应用磁导率检测的九脚探头仿真优化.pdf

引用格式：引用格式：袁润冲,任尚坤.应用磁导率检测的九脚探头仿真优化J.中国测试，2024,50(1):145-150.YUANRunchong,RENShangkun.Simulation and optimization of nine-pin probe based on magnetic permeability detection technologyJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):145-150.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022060110应用磁导率检测的九脚探头仿真优化袁润冲，任尚坤(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌330063)摘要:针对铁磁性构件应力集中和疲劳损伤的检测评价复杂性问题，对九脚探头参数问题进行分析。推导了探头的检测原理，以 45 号钢为研究对象，为提高系统的检测灵敏度，对检测探头的主要影响参数进行优化，并采用 AnsysWorkbench 平台中静力学与静磁学模块进行力磁耦合仿真。结果显示：最佳激励频率、最佳激励电压幅值与激励线圈匝数相关，在确定的激励线圈匝数下，激励频率、激励电压均存在最优值使检测灵敏度最大;随拉应力的增加，检测信号呈减小的趋势。该仿真数据可为后续设计提供参考。关键词:磁导率检测技术;应力集中;九脚探头;检测灵敏度中图分类号:TB972文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01014506Simulation and optimization of nine-pin probe based on magnetic permeabilitydetection technologyYUANRunchong,RENShangkun(KeyLaboratoryofNondestructiveTestingofMinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)Abstract:Aimingatthecomplexityofdetectionandevaluationofstressconcentrationandfatiguedamageofferromagneticcomponents,theparametersofninepinprobeareanalyzed.Thedetectionprincipleoftheprobeisderived,Taking45steelastheresearchobject,inordertoimprovethedetectionsensitivityofthesystem,themaininfluenceparametersofthedetectionsensorareoptimized.ThemagnetomechanicalcouplingsimulationiscarriedoutbyusingthestaticsandmagnetostaticsmoduleintheANSYSWorkbenchplatform.Theresultsshowthattheoptimalexcitationfrequencyandtheoptimalexcitationvoltageamplitudearerelatedtothenumberofturnsoftheexcitationcoil.Underthedeterminednumberofturnsoftheexcitationcoil,thereareoptimalvaluesoftheexcitationfrequencyandtheexcitationvoltagetomaximizethedetectionsensitivity.Withtheincreaseoftensilestress,thedetectionsignalshowsadecreasingtrend.Thesimulationdatacanprovidereferenceforsubsequentdesign.Keywords:magneticpermeabilitydetection;stressconcentration;nine-pinprobe;detectionsensitivity收稿日期:2022-06-16；收到修改稿日期:2022-08-19基金项目:国家自然科学基金（51865039）作者简介:袁润冲（1999-），男，河北廊坊市人，硕士研究生，专业方向为电磁无损检测技术与仪器。通信作者:任尚坤（1963-），男，河南周口市人，教授，博士，主要从事电磁无损检测科研与教学工作。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,20240 引言铁磁性材料具有良好的脆性、韧性、强度等力学性能1-2，在工业、生产生活中被广泛使用，给社会带来了许多便利，但同时铁磁材料在其服役期间会在外界因素（温度、载荷）干扰下，使其自身强度降低，因材料失效而产生一些重大事故3-4。因此对铁磁材料进行及时、准确的检测，判断其内部的应力状态对生产、使用安全具有重大意义。铁磁试件受外力的作用，其内部的磁导率等特性会随着外力而改变，这种现象称为逆磁致伸缩效应5。根据电磁感应原理，通过探头提取检测电信号可以反映试件内部磁性强弱，即可判断试件内部应力大小。探头是检测系统的重要组成部分，与系统检测灵敏度、稳定性和功耗相关，因此探头的设计成为目前研究的热点6。在传感器的研究领域内，LANGMANR 提出了在 U 型磁轭与试件之间放置四个相互垂直的螺线管并绕上线圈，可旋转螺线管进行不同方向上的测量7；YAMADAH 等人基于磁桥平衡原理提出了四脚探头，将两个 U 型磁轭成十字交叉垂直放置构成，可同时测量两方向上的应力8；广东省特种设备检测研究院孙杰等人采用脉冲涡流检测技术，针对管道内、外部局部腐蚀进行检测，分析对比了直角U 型探头与半圆形 U 型探头的信号差异9；赵洲等将九脚探头与传统 U 型探头进行比较，对单向应力的检测结果相比，并对焊缝处的应力进行检测，验证了九脚探头检测原理的正确性10；魏明等人通过九脚探头对不同钢材进行了检测，证明了磁导率、检测电压、应力三者之间的关系11-12；辛伟等使用中国特种设备检测研究院自主研发的九极传感器针对铁磁性构件内残余应力，根据对理论模型的推导得到系数 K 的数学表达式，并对模型的准确性进行了验证13。本文在其研究基础上，为提高探头检测灵敏度，针对九脚探头的激励参数进一步优化。1 检测原理探头由四周 8 个激励探脚与中心检测探脚构成，探头结构如图 1 所示。四周 8 个探脚上绕有激励线圈，激励线圈串联连接，给激励线圈通入同向交变信号，使感应磁场的方向平行同向，根据电磁感应原理，探头内激励线圈产生磁场，并产生磁通量。当检测时，探头与待测对象形成闭合磁回路，8 个激励探脚产生的磁通量汇聚在中心检测探脚。中心检测探脚绕有检测线圈，检测线圈内磁通量的变化会产生感应电压，实现电-磁-电的能量转换。九脚探头相较于传统 U 型探头具有检测范围大、磁化均匀、磁化强度高等优点。02550图 1 探头结构示意图（单位：mm）给四周探脚上线圈施加激励时，探头与待测试件构成的等效磁路如图 2 所示。Rm1RmcmFm=8NI图 2 检测等效磁路图由磁路安培定理可知：Fm=8NI=m（Rmc+Rm1)(1)F式中：m磁路磁势；I激励电流；N每个激励线圈的匝数；m通过磁路中心检测探脚内的总磁通量；Rmc探头磁阻；Rm1待测试件内构成磁路的有效磁阻。Rm1=LS(2)L、S、其中分别对应待测试件中的有效磁路长度、等效横截面积、磁导率。检测线圈内的总磁通量为：m=8NIRmc+LS(3)根据法拉第电磁感应定律，感应电压与待测试件磁导率的关系：U=nddt=8nNRmc+LSdidt=8nNRmc+LS1Zdudt(4)146中国测试2024年1月式中：n感应线圈的匝数；Z激励线圈阻抗。U）式中可以看出，感应电压与线圈匝数、探头磁阻、试件尺寸、激励信号以及待测试件磁导率相关。当待测试件磁导率以外的其他参数不变时，感应电压随磁导率的变化而变化，若待检试件内存在应力集中导致试件磁导率的变化14，便可通过检测信号实现对应力的检测。检测灵敏度为感应电压变化量（与相对磁导率变化量r的比值，由于应力引起磁导率的变化比较微小，需要选择合适的参数使检测灵敏度最大。2 探头参数仿真使用 ANSYSMaxwell 三维建模，针对探头相关参数进行分析，主要包括：线圈匝数、激励信号频率、激励信号幅值与探头形状，确定其最佳参数。仿真流程如图 3 所示。确定求解域建立模型,设置材料属性激励设置与边界条件网格划分计算与后处理图 3 仿真流程图2.1 求解前处理求解域选用涡流场分析，系统模型分为 4 个部分：探头、线圈、待测试件、边界。探头材料采用电工纯铁，待测试件采用 45 号钢，尺寸为 230mm50mm3mm（长宽高）、边界设置 250mm70mm70mm，线圈材料设置为铜，线圈覆盖高度为 8mm，内部材料设置为空气。求解域选用涡流场分析，选择每个线圈模型中在 YZ 面中的横截面，添加线圈端子，设置线圈匝数以及缠绕方向，给激励线圈施加激励，添加绕组，在绕组中设置电压（绞线圈）、线圈电阻、电感以及激励电压幅值；检测线圈用于观察感应电压的变化，不需要施加激励。仿真系统模型如图 4 所示。网格划分采用手动划分，分别选择边界空气区域、探头、工件，指定网格操作，设置最大网格尺寸。空气区域网格尺寸较大，在主要模型区域细化网格，可以在保证计算精度的条件下减少计算量。添加求解步骤，收敛步数最大值设置为 15，设置正弦激励频率，其他参数采用默认选项。2.2 结果分析通过 Maxwell 电磁场计算分析，探头与工件构成的磁回路磁矢量线走向以及磁感应强度分布如图 5、6 所示，如图 5 所示，探头内四周激励探脚产生磁通量通过探头梁部汇聚到中心探脚上；图 6 为工件内磁感应强度的分布，图中可以看出，中心探脚附近的磁感应强度较强，距离中心探脚相等距离的磁感应强度分布较为均匀，符合理论分析结果。02040图 5 探头内磁矢量线走向(单位:mm)02040图 6 工件内磁感应强度分布图(单位:mm)2.2.1探脚高度仿真优化探头的尺寸、形状关系到探头磁阻，磁路中磁通量的大小。考虑到探头的安全便携与美观，检测探脚采取圆柱形状，激励探脚采用扇形体，弧度为20(结构如图 1 所示)。图 7 为探脚高度与感应电压与铁芯损耗的关系，探脚高度与感应电压和铁损近似为线性关系。感应电压随着探脚高度的变化缓慢的下降，变化范围很小，而铁损随着探脚高度的图 4 系统模型第50卷第1期袁润冲，等：应用磁导率检测的九脚探头仿真优化147变化较大，考虑到实际中缠绕激励线圈需要一定高度，探脚高度不宜过短。因此探脚高度选择 2025mm 之间较为合适。2.2.2激励频率仿真优化仿真通过测量铁磁回路（探头与铁磁材料构成的回路）与空气回路（探头与空气构成的回路）检测信号的差值，回路差值最大时即检测灵敏度最大，将检测灵敏度最大时的激励参数确定为最优参数。经实验发现，激励线圈匝数与最佳激励频率相关，最佳激励频率会随着激励线圈匝数变化而变化，仿真操作步骤为：在分析步骤设置频率扫描；在激励线圈中添加线圈匝数变量，同时需要对应公式设置绕组中电阻和电感变量。通过设置变量条件实现对线圈匝数的参数化扫描。图 8 为不同激励线圈匝数下的激励频率与回路差值的关系。图中可以看出，随着激励频率增加，检测灵敏度先上升后稳定不变；随着激励线圈匝数增大，检测灵敏度减小，且最佳激励频率减小。0246810121410 匝15 匝20 匝25 匝30 匝35 匝40 匝50100U/Vf/Hz15020图 8 不同匝数下激励频率与回路电压差值关系最佳激励频率选择不能过低，频率较低导致信号抗干扰能力较差，同时需要避免受到标准频率50Hz及其倍频的影响。根据图中数据，选择线圈匝数为15 匝，此时最佳激励频率为 120Hz。出现这种现象解释如下：根据式（4），当除频率外其他参数不变时，激励频率对感应电压的影响体现在频率与激励线圈阻抗的比值，式（4）可以改写成：U=aR2+(L)2(5)R式中：激励线圈电阻；L激励线圈电感；激励信号角频率；a定值。当激励频率较小时，线圈电阻的影响大于线圈电感的影响，随着激励频率增加，电阻的影响变小；当频率足够大时，电阻的影响可以忽略。激励频率与感应电压呈现出先上升后不变的趋势。b线圈电阻、电感与匝数相关，根据经验公式，当线圈匝数增加时，电阻变化小于电感变化，使感应电压到达稳定时所需的频率变小，即最佳激励频率变小；当处于最佳激励频率时，感应电压与激励线圈匝数的关系可表示为式（6），为常数。U=bNL(6)L=k1N2S1l1(7)k式中：长冈系数，由线圈尺寸决定；1磁芯磁导率；S1线圈横截面积；l1线圈长度。联立（6）、（7）可以看出，感应电压与激励线圈匝数成反比关系，随着激励线圈匝数增大，感应电压变小，检测灵敏度相应减小。2.2.3激励电压幅值仿真优化最佳激励电压幅值的确定也需要测量两回路的差值使检测灵敏度最大。仿真步骤设置为：在绕组处电压处添加变量，通过扫描分析设置变量条件。图 9 为不同激励线圈匝数下，激励电压与回路差值的关系。图中显示，随着激励线圈匝数的增加，检测灵敏度降低，但随着激励电压的增大检测灵敏度最终一致；激励线圈匝数为 10 匝时，随着激励电压的增大，检测灵敏度先上升，后缓慢下降，激励线圈匝数超过 10 匝时，检测灵敏度先上升后趋于不变。出现这种趋势的解释为：根据上节结论，在确203.03.23.4U/V3.63.84.0303540504555602530感应电压铁芯损耗3540Len/mmLoss/W图 7 探脚高度与感应电压、铁芯损耗关系148中国测试2024年1月定的激励电压下，激励线圈匝数增加，检测灵敏度减小；若要达到相同的检测灵敏度，激励线圈匝数越大所需激励电压也越大。图 10 为激励线圈匝数为 15 匝时，激励电压与双回路感应电压的关系。随着激励电压增大，铁磁回路感应电压先迅速增大后缓慢增大；空气回路感应电压不断增大。造成这种现象的原因是：根据式（4），在一定激励线圈匝数下，随着激励电压的增大，激励产生的磁场不断增大，通过检测线圈的磁通量增大。铁磁回路与空气回路的检测电压均呈现一个上升的趋势；随着激励电压不断增大，铁磁材料进入饱和阶段，铁磁回路感应电压缓慢增大；而空气作为磁回路不存在达到饱和，空气回路电压持续增大；两条回路差值先增大后趋于不变。当激励电压为 15V 时，回路差值最大，即检测灵敏度最大，但可以看出，激励电压为 8V 时与激励电压为 15V 时，检测灵敏度相差很小，实际中为节约系统能量，激励电压可选取 8V。510152025303540激励电压/V05101520铁磁回路空气回路回路差值U/V图 10 激励电压与双回路感应电压关系2.2.4检测线圈匝数仿真优化在频率 120Hz，激励电压 8V，激励线圈匝数15 匝的条件下，对检测线圈匝数进行参数化扫描，检测线圈匝数与回路差值的关系如图 11 所示，检测灵敏度随检测线圈匝数增加线性增大。由式（4）可以看出，检测线圈匝数与感应电压成正比关系，实际结果与理论契合。实际制作中可适量调整检测线圈匝数达到检测要求。1020304050检测线圈匝数607080901001234567891110U/V图 11 检测线圈与回路差值关系3 力磁耦合仿真根据对探头模型参数的有限元分析，最终选取激励频率 120Hz，激励电压 8V，激励线圈 15 匝，总激励线圈匝数为 120 匝。检测线圈 80 匝。采用AnsysWorkbench 中 Maxwell 与 Staticstructural 两个模块进行力磁耦合分析，待测试件为 45 号钢，模型材料参数如表 1 所示，建立模型，对待测试件进行网格划分，试件有限元模型如图 12 所示。表 1 材料参数设置单位E/GPas/MPab/MPa数值2093556000255075100图 12 试件有限元模型(单位:mm)试件一端施加固定约束，另一端施加25300MPa的拉力，建立静力学分析与 Maxwell 的数据共享，将静力学分析变形后的结果作为外部载荷传递到Maxwell 中进行计算，图 13 表示不同拉力时，探头感应电压的变化情况。由于试件受拉应力作用，待测试件内磁阻增大，磁导率减小，探头感应电压随510152025303540激励电压/V0246810121614U/V10 匝15 匝20 匝25 匝30 匝35 匝40 匝图 9 不同匝数下激励电压与回路差值关系第50卷第1期袁润冲，等：应用磁导率检测的九脚探头仿真优化149着外加拉应力的增大而减小，变化幅值可达到940mV。06.46.66.87.07.27.47.67.88.050100150/MPaU/V200250300图 13 应力-检测信号变化关系4 结束语通过对探头检测原理的推导，得出了影响探头检测灵敏度的主要因素，针对激励频率、激励电压幅值、激励线圈匝数和检测线圈匝数 4 个影响因素进行仿真分析。并对被测试件进行静力学分析，得到了不同载荷下检测信号的变化趋势，后续将采取实验对理论分析与仿真结果进行验证。参考文献 周诗琦,王连庆,马文江.460MPa 耐火钢高温硬度试验测试研究 J.中国测试,2022,48(4):1-5.ZHOUSQ,WANGLQ,MAWJ.Hightemperaturehardnesstest of 460 MPa refractory steel trial study J.ChinaMeasurementTest,2022,48(4):1-5.1王树,高丽,冯影,等.Ni45Co5Mn35In13.8Gd1.2 磁记忆合金的相变与磁热效应 J.磁性材料及器件,2021,52(4):16-21.WANGS,GAOL,FENGY,etal.PhasetransformationandmagnetocaloriceffectofNi45Co5Mn35In13.8Gd1.2magneticmemoryalloyJ.JournalofMagneticMaterialsandDevices,2021,52(1):16-21.2张杰,吴继权.扶梯桁架开裂失效分析 J.中国特种设备安全,2018,34(5):54-58.ZHANGJ,WUJQ.FailureanalysisofescalatortrusscrackingJ.ChinaSpecialEquipmentSafetyQuan,2018,34(5):54-58.3刘关四,丁克勤,靳慧.起重机械结构健康监测测点决策方法研究 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