孔慶曉　林李龍

摘要：為克服交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于深層缺陷檢測(cè)的技術(shù)瓶頸，在傳統(tǒng)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助低頻脈沖激勵(lì)源實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)的深層感應(yīng)，開展了針對(duì)深層缺陷的脈沖交流電磁場(chǎng)深層缺陷檢測(cè)技術(shù)的仿真研究。建立了脈沖交流電磁場(chǎng)深層缺陷檢測(cè)有限元模型，分析了感應(yīng)電磁場(chǎng)的滲透規(guī)律和缺陷對(duì)電磁場(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律，提取了深層缺陷的脈沖響應(yīng)信號(hào)，將響應(yīng)信號(hào)的峰值沿掃描路徑作圖得到Bx、Bz信號(hào)特征。仿真結(jié)果表明，脈沖交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)ι顚尤毕葸M(jìn)行檢測(cè)，所得到的Bx、Bz缺陷特征信號(hào)符合交流電磁場(chǎng)的缺陷信號(hào)特征。

關(guān)鍵詞：深層缺陷;脈沖激勵(lì);特征信號(hào)

0 引言

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)（Alternating Current Field Measurement，ACFM）是一種電磁無損檢測(cè)技術(shù)，其原理如圖1所示，基于法拉第電磁感應(yīng)規(guī)律，激勵(lì)探頭在試件表面感應(yīng)產(chǎn)生近似均勻分布的電流，若試件存在缺陷，則感應(yīng)電流在缺陷處“繞行”，即向缺陷兩端繞過和向缺陷下方繞過。在圖1所示的坐標(biāo)系中，向缺陷兩端繞過的感應(yīng)電流將引起空間Z方向的磁場(chǎng)Bz發(fā)生畸變，而向缺陷下方繞過的感應(yīng)電流將引起空間X方向的磁場(chǎng)Bx發(fā)生畸變，對(duì)磁場(chǎng)畸變信號(hào)Bz、Bx進(jìn)行檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)，且Bz信號(hào)能夠反映缺陷長(zhǎng)度，Bx信號(hào)能夠反映缺陷深度[1-2]。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的激勵(lì)信號(hào)采用正弦交流信號(hào)，由于集膚效應(yīng)的限制，感應(yīng)電流集中在試件的表面和近表面，因此對(duì)表面缺陷具有較高的檢測(cè)能力，而對(duì)于深層缺陷的檢測(cè)存在技術(shù)瓶頸。低頻脈沖激勵(lì)技術(shù)與傳統(tǒng)電磁無損檢測(cè)技術(shù)的融合，特別是脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)和脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，為深層缺陷的電磁檢測(cè)提供了新的解決方案。

本文基于交流檢測(cè)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，引入低頻脈沖激勵(lì)技術(shù)，開展了針對(duì)深層缺陷的脈沖交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)仿真研究，基于時(shí)頻聯(lián)合分析技術(shù)對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行了特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面缺陷和深層缺陷的識(shí)別。

1 脈沖交流電磁場(chǎng)深層缺陷檢測(cè)技術(shù)原理

深層缺陷是指距離試件表面一定深度的內(nèi)部缺陷，包括覆蓋層下的缺陷、多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷等。傳統(tǒng)的電磁檢測(cè)方法采用正弦交流信號(hào)作為激勵(lì)，由于受到集膚效應(yīng)的限制，難以在缺陷處感應(yīng)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。因此，對(duì)于深層缺陷而言，首先需要突破的技術(shù)瓶頸便是激勵(lì)技術(shù)。

脈沖激勵(lì)技術(shù)采用低頻方波信號(hào)作為激勵(lì)，如圖2所示。方波信號(hào)在上升沿和下降沿會(huì)產(chǎn)生一個(gè)急劇變化的空間磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將在試件中產(chǎn)生感應(yīng)電流。對(duì)于脈沖激勵(lì)的感應(yīng)機(jī)理方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般從方波信號(hào)的傅里葉變化角度出發(fā)，認(rèn)為組成方波信號(hào)的基波產(chǎn)生的感應(yīng)電流滲透深度最大，并隨著諧波次數(shù)的增加，感應(yīng)電流的滲透深度減少。從基波信號(hào)的感應(yīng)電流的滲透深度出發(fā)，脈沖激勵(lì)信號(hào)的頻率應(yīng)當(dāng)選用低頻，但考慮到對(duì)表面以及近表面缺陷的檢測(cè)靈敏度，頻率又應(yīng)適當(dāng)提高，本文方波信號(hào)的頻率采用100 Hz，即T為0.01 s，高電平V為5 V，占空比為50%。

在深層缺陷處產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，與表面缺陷相同，深層缺陷將阻礙感應(yīng)電流的穿過，將引起感應(yīng)電流的擾動(dòng)，如圖3所示。在XY平面內(nèi)，感應(yīng)電流向缺陷的兩端繞過，引起空間磁場(chǎng)Bz的畸變。在YZ平面內(nèi)，感應(yīng)電流向缺陷上方以及下方繞過，引起空間磁場(chǎng)Bx的畸變。需要注意的是，感應(yīng)電流向缺陷上方繞過引起的磁場(chǎng)變化與感應(yīng)電流向缺陷下方繞過引起的磁場(chǎng)變化方向相反，相互抵消。

2 有限元仿真

2.1? ? 仿真模型

建立脈沖交流電磁場(chǎng)深層缺陷仿真模型，包括激勵(lì)線圈、磁芯、含有深層缺陷的試件等，實(shí)體模型如圖4（a）所示。仿真模型的各部分參數(shù)如表1所示，試件高度為10 mm，缺陷深度為7 mm，從無缺陷的試件表面進(jìn)行檢測(cè)相當(dāng)于對(duì)埋深3 mm的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。脈沖激勵(lì)信號(hào)的加載采用電路與線圈耦合的方式實(shí)現(xiàn)，即利用CIRCU124單元?jiǎng)?chuàng)建獨(dú)立的脈沖電壓源，再通過CURR和EMF自由度實(shí)現(xiàn)與線圈單元的耦合，實(shí)現(xiàn)脈沖電壓信號(hào)的加載，有限元模型如圖4（b）所示。

2.2? ? 仿真結(jié)果分析

2.2.1? ? 深層缺陷對(duì)感應(yīng)電流的擾動(dòng)規(guī)律

圖5所示為脈沖激勵(lì)下深層缺陷對(duì)感應(yīng)電流的擾動(dòng)分布影響規(guī)律。在脈沖上升沿的初始階段，如圖5（a）、圖5（b）所示，此時(shí)感應(yīng)電流強(qiáng)度較小，仍集中在工件表面和近表面區(qū)域，深層缺陷處感應(yīng)電流強(qiáng)度很弱，深層缺陷所引起的電流擾動(dòng)基本可以忽略。隨著時(shí)間的推移，感應(yīng)電流快速向工件內(nèi)部深層滲透，電流強(qiáng)度也隨之快速增加，深層缺陷對(duì)感應(yīng)電流的擾動(dòng)也逐漸增強(qiáng)，如圖5（c）、圖5（d）所示。對(duì)于圖5所示的深層缺陷，在t=0.75 ms時(shí)擾動(dòng)電流的強(qiáng)度達(dá)到最大，如圖5（e）所示。隨后，電流強(qiáng)度開始減弱，圖5（f）所示為t=2 ms時(shí)的電流分布，雖然深層缺陷仍然引起感應(yīng)電流的擾動(dòng)，但是此時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)減弱了，此時(shí)的感應(yīng)電流是由直流信號(hào)所引起的。

2.2.2? ? 脈沖激勵(lì)下深層缺陷典型響應(yīng)信號(hào)

提取缺陷上方X方向和Z方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)作為缺陷的特征信號(hào)，典型的深層缺陷脈沖響應(yīng)信號(hào)如圖6所示。脈沖響應(yīng)信號(hào)有兩個(gè)典型的特征，即峰值Bp和峰值時(shí)間tp。峰值的大小由缺陷處擾動(dòng)電流聚集的密度所決定，而峰值時(shí)間則是由感應(yīng)電流由工件表面滲透到缺陷所在處的時(shí)間所決定的。

3 深層缺陷特征信號(hào)

激勵(lì)探頭在試件中感應(yīng)產(chǎn)生的均勻電磁場(chǎng)不能覆蓋整個(gè)缺陷區(qū)域，為使仿真更加符合實(shí)際的檢測(cè)過程，本文在仿真時(shí)采用移動(dòng)激勵(lì)探頭的方式，即將激勵(lì)探頭的中心位置在X方向上從-0.03 m處運(yùn)動(dòng)到0.03 m處，激勵(lì)探頭的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)為0.001 m，在激勵(lì)探頭的每個(gè)位置進(jìn)行仿真計(jì)算并提取探頭正下方距工件表面1 mm處的脈沖響應(yīng)信號(hào)Bx和Bz。將Bx和Bz信號(hào)的時(shí)域峰值沿掃描路徑作圖得到確信信號(hào)特征，如圖7所示。由圖7可知，脈沖交流電磁場(chǎng)深層缺陷的Bx和Bz特征信號(hào)與傳統(tǒng)ACFM表面缺陷的特征信號(hào)規(guī)律一致，可以用來表征缺陷的檢出，且Bz特征信號(hào)的波峰與波谷之間的距離可以表征缺陷的長(zhǎng)度[1]。

4 結(jié)論

本文以深層缺陷檢測(cè)為研究對(duì)象，在交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上引入低頻脈沖激勵(lì)技術(shù)，借助仿真分析的手段，開展脈沖交流電磁場(chǎng)深層缺陷檢測(cè)機(jī)理的研究，得到以下結(jié)論：

（1）脈沖激勵(lì)下試件中的感應(yīng)電流由試件表面向深層滲透，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)深層缺陷的檢測(cè)。

（2）深層缺陷對(duì)感應(yīng)電流的擾動(dòng)規(guī)律基本與傳統(tǒng)ACFM一致，深層缺陷的Bx、Bz特征信號(hào)與ACFM表面缺陷特征信號(hào)一致，Bz特征信號(hào)的波峰與波谷間距離為深層缺陷的長(zhǎng)度。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李偉.基于交流電磁場(chǎng)的缺陷智能可視化檢測(cè)技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2007.

[2] 李偉，陳國(guó)明.U型ACFM激勵(lì)探頭的仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（14）：3131-3134.

收稿日期：2020-03-25

作者簡(jiǎn)介：孔慶曉（1992—），男，浙江樂清人，碩士，助教，從事電磁無損檢測(cè)和有限元分析工作。

林李龍（1989—），男，浙江樂清人，二級(jí)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)師，從事機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)研究工作。