电涡流检测系统的仿真分析与实验研究

张荣华 刘建旭

(天津工业大学电气工程与自动化学院)

电涡流检测系统的仿真分析与实验研究

张荣华 刘建旭

(天津工业大学电气工程与自动化学院)

设计了一个EC-AMR电涡流检测系统。运用基于有限元分析法的COMSOL软件对影响检测结果的主要因素进行仿真分析，并将结果应用于实验中。实验选择异向磁阻三轴磁场传感器HMC1043感应空间磁场的变化，由STM32处理器进行数据采集、处理与显示，实现了铝板表面微小缺陷的高灵敏、显著检测。

电涡流检测系统 铝板表面缺陷 AMR传感器 STM32 PCB板线圈 COMSOL

涡流检测的工作原理是建立在电磁技术基础上的，当被测样品处在变化的磁场周围时，其内部会产生相应的涡流，而涡流的变化和被测样品有很大关系。当被测样品表面有缺陷时，其涡流产生的磁场会发生变化，此时利用磁传感器就能对其变化做出相应的输出，进而获得非铁磁性材料的磁导率、缺陷位置及厚度等参数。工业领域中的航空飞机精密部件，如机翼和机身铆接处，在飞行中由于机械应力的作用极易产生机械损伤[1]。但是常规的涡流缺陷检测技术，如滑动涡流(Eddy Current,EC)探针、自动调零EC探针等对缺陷的检测灵敏度和表征效果不是特别显著[2～4]。为此，笔者设计了一个电涡流检测系统，利用COMSOL软件对线圈的提离高度、匝数和位置进行仿真分析，同时在实验中利用各向异性磁阻(Anisotropic Magneto Resistive,AMR)传感器和STM32处理器进行数据采集与处理，以实现铝板表面微小缺陷的检测。

1 系统设计

1.1 总体结构

电涡流检测系统的总体结构框图如图1所示。系统主要包括信号源部分、探头部分、电源模块和结果处理部分。首先给PCB线圈通入两路经过电流源处理后的正弦电流信号，设置电流源是为了将电压激励变为电流激励，从而降低信噪比。传感器沿探头灵敏轴方向扫描铝板，数据经过STM32处理器采集显示后，将数据经过串口上传给上位机并进行分析处理，以此来表征铝板的缺陷信息。

图1 电涡流检测系统的总体结构框图

1.2 硬件部分

HMC1043是一种采用霍尼韦尔AMR技术的微型三轴磁场传感器，一般应用在需要检测微弱磁场变化的装置中。HMC1043磁场传感器的测量范围为-6～6Gs，能够达到本系统精度的要求。

利用STM32给入的S/R置位脉冲信号频率，得到需要的实验检测频率，进而对外部磁场进行检测。 励磁信号发生器选用PXI-5412板卡。PXI-5412是一款100MS/s的任意波形发生器，其失真小于20ps。PXI-5412板卡产生的正弦激励信号经电流源处理后给两个励磁线圈[5～7]。

线圈选择PCB板线圈，匝数200匝，电流0.1A，提离高度1.5mm。

采集系统结构如图2所示。

图2 采集系统结构示意图

1.3 软件部分

STM32软件编程环境选择Keil5，编程中首先需产生一个脉冲信号，当捕获到脉冲信号的上升沿时(只有到达上升沿时，传感器才能正常采集磁场信息)开启STM32的AD转换功能。程序设计采用模块化的设计方法，主要有系统初始化、中断、参数选择、采集、滤波和结果分析显示6个模块，具体流程如图3所示。

图3 程序设计流程

电涡流检测系统在检测过程中的噪声主要来自高频部分，如探头的抖动等。所以选择简单的整系数低通滤波器来滤除部分的高频信号[8,9]，其系统函数与频率响应函数分别如下：

(1)

(2)

综合式(1)、(2)有：

(3)

将m=2、p=3代入式(3)求出转移函数：

转换为时域方程：

y(n)=3y(n-1)+y(n-3)-3y(n-2)+

x(n)-3x(n-2)+3x(n-4)-x(n-6)

在STM32处理器中，根据时域方程依靠加法运算即可实现低通滤波算法。

2 系统的仿真分析

2.1 建模

COMSOL Multiphysics以有限元法为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现真实物理现象的仿真。该软件可以灵活地建模，可以将实际的物理环境通过计算机重现在虚拟环境中并进行仿真。因此，笔者利用COMSOL软件对铝板构建模型并进行仿真。无缺陷时的仿真模型如图4所示，有缺陷时的仿真模型如图5所示。

图4 无缺陷时的仿真模型

图5 有缺陷时的仿真模型

初始仿真参数如下：

铝板厚度(thick) 3mm

线圈主半径R5mm

线圈次半径r2mm

线圈匝数N10

铝板边长L200mm

缺陷长CL2mm

缺陷宽CW0.1mm

缺陷深度CH0.3mm

缺陷Cx0mm

缺陷Cy0mm

缺陷Cz0mm

线圈夹角(theta) 0°

脉冲占空比tt0.5

脉冲周期T0.1ms

电流强度Ai0.1A

提离高度H0.7mm

线圈之间距离(Gap) 1mm

线圈x轴位置(Coil_X) 0mm

线圈y轴位置(Coil_Y) 0mm

2.2 仿真与结果分析

在涡流检测中，敏感线圈的设计起到至关重要的作用，其形状、尺寸及位置等参数对磁阻传感器的灵敏度和测量范围的影响很大。仿真采用矩形线圈，图6是单匝线圈铝板的仿真结果；改变线圈匝数为200匝时，其仿真结果如图7所示。对比图6、7可以看出改变匝数对检测结果的影响很小。

图6 单匝线圈铝板的仿真结果

图7 多匝线圈铝板的仿真结果

改变线圈提离高度，仿真结果如图8所示。可以看出，提离高度的不同对仿真结果影响很大，当提离高度为0.1mm时，结果失真；当提离高度过大时，结果不收敛。

图8 不同线圈提离高度的仿真结果

改变线圈位置，使矩形线圈平行放置在PCB的两侧，仿真结果如图9所示。根据奥斯特原理，在HMC1043芯片周围磁场得到了加强，系统的精确度和灵敏度得到了提高。

图9 矩形线圈平行放置在PCB两侧的仿真结果

由于两个线圈平行放置在PCB板两侧，将导致两个线圈具有不同的提离高度，因此该提离高度差异在进行缺陷分析时需要考虑进去，常用的方法是通过增加磁场幅值均值来补偿校准检测结果。

3 实验与结果分析

使用基于STM32处理器的电涡流检测系统对试件铝板表面进行涡流无损检测，缺陷尺寸为5mm×3mm×3mm，电动三轴匀速扫描铝板，速度2cm/s，正弦信号频率500Hz，采样频率2kHz，提离高度1.2mm，两次扫描结果如图10所示。当磁场强度为0.3mT时，对应的AMR传感器输出电压为8mV。图11为经过上位机分析得出的z轴方向输出相对电压与缺陷位置的关系，可以看出，系统在铝板没有缺陷的部分，电压输出恒定，当有缺陷时，电压出现突变，进而可以判定缺陷的存在，同时从结果中也可以提取出缺陷的特征信息。

图10 扫描结果

4 结束语

笔者针对常规涡流缺陷检测技术存在的灵敏度低和表征效果不显著问题，设计了一个电涡流检测系统。基于电涡流基本原理，利用仿真模型对影响涡流无损检测的因素进行仿真分析，得出合适的尺寸、线圈位置等参数。同时利用STM32对数据进行采集和传输，对电动三轴平台进行控制以调整合适的位置和速度。结果表明：该电涡流检测系统灵敏度高，AMR传感器体积小、成本低、电压范围小，系统在较宽的频率范围内线性灵敏度较好，能够有效检测紧固件上的微小缺陷。

图11 z轴方向的输出相对电压与缺陷位置关系

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SimulationAnalysisandExperimentalStudyonEddyCurrentDetectionSystem

ZHANG Rong-hua, LIU Jian-xu

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity)

The EC-AMR eddy current detection system was designed. Applying the finite element analysis-based COMSOL software to analyze factors which influencing detection results was implemented and the detection results were applied to the experiment. Through choosing HMC1043 triaxial magnetic field sensor with incongruous magnetic resistance to induct the change of space magnetic field and adopting STM32 processor to collect and process and display the data, both highly-sensitive detection and monitoring of small defects on the aluminium plate’s surface can be realized.

eddy current detection system, surface defect of aluminium plate, AMR sensor, STM32, PCB plate coil, COMSOL

TP216

A

1000-3932(2017)01-0016-05

声明

国家自然科学基金青年科学基金项目(61402330)；高等学校博士点转向科研基金项目(20131201120002)；天津市应用基础与前沿技术研究计划项目(15JCQNJC01500)；天津市高等学校科技发展基金项目(20140727)。

张荣华(1983-)，博士研究生，从事电磁涡流无损检测及其相关理论方面的研究。

联 系 人：刘建旭(1991-)，硕士研究生，从事电涡流无损检测及其应用方面的研究，623225503@qq.com。

2016-06-29)

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