电磁法检测传感器的设计及仿真

王广林

(陕西国防工业职业技术学院，西安 710300)

1 几种聚焦的瞬变电磁探头

根据调研资料可知，目前瞬变电磁聚焦探头都是通过线圈组合的方式实现磁聚焦的，其利用电磁场是矢量，使多个线圈组成合理的结构，目的是使探头中间部位的磁力线更加密集，从而增加磁感应强度，达到聚焦的功能[1-2]。磁聚焦结构主要有半球型、“8”字型、下塔型及矩形阵列等(见图1)，利用ANSYS Maxwell有限元软件对上述聚焦线圈建立模型，得到距离该线圈垂直向下1 m处的磁感应强度，4种聚焦线圈参数如表1所示。

表1 4种聚焦线圈参数

图1 4种聚焦探头结构示意

仿真结果表明：4种线圈可以满足聚焦效果，其中“8”字型聚焦效果最好，制作加工最难；下塔型聚焦效果一般；半球型和矩形阵列型聚焦效果较好，但是矩形阵列型线圈比半球型线圈制造加工更为方便。

上述4种线圈结构通过仿真都能达到聚焦的效果，但是在实际使用过程中需要非铁磁性支架来辅助完成检测工作，多个线圈组合之间的互感效应较强、重量大且操作难度高，影响检测结果的准确性。因此笔者设计了一种新型聚焦探头，不仅可以减少组合线圈的数量，而且可以利用铁磁性材料对磁力线进行束缚，达到磁聚焦的效果，设计的探头质量小、使用方便、互感效应小及聚焦能力强。

2 瞬变电磁聚焦探头设计及工作原理

2.1 瞬变电磁聚焦探头结构设计

瞬变电磁法的传统探头为单线圈形式，电磁场主要集中在直径为1 m的圆形区域，磁感应强度B=1.210 0×10-5T。为了提高检测范围和精度，设计要求磁场聚焦范围为直径0.8 m的圆形区域，磁感应强度大于1.210 0×10-5T。设计原则是探头的安全稳定性高、电磁互感效应小及设备轻便等，图2为聚焦探头总体结构示意。

瞬变电磁聚焦探头包括梯形骨架、圆柱形骨架，梯形骨架和圆柱形骨架外部采用漆包线缠绕形成激发线圈和检测线圈，激发线圈安装有信号线2，用来连接外界电源设备，检测线圈安装有信号线1，用来连接外界数据处理设备，两线圈之间有磁芯，磁芯内外两侧有一层绝缘体四氟布，主要用于减小互感效应，获得频率丰富且聚焦的空间电磁场。

2.2 瞬变电磁聚焦探头工作原理

该聚焦探头的聚焦原理是通过信号线给激发线圈施加阶跃型信号，在高电压时空间形成稳定的一次磁场。由于该探头结构为梯形，对外界电磁场进行束缚，然后经过圆柱形磁芯后进一步得到集中的聚焦效果，一次磁场扩散到空间后穿过金属管道，在金属管道表面形成涡流。在低电压时，涡流逐渐减小，金属管体和周围介质存在电阻，会影响涡流减小的速率，在空间形成二次磁场，二次磁场包含管道壁厚、埋深及电阻等信息，其被地面上的检测线圈接收并以电压的形式表示，再通过信号线传输到外界数据处理系统，用来评价管体腐蚀情况。该聚焦探头能够提高局部缺陷的检出率[3-5]。电磁聚焦探头总体结构如图2所示。

图2 电磁聚焦探头总体结构示意

3 有限元仿真

3.1 建立仿真模型

根据瞬变电磁法工作原理，建立探头仿真模型(见图3)，模型包含:激发线圈、检测线圈、四氟布、磁芯及空气介质等。其中，激发线圈和检测线圈是多层漆包线缠绕而成的，采用实心薄壁圆环柱替代，可对线圈进行简化。利用ANSYS Maxwell软件中3D(三维)模块进行参数化建模，参数化建模有利于进一步研究探头尺寸对聚焦效果的影响，求解器选择Transient瞬态求解[6-7]。首先，设置求解区域，有限元计算要得到准确的结果，需要满足求解区域封闭，设置本次求解域为2.5 m×2.5 m×2.5 m，求解域远大于模型本身有利于提高和实现使用的真实性及计算精度，网格精度△x=△y=△z=0.2 m。探头位于整个求解域几何中心(x=0,y=0,z=0)，激发线圈和检测线圈网格精度△x=△y=△z=0.01 m，磁芯网格精度△x=△y=△z=0.2 m，网格精度划分越细，计算精度越高，但计算时间越长，因此要合理地选择网格精度，表2为模型的基本参数。

图3 探头仿真模型

表2 仿真模型的基本参数

3.2 激励信号电路设计

瞬变电磁法的激励信号为阶跃型信号(见图4)，为了实现该技术，采用ANSYS Maxwell仿真软件中的circuit editor电路设计模块联合仿真，利用绕组耦合实现激励信号的施加和有效信号的提取。信号具体参数为：周期T=1 s，持续时间t1=0.5T，电压U=12 V，信号占空比为50%，上升和下降时间为t2=0.2 μs，电路中设置电阻R=12 Ω。激励电路设计如图5所示。

图4 激励信号波形

图5 激励电路设计图

3.3 仿真结果分析

通过有限元仿真软件模拟聚焦探头，设置合理的网格大小和求解器。计算得出该聚焦探头垂直向下1 m处的电磁场分布情况及磁感应强度梯度曲线(见图6，7)。通过图8了解到，磁感应强度B=1.534×10-5T，磁场主要分布范围半径R=290 mm，为了确定该聚焦探头的聚焦效果，对传统探头也进行有限元仿真，激励信号大小相同，获得传统探头垂直向下1 m处的磁场分布及磁感应强度梯度图(见图8,9)，可以看出磁场覆盖范围R=500 mm，磁感应强度B=1.210 0×10-5T。通过对比可知，该聚焦探头磁场分布范围比传统探头的缩小了42%，中心磁感应强度比传统线圈的增大了36.78%，确定了该聚焦结构的合理性及有效性。

图6 聚焦探头磁场分布云图

图7 聚焦磁感应强度梯度曲线

图8 传统线圈磁场分布云图

图9 传统线圈磁感应强度梯度曲线

4 结语

根据设计要求设计了瞬变电磁聚焦探头，其主要由激发线圈、检测线圈、四氟布、内外层骨架及磁芯等组成。利用有限元仿真验证了该结构的合理性及聚焦的有效性，通过与传统探头的结果进行分析对比，结果表明：该聚焦探头磁场分布范围比传统探头的缩小了42%，中心磁感应强度比传统线圈的增大了36.78%，满足设计要求。为瞬变电磁法在埋地金属管道上的局部检测提供了关键部件，能确保检测精度和检测效率，可进一步为瞬变电磁法探头的优化设计和应用提供参考。