地下金属管线无损检测仪中涡流传感器的阻抗分析.docx

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Summary:在本研究中阐述了地下金属管线损伤探测中电磁涡流无损检测技术的实际应用,并结合电涡流检测的方法原理,设计基于电磁插动传感器检测系统,以能够实现物流传感器阻抗分析。能够对不同长度、深度材料的地下金属管线实现实验探究。通过采集信号结果发现,阻抗变化特征值与金属缺陷特征相对应,通过实验分析和理论分析证明了该系统能够准确进行地下金属管线表面和内部损伤检测,能够为涡流传感器线圈结构设计提供重要的理论参考。
Keys:地下金属管线无损检测仪中涡流传感器的阻抗分析
在本研究中基于电磁涡流的原理,并且使用正弦电流作为激励方法来设计裂纹检测系统,对不同材料、长度的裂纹进行实时探测,并分析所采集的数据,可知所检测的所设计的系统能够对地下金属管线损伤情况实现良好检测。
1探伤传感器的结构及运行原理分析
在本研究中探伤传感器也被称为是差动式涡流传感器,是由差分检测线圈结构以及,励磁线圈构成的,其中一端为主动感应端,而另一端是参考端。为确保传感器的灵敏度,从一定程度上来看,在导线直径上绕至激励线圈和检测线圈铜质导线具有一定的对比度,当励磁线圈有一定频率正弦交变电流通过时,此时被检测金属管线中形成的感应电流是与励磁线圈电流保持平行的。而被测样品与该电流方向相互垂直的裂纹对于样品感应电流产生的影响,能够从传感器检测线圈感应电动势进行反映。
当励磁信号通入励磁电路中之后,会形成励磁的主磁场,即一次磁场,之后导电材料会形成涡流磁场即二次磁场。传感器感应端为差分结构,主动感应端能够用于一次、二次磁场感应,接收端参考端主要用于二次磁场感应接收,因此参考端和主感应端所检测信号差值即二次磁场对传感器产生的影响,也就是说是感应涡流磁场对传感器产生的影响。二次磁场强度是随地下金属管线的裂纹不同而存在差异的,因此所检测的感应差压信号是随裂纹情况而发生变化的。差压信号会通过放大滤波获得与裂缝相关的特征信号,在实际开展涡流检测过程中,处于正弦激励信号下利用涡流效应金属样品会形成电波流,其形状是类似多闸叠加线圈,通过电流进而会使金属管线形成线圈。从一定程度上可以将金属管线和传感器线圈作为电感耦合变压器模型,在该模型中金属管线为次级线圈。在具体实验过程中,线圈是由铜漆线包制形成的,除自身电阻之外,同时还包含线圈电流,各轧线圈的分布电容,一般来说这种分布电容较小,基本可以忽略不计。因此在实际应用中可使用电阻进行电感串联,用于代表金属线圈线圈阻抗,也从一定程度上被认为是导线电阻以及线圈感抗这两个部分构成的。如下公式所示,Z=R+jX,在该公式中激励信号角频率用w表示,
线圈电感用l表示,当金属管线靠近线圈时会在管线中形成涡流,进一步产生涡流场,这对于线圈磁场来说会造成一定影响,这种影响可使用互感进行表述。如下所示为其等效电路模型图,
在该模型中,传感器的线圈电阻,电抗,电流分别用R1,L1和I1进行表示,地下金属管线电阻,电感,电流分别用R2,L2,I2进行表示,线圈励磁角频率可以用w表示,结合相量计算可得到下列公式。
之后通过上述公式可获得地下金属管线影响,之后的传感器线圈总阻阻抗值,该阻抗值如下公式所示,进一步获得线圈的等效感抗和电阻。根据该公式,可以发现当地下金属管线参数发生一定变化时,即金属管线的电阻,电感发生变化,进而会导致检测线圈阻抗值发生一定的变化。折合电阻是指副边导致原边阻抗发生变化的值,如下公式所示,
视在阻抗和折合阻抗的定义,视在阻抗变化主要是因为折合阻抗导致的,该变化是引起线圈电流或电压发生变化的主要原因,进一步可以发现在原边电路中是在阻抗的变化,可推导原边,副边对原边产生的影响。通过分析该变化
可获得被检测金属管线的部分参数,励磁强度是随深度增加逐渐减小的,主要集中于导体表面即趋肤效应,尤其在半无限平面导体部电流密度,磁场强度的大小,密度降低到表面1/e倍,也就是36%,该位置是平面电磁场的渗透深度或者趋肤深度,如下公式所示。
在该公式中,正弦激励信号频率用f表示,真空磁导率,导体相对磁导率,导体电导率分别用于u0,u和表示,根据涡流趋肤深度通常将电涡流传感器,结合励磁电源频率分为高频和低频透射式电涡流传感器。一般来说,前者应用于非接触式位移变量检测或者可运用于地下金属管线裂纹长度探测。
2线圈矢量磁位以及相应的阻抗分析
在涡流传感器中检测线圈是其重要构成,线圈的质量将从一定程度上影响仪器质量,在实际使用过程中需要考虑测试条件,用途,形状,进而选择合适的参数。在本研究中基于理论分析的前提下,能够构建涡流检测线圈模型。在其外部可放置同轴通电圆环线圈,其模型如上,假设p’代表圆环线圈半径,在磁芯中心为坐标原点,磁芯轴线与z轴保持重合,在平面走向坐标中两个对称圆环线圈坐标分别为z’以及-z’。对于各场区矢量磁位结果发现,对称磁场是轴对称场,因此该在磁场中矢量磁位A,仅存在周向分量,且与轴向坐标无直接相关系。为便于求解,能够将场域沿着径向分为三个区域,如下所示。
进一步求出各个场区的矢量磁位表达式。
结合叠加原理能够获得在某一坐标点位置整个线圈的矢量磁位A,对于线圈阻抗分析来说对于轴对称时谐电磁场,其相对应的线圈阻抗如下公式所示,
在该公式中角频率,匝数密度,线圈绕线区域占据体积分别用w,nc和vc表示,由于A点处于矢量磁位轴向分量,因此可以将不同场区A表达公式带入上述公式中,可获得密绕圆柱线圈阻抗计算公式。
在上述公式中两个公式分别是由入射场和散射场形成的阻抗,第二个公式是指当磁芯插入空心圆柱线圈形成的阻抗增量。在后续仿真分析时,为确定结构参数对传感器性能产生的影响,分别针对线圈阻抗在磁芯高度,半径,磁导率,工作频率单一作用下的具体变化情况,结果发现,线圈阻抗增量是随频率磁导率,磁性高度,半径增加逐渐增加,且与工作频率,磁性半径,呈现线性递增关系。当磁芯高度低于50毫米这种情况下,线圈阻抗增量较大,这种情况下不利于实现精确检测,当u高于100毫米,高度高于200毫米,这种情况下线圈阻抗不会发生变化。需要结合实际情况使用磁性材料为铁镍合金,制作不同参数线圈,可以发现,对不同参数线圈阻抗计算值与测试值进行比较,当磁芯高度为100毫米时,此时计算值阻抗的计算值与测量值误差最小。
小结
在本研究中检测传感器具有良好精密度,需要提高磁导率,磁性半径并选择合适工作频率,对于磁性高度参数来说磁性高度越大其线圈的阻抗作用越高,尤其针对地下金属管线检测仪传感器,在设计过程中需要结合传感器的使用要求,性能,选择合适的结构参数。
Reference
赵云利,于铁成,周群,[J].无损检测,2019,041(001):48-52.
[D].2019.
王永锋,张克,[J].工业计量,2019,029(003):4-6.
 
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