史洪源，陳金貴，任尚坤

（1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.廈門艾帝爾電子科技有限公司，廈門 361008）

交變磁場測量技術(shù)又稱ACFM（Alternative current field measurement），交變磁場檢測和渦流檢測技術(shù)是兩種常用的對金屬整體結(jié)構(gòu)評價(jià)的無損檢測方法［1］。在待測工件中通以交變電流，此時(shí)工件表面外空間產(chǎn)生交變磁場，若工件表面存在裂紋等缺陷，勢必對電流分布產(chǎn)生影響，從而影響到磁場分布［2］，測量這個(gè)磁場變化，就能確定裂紋的長度和深度。由于檢測是非接觸的，ACFM法對工件表面狀況要求不高，甚至不需要去除油漆等抗腐蝕介質(zhì)和涂層，同時(shí)不需要標(biāo)定試塊，因此在結(jié)構(gòu)的在役檢測等方面起著越來越重要的作用［3］。

1 交變磁場檢測原理

在ACFM技術(shù)中，可以測量工件表面感應(yīng)磁場磁通密度的三個(gè)分量，沿裂紋長度方向的x分量記做Bx，其與電流方向垂直，與工件表面平行；y分量為寬度分量，記做By，與電流方向一致；z分量為Bz，沿工件法向垂直工件表面。當(dāng)缺陷長度方向也與電流方向垂直時(shí)，x分量的方向?qū)⑴c缺陷長度方向平行。在仿真建模時(shí)，由于工件相對于激勵(lì)場來說可以看作無限大，因此為了方便建模和數(shù)據(jù)提取，模型中選取的計(jì)算區(qū)域長度與缺陷長度方向一致，寬度與缺陷寬度方向一致，高度與缺陷深度方向一致，如圖1所示。

2 裂紋定量計(jì)算基礎(chǔ)

圖1 ACFM缺陷檢測原理示意圖

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)工件表面沒有缺陷時(shí)，感應(yīng)電流均勻分布，分量By和Bz的值為零，磁場在x軸方向均勻分布并與電流方向垂直。當(dāng)電流經(jīng)過含缺陷工件表面時(shí)，電流向缺陷兩端和底面偏轉(zhuǎn)，使流經(jīng)缺陷面的電流強(qiáng)度減小，缺陷越深的地方，電流線越稀疏，感應(yīng)磁場磁通密度值也就越小；另外，電流在缺陷兩端聚集，勢必使缺陷兩端點(diǎn)處的磁通密度處于極大值。當(dāng)探頭沿著缺陷表面進(jìn)行掃描時(shí)，Bx軸出現(xiàn)一個(gè)寬凹陷區(qū)，By和Bz出現(xiàn)高幅值的波峰和波谷，如圖1所示。由于By的數(shù)量級較小，因此在不需要特殊處理的情況下，探頭只需測量Bx和Bz分量即可判定缺陷的存在。

根據(jù)大量仿真數(shù)據(jù)，總結(jié)出缺陷定量計(jì)算有三條規(guī)律：①Bz峰－峰值間距長度具有線性遞增變化關(guān)系，缺陷深度不影響該特征值。② 在缺陷深度相同的情況下，Bx的靈敏度隨缺陷長度呈線性遞減變化。③ 在缺陷長度相同的情況下，Bx的靈敏度隨缺陷深度的增加而增加，呈單調(diào)遞增關(guān)系［4］。

基于以上三條規(guī)律，借助插值算法的思想，可以建立一種簡單的對缺陷實(shí)時(shí)檢測的反演算法。該算法輸入為由原始信號得到的特征向量：Bz峰值間距和Bx的靈敏度；輸出為缺陷的長度和深度。采用如下記號：Lo為反演得到的缺陷長度（mm）；Do為反演得到的缺陷深度（mm）；Lz為測試信號的Bz峰值間距（mm）；Sx為測試信號的Bx靈敏度（%）。算法的過程如下：① 根據(jù)規(guī)律一，由Lz經(jīng)插值得到Lo。② 根據(jù)規(guī)律二，由Lo經(jīng)插值得到不同D對應(yīng)的Sx。③ 根據(jù)規(guī)律三，根據(jù)長度為Lo時(shí)D－Sx的關(guān)系，由Sx插值得到Do。至此，由Sx和Lz，得到了Lo和Do，實(shí)現(xiàn)了尺寸反演［5］。

3 裂紋定量檢測系統(tǒng)

裂紋檢測系統(tǒng)分為探頭部分、硬件部分和軟件部分三大部分。探頭部分由激勵(lì)探頭和檢測探頭兩部分組成。硬件部分則主要由信號發(fā)生電路、功率放大電路、信號調(diào)理電路組成。軟件部分控制數(shù)據(jù)采樣速率、信號頻率幅值、增益大小等（圖2）。

圖2 ACFM定量檢測系統(tǒng)圖

3.1 激勵(lì)探頭設(shè)計(jì)

在ACFM檢測系統(tǒng)中，激勵(lì)探頭由骨架和激勵(lì)線圈組成。激勵(lì)探頭能夠在被檢工件表面感應(yīng)出的勻強(qiáng)電流強(qiáng)度越大，則出現(xiàn)裂紋時(shí)，空間的擾動(dòng)磁場強(qiáng)度越大。

增加激勵(lì)線圈的匝數(shù)或者增加線圈電流都可以加大激勵(lì)線圈的磁場強(qiáng)度，而如果在激勵(lì)線圈中加入磁芯，工件表面的激勵(lì)電流密度、磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無磁芯線圈激勵(lì)的情況［6－7］。

U型磁芯和矩形磁芯都能夠加大磁感應(yīng)強(qiáng)度，但是U型磁芯的聚磁能力更好，空間中泄露的磁場要比矩形磁芯小。因此為了在相同的激勵(lì)條件下獲得比較強(qiáng)的感應(yīng)電磁場，采用在較弱磁場下易磁化也易退磁的錳鋅鐵氧體磁芯作為激勵(lì)探頭骨架。

綜合以上各種因素，激勵(lì)磁芯采用U型錳鋅鐵氧體，磁芯上部尺寸為60mm×18mm×18mm，腿部尺寸為18mm×18mm×35mm，激勵(lì)線圈尺寸為60mm×20mm×20mm，用線徑為0.7mm漆包銅絲緊密纏繞150匝。

3.2 檢測探頭設(shè)計(jì)

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，閉合線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢ε與穿過該線圈的磁通的時(shí)間變化率dφ／dt成正比［7］：

為了使檢測線圈得到較大的輸出信號，需要考慮線圈常數(shù)NS，其中N為線圈匝數(shù)，S為檢測探頭橫截面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，d為檢測探頭內(nèi)徑，D為外徑。系統(tǒng)采用的檢測線圈是多層結(jié)構(gòu)（圖3），其線圈常數(shù)表達(dá)式為［8］：

綜合考慮空間點(diǎn)磁場的測量和保證檢測靈敏度的要求，所設(shè)計(jì)的Bx，Bz探測線圈尺寸應(yīng)滿足［5］：

圖3 檢測探頭形狀

因此設(shè)計(jì)檢測線圈時(shí)需要綜合考慮線圈常數(shù)和線圈骨架，以使檢測到的信號為點(diǎn)信號且信號強(qiáng)。

3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的硬件電路主要由模擬前端和由FPGA控制的A／D轉(zhuǎn)換及D／A轉(zhuǎn)換電路和計(jì)算機(jī)控制的人機(jī)接口、報(bào)警單元、存儲單元、顯示部分組成（圖4）。模擬前端包括正弦信號發(fā)生、檢測探頭、前置放大、濾波、平衡濾波、可調(diào)增益放大等。檢測時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制和改變硬件電路以產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦電壓，激勵(lì)探頭在被測試塊上感應(yīng)出勻強(qiáng)渦流，檢測線圈檢測渦流擾動(dòng)產(chǎn)生的信號變化，以電壓信號的形式傳送給檢測電路。信號通過一系列的前置處理，通過A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行軟件處理，軟件處理后的信號將在顯示屏上顯示出來。

圖4 系統(tǒng)硬件功能框圖

激勵(lì)信號模塊分為信號發(fā)生和功率放大兩部分，正弦信號采用直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）。具體采用FPGA控制 AD9851直接生成需要的正弦信號。AD9851是AD公司采用先進(jìn)DDS（直接數(shù)字合成）技術(shù)，推出的具有高集成度DDS電路的器件，它內(nèi)部包含高速、高性能D／A轉(zhuǎn)換器及高速比較器，可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器［9］。

用于DDS合成的信號比較小，不能直接驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈工作，因此還需要后置功率放大電路。功率放大電路需要注意以下幾個(gè)方面的問題［10］：要求輸出功率盡可能大、效率更高、非線性失真要小、功率器件的散熱問題。系統(tǒng)采用甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路（圖5）。

圖5 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

由檢測線圈檢測到的信號比較小，因此首先應(yīng)將信號放大，以便后續(xù)處理。因?yàn)闄z測線圈容易受到周圍環(huán)境的電磁信號影響，使得檢測到的信號中常常包含許多雜波，因此信號調(diào)理電路需要對檢測到的差分信號做進(jìn)一步的濾波處理。

對于信號調(diào)理電路處理的信號需要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換送入主機(jī)電腦才能完成進(jìn)一步的處理和顯示。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件分4層設(shè)計(jì)，分別為設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)OS層、應(yīng)用程序?qū)雍腿藱C(jī)接口層，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中設(shè)備驅(qū)動(dòng)層包括A／D、D／A和通信接口等部分；OS層選用windows操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序?qū)咏⒃谠O(shè)備驅(qū)動(dòng)層和人機(jī)接口層之上，包括數(shù)據(jù)采集后的濾波程序、平衡算法、渦流信號特征值的擬和、整個(gè)儀器的校正；人機(jī)接口層為儀器的顯示界面，諸如檢測結(jié)果和檢測頻率、增益、相位等參數(shù)的顯示。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

在完成整個(gè)電路搭建及軟件測試后，配以自制探頭，并根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)制作了試塊。被檢試塊為45號低碳鋼，尺寸為450mm×150mm×10mm，電阻率為1.1×10－7Ω·m，相對磁導(dǎo)率為210.0；激勵(lì)信號頻率選用6000Hz。在鋼板上分別刻上（長度×深度）50mm×5mm，20mm×2mm的裂紋（圖7）。

圖7 試塊示意圖

試驗(yàn)操作平臺如圖8所示，檢測結(jié)果如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)操作平臺

圖9為對長度分別為20mm和50mm的兩條裂紋的檢測結(jié)果。顯示界面左側(cè)上下兩部分分別為對Bx，Bz檢測得到的時(shí)基線，右側(cè)為有裂紋缺陷時(shí)的蝶形圖。在沿裂紋掃描時(shí)，左側(cè)的Bx，Bz信號隨著探頭的移動(dòng)變化，同時(shí)在右側(cè)畫出蝶形圖，并通過軟件計(jì)算出了裂紋長度和深度，同步顯示在界面上。表1為實(shí)測數(shù)據(jù)分析，其中相對誤差為測量的絕對誤差占真實(shí)值的百分比。

圖9 不同裂紋檢測結(jié)果

表1 測得數(shù)據(jù)分析

可以看出，裂紋測長時(shí)，長度越長深度越深的裂紋測得的誤差就越小，且對于長度的測量誤差小于深度的測量誤差。

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