参数如探头工作模式、线圈外径和阵列排数对涡流阵列C扫成像的影响,并通过试验分析了裂纹、圆形缺陷等典型表面开口缺陷的涡流阵列C扫成像特征。结果表明,对于涡流阵列探头,绝对发射-接收式工作模式对缺陷方向敏感,不利于涡流阵列C扫成像,而绝对桥式工作模式对缺陷不敏感,有利于涡流阵列C扫成像;涡流阵列探头的线圈外径越小,阵列排数越多,涡流阵列C扫成像的纵向分辨力越小,更有利于涡流阵列C扫成像;奥氏体不锈钢均匀表面对涡流阵列C扫成像技术干扰少,涡流阵列C扫成像技术能够反映表面开口缺陷形状特征,可在一定程度上对表面开口缺陷进行定性。     

电涡流传感器的脉冲激励与双参数检测

采用矩形脉冲作为激励信号,对电涡流传感器在位移检测过程中谐振频率及谐振阻尼的变化情况进行了研究分析.建立了以现场可编程门阵列(FPGA)为核心芯片的检测系统,用于产生所需要的矩形脉冲激励信号以及对传感器响应信号的欠采样.利用8 mm直径的电涡流线圈,对0～10 mm范围内碳钢目标靶的位移响应特性进行了测量,借助短时傅里叶变换分析了响应信号中频率成分的分布情况,同时获得了谐振频率及谐振阻尼的测量值.验证了通过脉冲激励同时获取电涡流传感器双参数检测的可行性.为研制基于电涡流效应的位移传感器及无损探伤传感器提供了一种新思路.     

一种基于微流体制备的电阻-电感式磨粒传感器

为了实现油液金属磨粒的高精度测量,基于微流体制备了一种可检测电阻-电感参数的磨粒传感器。通过仿真获得了金属颗粒在时谐磁场中的磁化和涡流效应特征,并通过实验研究了电阻-电感检测的电压特性和频率特性。高频激励可以增强金属颗粒内部的涡流效应,而激励电压对传感器检测结果的影响不大。研究表明电感参数对铁磁性金属的检测能力强,电阻参数对非铁磁性金属的检测能力强。采用2.0 V、2.0 MHz的激励,通过比较分析电阻和电感检测结果,该传感器可有效识别直径60μm的铜颗粒和直径16μm的铁颗粒。这种基于线圈电阻参数检测非铁磁性金属磨粒的方法为增强磨粒传感器的综合测量性能提供了新思路。     

发动机电磁气门驱动动态仿真与分析

用有限元法和集总参数法对一试验用电磁气门驱动（EVA）系统进行了动态仿真。在集总参数法中，根据牛顿第二定律和基尔霍夫电压定律分别建立EVA系统的动力学模型和电路模型，而把电磁力随气隙、电流的变化和电流随气隙、磁链的变化分别做成数据表。用集总参数法进行动态仿真，分析了EVA中电磁铁内涡流、励磁线圈电阻和电磁力对EVA动态工作特性的影响。两种仿真都与实验结果吻合较好，但集总参数法计算效率更高，且可仿真EVA的闭环控制过程。