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1、金屬材料缺陷非破壞性測試之電磁場分析金屬材料缺陷非破壞性測試之電磁場分析 Wear Non-destructiveness Testing With The Electromagnetic Field Analysis For Plant Material 計畫編號NSC 92-2213-E-151-017 計畫主持人：蘇琨祥 副教授 國立高雄應用科技大學電機工程系 Department of Electrical Engineering National Kaohsiung University of Applied Sciences 摘要 本研究計畫報告主要針對目前盛行之渦電流精密檢測技
2、術，用來檢查金屬材料各種形狀和程度不同的缺陷與腐蝕， 配合有限元素法分析模擬建立一個有理論依據之模式。在不 同的材質包括導磁率、導電率及金屬材料厚度和缺陷形狀 等，經過事先各種不同情況的設定，可實際獲得檢測時電磁 場之分佈情形和渦電流大小與分佈狀況，以有限元素法之分 析模擬來輔助渦電流檢測之訊號分析，進而依此結果來評估 金屬表面鍍層及不同形狀特性之功能。 關鍵詞：渦電流、金屬腐蝕缺陷、電磁場分析。 Abstract This project is aimed to test various shapes, different level faults, and corroding of pla
3、nt material with the eddy current precision testing. According to the finite element method, electromagnetic field and eddy current distribution was solved in different materials including permeability, conductivity, plant material thickness, and wear shapes. The simulation results based on the fini
4、te element method are compared with the impedance figures of the eddy current precision testing to estimate corroding of shapes and depth. Keywords: Eddy current, Plate fretting wear, Electromagnetic field analysis. I.前言 在近十年，渦電流技術對於非破壞檢測已經成熟發 展。例如掃頻式渦電流與脈衝式渦電流及遙場渦電流方 法，這幾年渦電流技術研究方向主要使用電磁式渦電流 相關技術在工
5、業上各種非破壞性檢測應用，使用到關鍵 性技術有時域之脈衝式渦電流、頻域之掃頻式渦 電流及光感等技術，其中光感結合熱波與傳 統渦電流技術視為全世界絕無僅有的革命性技術，各種 非破壞性檢測技術己成功使用於許多的檢測應用中。檢 測目的包括金屬厚度測試、穿透深度量測、隱藏性腐 蝕、塗層特性、金屬表面及次表瑕疵檢測。目前渦電流 電磁檢測已成為精確且被廣泛應用的檢測技術1-5。 本文可分成五節，第一節為前言，包括渦電流技術 介紹與研究動機及目的。第二節介紹渦電流檢測等效電 路與金屬待測物的形狀模型。第三節為系統架構介紹渦 電流感測器電路架構與檢測探頭電路的設計，第四節為 軟體介紹，說明何謂有限元素法及如何
6、使用有限元素分 析軟體來幫助分析渦電流檢測問題。第五節為模擬結 果，詳細說明線圈磁場靠近金屬材質產生渦電流效應對於金屬鍍層厚度及不同形狀的金屬待測物來做分析。第 六節為結論，提出研究心得及改進方向。 II.渦電流檢測等效電路 一段通過電流的導線會在其周圍產生磁場，由法拉 第定理瞭解到，若通過一線圈內之磁通隨著時間產生變 化時，則該線圈將產生一感應電勢，其大小與線圈之匝 數及磁通之變化率成正比。若把線圈的兩端短路或經一 阻抗連接，則線圈中感應電壓所引起的電流(Induce Current)，依據楞次定律將產生一磁場反抗外加磁場的 變化，如果時變的磁場垂直通過一平面導體，可視同很 多同心圓所組成的
7、平面導體與時變的磁場磁交鏈，同心 圓導體感應出形同漩渦式的電流，所以稱此電流為渦電 流(Eddy Current)，渦電流顯示出感應電流所組成的形 狀。而安培定律說明了電流如何產生磁場：環繞任一閉 合路徑之磁場強度的線積分，必等於該閉合路徑中所包 含之全部電流，可寫成 =IdlH （1） H為電流I所產生的磁場強度，利用一簡單磁路 來應用安培定律：假設鐵心內部磁場無漏磁，假設鐵心 是由鐵磁材料所製成，則由電流所產生的磁場會被限制 在鐵心內，安培定律中的積分路徑就等於鐵心的平均長度l，此時線圈有匝，其流有電流i時，穿越積分路徑的電流cN I為，因此安培定律變成 NiNiHl = （2） 由電流
8、I 所產生的總磁通為： clNiABA= （3） 可看出鐵心線圈中的電流在鐵心內產生磁通，這現 象和電壓在電路中產生電流的情形類似，所以一鐵心變 壓器可用磁路的模式來簡化。 將電源直接跨在變壓器的一次繞組，則在一次側鐵 心會產生一磁通，但這些一次側產生的磁通不一定都能 穿過二次側，有一部份磁通脫離了鐵心跑到空氣中了， 這些僅能通過變壓器一邊鐵心而不與另一邊鐵心上的 線圈產生磁交鏈的磁通稱之為漏磁。因此變壓器一次側1 鐵心的磁通可分成兩個分量，一個為通過兩側繞組部分 稱之為互磁通，另一為通過一次側繞組，但不通過二次 側繞組的部份稱之為漏磁通6。 考慮以實際使用的變壓器來建立一等效電路。銅 損：一
9、次和二次繞組中的電阻損失，分別用 Rp和 Rs來 取代。鐵心的激磁效應：其磁化電流正比於供應至鐵心 的電壓且相位落後 90 ， 可用一電感 Lm跨在一次側電源 來取代。鐵心損失電流正比於供應至鐵心的電壓且相位 相同，可用一電阻 Rc跨在一次側電源來取代。漏磁通： 產生一次和二次線圈的自感，分別以 Lp和 Ls表示。 渦電流檢測儀器，主要是以線圈繞在一探針上接上 適當頻率的電源以產生電磁場，由磁場與導體之磁耦合 狀況及阻抗之變化來評估材料是否有腐蝕缺陷。建立等 效電路時繞在探針上之線圈可視同變壓器一次側繞 組，加上適當頻率之定電流源後所產生磁場與導體形成 磁耦合現象，而待測物可視同二次側繞組，由
10、很多環狀 閉迴路線圈支路所並聯組合而成，每一支路因磁耦合程 度之多寡而感應出大小不同之感應電流。以中心點 （Rs1，Ls1）為基準向兩端延伸，假設探針線圈位於管 子中心點，依對稱軸關係其中一邊可由圖 1 來表示。 圖 1 渦電流檢測等效電路 III.系統架構 由石英振盪器所產生某設定頻率之正弦波激磁電 壓，經過變壓器提高其振幅輸出後，供給探測線圈探 頭，由於探頭內二組線圈阻抗不相等，故在探測前須先 與平衡，以消除二者之間電壓差異，多數平衡裝置運用 了交流電橋(AC Bridge)或減去不平衡之電壓來完成(一 般阻抗失配容許量 5%)，平衡之線圈在執行探傷時，就 會在被測物瑕疵處產生微弱之不平衡
11、正弦波電壓訊 號，經過放大器將其訊號放大輸出，但此訊號通常還是 不易去分析，尚須經過交直流轉換電路轉換成直流電訊 號，並且仍然需要保留交流電訊號之振幅及相位特性， 而為了減少儀器之雜訊，在直流訊號輸出前加上一濾波 器，通常訊號與訊號雜訊比之比值為 3:1 以上，此時須 注意濾波後會減低頻率反應而影響檢視速度，再將其訊 號輸出至直流電表，其電路系統架構如圖 2。 多數渦電流儀器運用交流電橋原理，來探測線圈間 或單一線圈與參考線圈間之微量阻抗變化，一般簡單之 電橋電路如圖 3 所示，四支臂代表不同之阻抗，測量時 可調整一阻抗臂或交替調整兩阻抗臂以求平衡。平衡狀 況可由輸出端電位之瞬間值相同得知，亦
12、即在任何時 AC 電位差為零。其條件為 BA 與 BC 間兩壓降相等， 此時不但其大小應相等，同時其相位亦應相同，以下是 由圖 3 以推倒出平衡電橋條件： )()(32324141+=+ZZZZ （4） 由式(4)可知，當電橋平衡時，必須滿足如下兩條件 3241ZZZZ=， )()(3241+=+ （5） 即每兩相對電橋阻抗大小之乘積，應相等且其相角 和亦相同，如果阻抗大小或者相角不同時，電橋將會失 去平衡，而輸出不平衡電壓。圖 4 為渦電流感測之裂縫 探傷儀具電橋電路。 振盪器供給給電橋線路交流，其中一支臂係由單一 線圈組成，並包括並聯一電容，其 LC 線路在某一特定 之頻率 (LCr21=
13、f)下可以完成共振作用，獲得最高的 輸出電壓測量前，線圈先置於被檢物無缺陷部分，調整 ，使電橋平衡當探測線圈被移到缺陷處時，電 橋失衡導致有電壓訊號輸出。 42, RR由於訊差放大器輸入阻抗太低，且增益的調整需同 時改變兩個電阻，並不適用於微小訊號的放大。所以使 用改良的放大器，如圖 5 所示。 Rp Lp Rc Lm Rs1 Ls1 LsA LsB LsCRsA RsB RsC A B CI2 IS1 Im Sint 石英 振盪器電橋電路放大器交直流 轉換器放大器 與 濾波器電壓輸出高頻 變壓器探頭金屬待側物圖 2 渦電流感測器電路架構 Z 1Z 2Z 3Z 4輸 入 電 壓輸 出 電 壓Z
14、 1Z 2Z 3Z 4輸 入 電 壓輸 出 電 壓I1I2ABCDI1I2ABCD圖 3 一般電橋線路 R 1R 2R 4R 1R 2R 4探測 線圈壓器石英 振盪 器探測 線圈壓器石英 振盪 器高頻變高頻變待測物電壓輸出待測物電壓輸出R 5R 5增益調整增益調整C 3R 3C 3R 3圖 4 裂縫探傷儀具電橋電路 2 R 1 1 0 K- +-+- + 1 5- 1 5+ 1 5+ 1 5- 1 5- 1 5R 2 1 2 0 KR 2 1 2 0 K1 M1 M1 M1 M1 0 K1 0 0 K3K1 0 K1 0 KV R 1+-V o+-V o+ 1 5- 1 5交直流轉 換器交直流
15、轉 換器R 3R 4R 3R 4I 1V 1V 2V o 1V o 2A 1A 2A 3圖 5 放大電路 電路分成兩級：第一級由及其相關的電阻所組成，第二級由及其相關電阻所組成。事實上，第二級就是訊差放大器，整個電路工作原 理為： 21,AA21,RR3A43,RR(12 34 oooVVRRV=) （6） 再分析前面一級的動作，我們設運算放大器都是理 想放大器。因此輸入端的電壓差為零，故I的電流為此電流完全流過(運算放大器的輸入電流為零)，運算放 大器電路增益為： 12R)21 ()(123421RR RR VVVAo v+= （7） 兩輸入均加到運算放大器的非反向輸入端，故輸入阻抗理論上為無窮大，而增益的調整則須改變即 可，而此儀表放大器的第一級放大電路增益約25倍， 第二級放大電路則提供16倍的電路增益。 1RIV.有限元素法及軟體介紹 有限元素法（Finite Element Method, FEM）是一種 能求得許多工程問題近似解的數值分析技巧，亦是目前 在工程分析上最常被使用的工具之一，早期多偏重於結 構力學、熱傳學或機械方面問題之處理分析，今則應用 通信、光纖、電磁、微波工程等方面的使用。其所以有 如此廣泛的應用，主要是真實狀況中，對複雜的幾何外 形且連續性場的問題，難以求得解答。而有限元素 法式利用離散化的過程，將複雜的結構分割成許多小的
