电涡流检测的有限元仿真分析

【摘要】： 本文在阐述单探头涡流检测原理的基础上,以电磁场理论为基础,有限元软件ANSYS为工具,无限大平板为研究对象,对反射式涡流检测传感器附近的低频谐波电磁场进行分析,仿真被检测对象周围的磁场分布。涡流检测过程中,传感器的输出会受到被检材料、提离效应、裂纹、激励频率、线圈尺寸参数、检测对象厚度等因素的影响,本文通过仿真这些因素的变化给电磁场及线圈阻抗带来的影响,探索涡流检测线圈阻抗变化的特征和规律,为反射式涡流传感器(单探头)的设计及利用其进行裂纹检测奠定基础。 利用阻抗分析方法,经模型简化,建立了二维轴对称似稳交流电磁场参数化有限元模型,在此基础上进行了大量的仿真计算,得到了如下主要结论。 (1)被测材料不同,磁力线分布截然不同,探头线圈阻抗也不同。 (2)线圈提离变化时,阻抗幅值受线圈提离的影响很大,但相位曲线几乎不受提离效应的影响。 (3)探头与被测对象之间的距离越小,其电磁感应强度越高,被测对象中的电涡流强度也就越大。 (4)当被测物体存在裂纹时,阻抗平面的幅值相对变化不大,但阻抗角却会发生明显的变化。只存在提离时阻抗角为正值,出现裂纹时则阻抗角变为负值。 (5)裂纹宽度不变,深度增加时,阻抗幅值增大,相位角绝对值变小;且当裂纹深度大于贯穿深度时,阻抗幅值不再增加。 (6)线圈激励频率对传感器电磁场磁力线分布的影响不大,但对电磁场的磁感应强度产生影响,频率越高,磁感应强度越低;此外,随着激励频率的增大,电涡流传感器的品质因数将增大,即电涡流强度减弱。 (7)探头线圈内径的变化对传感器磁力线分布的影响不大,而外径的改变对被测体中电涡流的分布会产生影响,被测体中出现电涡流密度最大值的位置与线圈外半径大致相同。 (8)当线圈匝数密度相同时,线圈内径越小、外径越大、轴向厚度越厚,传感器的灵敏度就越高,线性范围越小;线圈的匝数密度越大,传感器的灵敏度越高,线性范围越大。 文章的遗憾之处是没有讨论涡流检测中的边缘效应。