程遠(yuǎn) 任麗麗

摘 要： 本文針對(duì)大型游樂(lè)設(shè)施存在的安全問(wèn)題，為提高游樂(lè)設(shè)施檢測(cè)技術(shù)，消除安全隱患，交流電磁檢測(cè)技術(shù)在渦流無(wú)損檢測(cè)的基礎(chǔ)上提出，重點(diǎn)對(duì)影響交流電磁場(chǎng)檢測(cè)靈敏度的相關(guān)因素及陣列式交流檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞： 交流電磁檢測(cè)；檢測(cè)靈敏度；陣列交流檢測(cè)

0 緒論

我國(guó)大型游樂(lè)設(shè)施存在設(shè)計(jì)和制造“先天不足”、維護(hù)和保養(yǎng)“后期失調(diào)”、長(zhǎng)期“帶病運(yùn)行”和超期服役現(xiàn)象嚴(yán)重等安全隱患。大型游樂(lè)設(shè)施作為關(guān)乎民眾生命安全的特種設(shè)備，必須將這些潛在的危險(xiǎn)扼殺在搖籃里。而提高游樂(lè)設(shè)施檢測(cè)技術(shù)、保證游樂(lè)設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

交流電磁檢測(cè)技術(shù)，英文名Alternating Current Field Measurement，簡(jiǎn)稱ACFM，是一種在渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興的無(wú)損檢測(cè)方法，是通過(guò)檢測(cè)工件表面由裂紋引起的磁場(chǎng)擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬構(gòu)件損傷的早期評(píng)定。ACFM的優(yōu)點(diǎn)有無(wú)須接觸、無(wú)須標(biāo)定受提離效應(yīng)影響小、檢測(cè)速度快、精度高、對(duì)裂紋缺陷的檢測(cè)定性定量一次完成等，在覆蓋有防腐涂層的結(jié)構(gòu)表面裂紋檢測(cè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1.交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)

ACFM技術(shù)的基本原理是在激勵(lì)線圈中通以均勻的交變電流，由電生磁、磁生電的原理在工件表面形成電、磁交替的場(chǎng)，在正常情況下，工件周圍的電磁場(chǎng)是均勻分布的，但當(dāng)工件有缺陷存在時(shí)，電磁場(chǎng)的分布則會(huì)在缺陷處發(fā)生畸變，通過(guò)電磁場(chǎng)的這種擾動(dòng)量來(lái)評(píng)定缺陷。其根本原因是工件在缺陷處的電阻率相對(duì)基體材料發(fā)生了變化，進(jìn)而擾動(dòng)了感應(yīng)電磁場(chǎng)，使得電磁場(chǎng)在缺陷的兩邊和底部分布較密。檢測(cè)探頭通過(guò)采集電磁場(chǎng)的擾動(dòng)量，利用數(shù)字轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析處理，根據(jù)擾動(dòng)量與缺陷參數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定性和定量分析。ACFM技術(shù)不需要與工件直接接觸就可完成缺陷檢測(cè)，而且該檢測(cè)方法對(duì)線圈與工件間的距離不敏感，這樣既可減少對(duì)工件表面覆蓋物的清理，另一方面檢測(cè)前通過(guò)準(zhǔn)確的理論模型和數(shù)學(xué)模型，建立缺陷分布和尺寸與場(chǎng)分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在不需要試塊標(biāo)定的情況下，就可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化。

2.影響交流電磁場(chǎng)檢測(cè)靈敏度的相關(guān)因素

缺陷檢測(cè)的靈敏度是指畸變磁場(chǎng)信號(hào)的幅值與無(wú)缺陷時(shí)磁場(chǎng)信號(hào)的比值定義為缺陷檢測(cè)的靈敏度。擾動(dòng)電磁檢測(cè)的分布特征與試件、裂紋參數(shù)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，還要考慮其他影響檢測(cè)靈敏度的相關(guān)因素，如檢測(cè)頻率、提離高度以及工件材料特性等因素。

2.1激勵(lì)頻率對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

在交流電磁檢測(cè)中，擾動(dòng)磁場(chǎng)的信號(hào)非常微弱，需要通過(guò)選擇合適的頻率，提高檢測(cè)信號(hào)的靈敏度。通過(guò)有限元仿真分析可知，當(dāng)激勵(lì)頻率較小時(shí)，激勵(lì)線圈的檢測(cè)靈敏度不能發(fā)揮到最佳狀態(tài)，但是頻率過(guò)高，對(duì)檢測(cè)靈敏度的提高并沒(méi)有幫助。因此在設(shè)計(jì)交流檢測(cè)激勵(lì)線圈時(shí)，選擇恰當(dāng)?shù)碾娏骷?lì)頻率有助于提高檢測(cè)靈敏度。

2.2激勵(lì)電流大小對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

在交流電磁檢測(cè)過(guò)程中，激勵(lì)電流的大小是能夠改變和控制的因素之一，仿真分析的結(jié)果表明，當(dāng)激勵(lì)電流變化時(shí)，靈敏度有所變化，但變化的范圍很小。電流的大小的波動(dòng)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響較小，因此電源選擇的范圍較廣。

2.3提離對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

提離即為探頭與工件表面的距離，在渦流檢測(cè)技術(shù)中，提離對(duì)檢測(cè)信號(hào)有著明顯的影響。通過(guò)仿真分析可知，在提離成倍增加時(shí)，交流電磁場(chǎng)的檢測(cè)靈敏度雖然發(fā)生變化，但不甚敏感。

2.4材料對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

無(wú)論是鐵磁性材料低碳鋼還是非鐵磁性材料鋁，這兩種材料的Bx和Bz的靈敏度都隨著激勵(lì)電流頻率的增加而減小，且鐵磁性材料低碳鋼對(duì)激勵(lì)電流頻率的敏感性大于非鐵磁性材料鋁。

3.陣列交流電磁場(chǎng)檢測(cè)探頭的設(shè)計(jì)

為了提高檢測(cè)效率，增大檢測(cè)的覆蓋面，一方面是增加激勵(lì)線圈的體積，另一方面還可通過(guò)并列多個(gè)線圈來(lái)形成足夠大的磁場(chǎng)。通常把多個(gè)線圈并列排放的探測(cè)線圈組稱為陣列探頭。陣列探頭的探測(cè)線圈是按照一定的方式進(jìn)行排列的，一次能夠覆蓋的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)矩形區(qū)域，不是一個(gè)點(diǎn)，因此加大了單次檢測(cè)的范圍。陣列式探頭的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需進(jìn)行多次的重復(fù)掃描便可實(shí)現(xiàn)大范圍、高速度的測(cè)量，并且在檢測(cè)精度和分辨率方面并不比單只傳感器差，因此在提高檢測(cè)速度的同時(shí)也保證了檢測(cè)的精度和可靠性。在惡劣的檢測(cè)環(huán)境，檢測(cè)的目標(biāo)檢測(cè)人員難以靠近，需要長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)情況時(shí)，陣列探頭的極大優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)了出來(lái)。陣列探頭的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的形狀進(jìn)行靈活多變的設(shè)計(jì)，尤其是針對(duì)一些復(fù)雜的檢測(cè)零件，同時(shí)具有克服和消除提離小型的優(yōu)勢(shì)，因此運(yùn)用的領(lǐng)域極其廣泛。

激勵(lì)線圈的作用是在通具有一定變化規(guī)律的交變電流后，在被檢測(cè)工件的表面產(chǎn)生均勻交變的感應(yīng)電磁場(chǎng)。而由于裂紋的存在激勵(lì)線圈在工件中產(chǎn)生了渦流，這一渦流的存在對(duì)周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生了影響，使得線圈的阻抗增加了一個(gè)Z的增量。裂紋的存在與否決定了渦流的存在與否，由此裂紋被檢測(cè)了出來(lái)。激勵(lì)線圈作為磁場(chǎng)形成的源頭，對(duì)它的要求就是產(chǎn)生持久有效的電磁場(chǎng)，而且在導(dǎo)體中傳播時(shí)衰減量小或是不衰減，但是幾乎沒(méi)有能夠做到完全不衰減的激勵(lì)線圈。同時(shí)激勵(lì)線圈的形狀對(duì)工件表面電磁場(chǎng)的分布也有著直接的影響。因此有必要通過(guò)對(duì)激勵(lì)線圈形狀的合理設(shè)計(jì)來(lái)緩減電磁場(chǎng)的衰減。研究表明，條件相同時(shí)，在導(dǎo)體中感應(yīng)電磁場(chǎng)的衰減率方面，矩形線圈要比傳統(tǒng)渦流激勵(lì)線圈衰減的慢的多。因此矩形線圈在測(cè)量深度較大的裂紋時(shí)有著更大的優(yōu)勢(shì)，即矩形線圈的測(cè)量深度更深。

4.總結(jié)

本文分析了各因素對(duì)檢測(cè)靈敏度及激勵(lì)磁場(chǎng)分布特征的影響，得出以下結(jié)論：

（1）選取合適的激勵(lì)頻率既保證了檢測(cè)靈敏度，又不會(huì)造成資源的浪費(fèi)；電流大小的波動(dòng)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響較小；提離對(duì)交流檢測(cè)技術(shù)的影響較低；鐵磁性材料的檢測(cè)靈敏度要比非鐵磁性材料的靈敏度高。

（2）無(wú)論是從檢測(cè)的覆蓋面還是檢測(cè)深度方面，矩形線圈要比圓形和條紋狀線圈都表現(xiàn)出良好的優(yōu)勢(shì)，交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中推薦采用陣列式矩形激勵(lì)線圈。

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