基于场路耦合的涡流检测的数值模拟

涡流检测是材料无损评价和检测领域中一种重要而广泛使用的方法,大量应用于核能、航空和航天、海洋、高压、高温等工程系统的金属材料的检测[1]。

涡流检测的基本问题是确定被测物体的物理特性、几何尺寸及缺陷等因素与检测线圈电参数变化之间的联系。通常对处于电磁场中物体及其周围的空间列出电磁场方程组(Maxwell方程组)及定解条件,然后进行计算求解。对电磁场的求解大多采用有限元方法[2]。

有限元法求解电磁场问题时,通常需要知道电流源的分布。从目前发表的涡流检测数值仿真文献[3-5]来看,基本上是通过设置电流激励进行求解分析,即采用电流源激励。这与实际的涡流检测系统并不相符。实际涡流系统大多采用电压源电路激励,电磁场的变化(由被测体参数如缺陷、提离等变化引起)将引起探头阻抗变化,进而引起电路中激励电流变化,使探头产生的电磁场随之发生变化。因此,涡流检测电磁场与电路参数是耦合在一起的。采用电流源仿真计算,忽略了检测电磁场对激励电路(激励电流)的影响,在计算精度上会存在问题。同时,现有涡流检测仿真结果局限在电磁场的分布,没有对传感器输出信号进行计算,因此对探头的优化设计缺少直接的数值计算依据。

针对上述涡流检测数值模拟方法的不足,本文考虑涡流检测中电路与电磁场的相互耦合关系,提出基于场路耦合的涡流检测数值模拟方法。最后以高温气冷堆燃料球的检测为例进行仿真模拟。

1　场路耦合模型

1.1　场路耦合物理模型

涡流检测场路耦合的物理模型如图1所示,Ω1为涡流区,含有导电介质但不含源电流;Ω2为非涡流区,含有给定的源电流;ΓC为Ω1和Ω2的内部交界面,nC为ΓC的法向向量;Ω2的外边界分为ΓB和ΓH两部分,ΓB上已知磁场强度法向分量,ΓH上已知磁场强度切向分量; Ue为施加在激励线圈上的交变电压, Ie为激励线圈中的电流; r为检测线圈负载, Uo为其输出的检测电压, Io为该电路电流。

电压源激励电路通过在激励线圈上施加交变电压,在涡流检测区域产生交变电磁场。该交变电磁场在导电受检材料中引起涡流,从而产生涡流电磁场。涡流电磁场与原激励电磁场共同作用在检测线圈上,产生检测感应电压(Uo)。因此,受检材料中影响涡流的各因素(如电导率、磁导率、形状尺寸和缺陷等)的变化都将反映在检测电压(Uo)的幅值和相位变化上。

为实现涡流检测过程的数值模拟,本文在涡流检测区域内将激励线圈和检测线圈按“场”的观点进行电磁场计算,而在电路上将这些线圈与电阻、电源、电感、电容等集中参数相连。这样以电压源为激励、电流作为未知量进行处理符合涡流检测的实际情况。由于作为“场源”的电流Ie需满足电路的外加电压约束,因此该方法可以通过改变电压源参数(电压、频率)仿真模拟电路参数对检测结果(Uo)的影响,也可通过改变探头结构和几何参数研究检测信号(Uo)的变化,从而为涡流检测参数优化和探头的优化设计提供理论指导。