陳定光 郭少宏 鄧 波 閆 梁 吉 雪

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院佛山檢測(cè)院 佛山 528001）

（2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 徐州 221116）

（3.北京金谷遠(yuǎn)見科技有限公司 北京 100029）

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)（ACFM）是一種在渦流和漏磁檢測(cè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興無損檢測(cè)技術(shù)[1]，由于無損檢測(cè)、受提離影響小、可以檢測(cè)鐵磁性金屬等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程等領(lǐng)域[2]。傳統(tǒng)的ACFM技術(shù)采用單激勵(lì)，探頭感應(yīng)出的渦流也沿著固定方向，當(dāng)裂紋垂直于感應(yīng)的渦流場(chǎng)時(shí)，探頭才有較高的檢測(cè)靈敏度。在實(shí)際檢測(cè)過程中，裂紋的走向往往是未知的，當(dāng)渦流方向與裂紋方向平行時(shí)，此時(shí)檢測(cè)信號(hào)很微弱，即不能保證檢測(cè)過程中有較好的靈敏度。通過在ACFM檢測(cè)的基礎(chǔ)上引入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，利用雙激勵(lì)的感應(yīng)線圈，在試件上感應(yīng)出隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)的渦流場(chǎng)，從而對(duì)各個(gè)方向的裂紋均有較高的檢測(cè)靈敏度，就能有效地避免裂紋走向?qū)z測(cè)結(jié)果的影響，提高ACFM技術(shù)的檢測(cè)可靠性，同時(shí)使得對(duì)于裂紋方向的判斷，有了一定的可行性[3]。

針對(duì)平面旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做出了很多開拓性的工作，但還有改進(jìn)的空間。Hamia等提出利用十字交叉的導(dǎo)線做雙激勵(lì)源，在試件表面產(chǎn)生偽旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)檢測(cè)不同方向裂紋。但是該磁場(chǎng)不是隨著時(shí)間自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，所以該方法在檢測(cè)時(shí)增加了檢測(cè)時(shí)間和成本[4]。Yang Guang等利用雙層矩形對(duì)稱線圈作為激勵(lì)探頭，檢測(cè)飛機(jī)機(jī)翼處的鉸接孔裂紋，采用GMR傳感器拾取磁場(chǎng)信號(hào)，在激勵(lì)頻率為10Hz左右檢測(cè)了第3層結(jié)構(gòu)上螺栓孔處的裂紋，但是該傳感器形式為專用檢測(cè)，不具有普遍適用性[5]。李偉等改進(jìn)了雙U形線圈正交激勵(lì)結(jié)構(gòu)，在空間結(jié)構(gòu)中建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，開發(fā)了裂紋長(zhǎng)度、深度、走向等算法，但是該傳感器還是存在激勵(lì)線圈提離不一致造成的誤差[6-7]。

本文的主要工作為，提出并設(shè)計(jì)了基于正交激勵(lì)下的新型渦流傳感器結(jié)構(gòu)。借助Maxwell有限元分析，驗(yàn)證該新型傳感器可以在被測(cè)試件表面產(chǎn)生強(qiáng)度均勻且隨著時(shí)間旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，達(dá)到檢測(cè)任意方向裂紋的目的。

1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理

如前所述，為了確保在檢測(cè)過程中，傳感器探頭有最大的靈敏度，設(shè)計(jì)圖1所示傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)為：用一塑料轉(zhuǎn)接頭連接四個(gè)帶磁芯的線圈， 線圈對(duì)稱放置。磁芯材料選擇Zn-Mn磁芯，線圈匝數(shù)為200匝，激勵(lì)電壓為5V。下表面中心處放置磁場(chǎng)傳感器作檢測(cè)傳感器。

圖1 傳感器模型

旋轉(zhuǎn)渦流傳感器的工作原理如圖2所示。同方向的線圈通幅值、頻率大小相同激勵(lì)，垂直方向激勵(lì)相位相差90°。給線圈分別通以正弦、余弦交流電，則X、Y方向的電流為：

式中ω=2πf，其中f為激勵(lì)頻率，I0為激勵(lì)幅值，θ為初相位。

圖2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)原理

由于線圈的激勵(lì)頻率相同，所以線圈將在試件上產(chǎn)生方向變化的合成渦流Ir為：

渦流Ir的幅值大小‖Ir‖和方向θ為：

由上式可以得出，疊加作用下的電流Ir幅值大小不變化，其方向隨著時(shí)間發(fā)生周期性的旋轉(zhuǎn)。所以該十字形線圈傳感器可以在試件感應(yīng)出隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)渦流。

2 有限元建模仿真分析

通過電磁場(chǎng)有限元仿真建模軟件Ansoft Maxwell，利用其三維建模仿真功能，設(shè)置模式為渦流場(chǎng)，對(duì)線圈部分分別進(jìn)行切分，施加激勵(lì)源。網(wǎng)格劃分部分，對(duì)于裂紋周圍和線圈激勵(lì)剖分細(xì)化，對(duì)于試件邊緣則采用軟件默認(rèn)劃分，保證計(jì)算的精度，如圖3所示。對(duì)于三維仿真分析，利用空氣域作為邊界，材料設(shè)置為真空，如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格剖分

本文建立正交激勵(lì)下的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)仿真模型，如下圖5所示。該模型可在試件表面形成隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)的渦流場(chǎng)，本文探頭沿著X軸正方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)于每個(gè)探頭運(yùn)動(dòng)的位置，提取探頭中心區(qū)域的磁場(chǎng)變化值，研究磁場(chǎng)畸變值和裂紋方向的關(guān)系。

圖5中，建立圖示坐標(biāo)系，缺陷模型為矩形，位于試件中心上表面處。β是裂紋與X軸正方向所成夾角，L裂紋、W、h1分別為裂紋的長(zhǎng)、寬、高。L試件、W試件、h試件分別是試件的長(zhǎng)、寬、高。d是磁芯之間的間距，h2是激勵(lì)探頭的提離（探頭正下方為矩形缺陷）。試件選擇為鋁材質(zhì)，磁芯為Zn-Mn鐵氧體磁芯，線圈為銅線。其具體參數(shù)見下表：

圖4 模型邊界條件

圖5 有限元模型

表1 旋轉(zhuǎn)交流電磁場(chǎng)仿真模型參數(shù)

根據(jù)ACFM檢測(cè)原理，當(dāng)無缺陷時(shí)，Bz信號(hào)值位0，Bx信號(hào)值維持在一個(gè)固定的數(shù)值無變化。當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，Bz信號(hào)曲線出現(xiàn)極性相反的峰值表達(dá)缺陷長(zhǎng)度，Bx曲線出現(xiàn)極小值對(duì)應(yīng)著缺陷深度[8-10]，此時(shí)出現(xiàn)的峰值即為磁場(chǎng)畸變量。因此在裂紋兩端，可測(cè)量其磁場(chǎng)分量畸變值來研究其與裂紋方向的線性關(guān)系。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交流電檢測(cè)，激勵(lì)探頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，在探頭可以在中心處形成強(qiáng)度均勻、方向一致的渦流場(chǎng)，否則不均勻的磁場(chǎng)區(qū)域會(huì)干擾磁場(chǎng)的畸變量，給檢測(cè)結(jié)果帶來很大的影響。經(jīng)過仿真計(jì)算，該均勻區(qū)域的大小主要受傳感器物理尺寸、線圈布置間隔等因素的影響，趨勢(shì)為該勻強(qiáng)區(qū)域的大小隨著上述量尺寸的增大而增大。例如同方向線圈間距在60mm左右，可在中心形成長(zhǎng)度為15mm的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，即該傳感器可在中心處形成15*15mm勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域。

圖6（a）～圖6（e）為正交旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)傳感器激勵(lì)下，隨著時(shí)間變化，試件表面的渦流場(chǎng)分布，T為激勵(lì)的周期。由圖6結(jié)果可以明顯看出，本文的建立的RACFM（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交流電檢測(cè)）激勵(lì)探頭能在工件表面感應(yīng)產(chǎn)生隨時(shí)間作周期性旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)，即得到的感應(yīng)磁場(chǎng)方向也是呈周期性變化的，且該區(qū)域中心處的渦流場(chǎng)方向一致，且經(jīng)過計(jì)算后該磁場(chǎng)的大小一致。

為了減少其他干擾因素（例如提離、磁場(chǎng)區(qū)域的均勻性等）的影響，對(duì)有裂紋和無裂紋的模型進(jìn)行仿真，研究磁場(chǎng)相對(duì)變化量ΔBi和渦流角度θ的關(guān)系。其中ΔBi為：

圖6 不同時(shí)刻鋁板表面渦流分布

式中，Bcrack為帶裂紋模型磁場(chǎng)值，Bno為無裂紋時(shí)磁場(chǎng)值，渦流角度θ為試件表面中心處形成的渦流與X軸正方向所成夾角，θ隨時(shí)間發(fā)生周期性改變，由于其具有對(duì)稱性，本文只取0-180°進(jìn)行研究。

對(duì)無裂紋模型進(jìn)行仿真，研究Bx、Bz隨著渦流方向改變的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 無裂紋信號(hào)特征

因?yàn)樾D(zhuǎn)磁場(chǎng)存在對(duì)稱性，僅仿真半個(gè)周期內(nèi)的渦流方向，減小計(jì)算工作量。從圖中可以看出，在沒有裂紋的試件上面產(chǎn)生隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)的渦流場(chǎng)，Bx峰值大小也隨之改變，在T/4（渦流角度定義沿X軸正方向?yàn)?°，此時(shí)渦流角度90°）時(shí)取得磁場(chǎng)信號(hào)最大值，Bz值維持在0附近。所以，在沒有裂紋的時(shí)候，Bx信號(hào)值的大小并不是維持一定值不變，說明該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)于Bx信號(hào)存在一定的干擾，該信號(hào)不能很好地表達(dá)裂紋方向信息，為避免產(chǎn)生對(duì)檢測(cè)的影響，選取Bz為信號(hào)特征，仿真研究ΔBz和渦流角度θ的關(guān)系。仿真裂紋角度為0°、45°、90°情況下，Z向相對(duì)磁場(chǎng)畸變值隨渦流角度變化量，是結(jié)果更有說服力，如圖8所示。

圖8 不同角度裂紋信號(hào)特征

如圖所示，隨著渦流角度的變化，三條曲線均在對(duì)應(yīng)的角度取得了最大值與最小值，且存在一定的規(guī)律，與無裂紋的仿真結(jié)果對(duì)照顯示，Bz信號(hào)特征可用，下面分析其隨著渦流方向變化的增加規(guī)律。

結(jié)果顯示，對(duì)于0°裂紋，隨著渦流角度變化，其在T/4（渦流角度90°）渦流方向時(shí)，取得最大磁場(chǎng)畸變值。其在0和T/2（渦流角度0°和180°）渦流方向時(shí)，取得最小磁場(chǎng)畸變值。即在渦流方向垂直于裂紋方向時(shí)，有最大磁場(chǎng)畸變值，渦流方向平行于裂紋方向時(shí)，有最小磁場(chǎng)畸變值，符合ACFM檢測(cè)原理；對(duì)于45°方向裂紋，隨著渦流角度變化，其在3T/8（渦流角度135°）渦流方向時(shí)，取得最大磁場(chǎng)畸變值。其在T/8（渦流角度45°）渦流方向時(shí)，取得最小磁場(chǎng)畸變值，符合ACFM檢測(cè)原理；對(duì)于90°裂紋，隨著渦流角度變化，其在0和T/2（渦流角度0°和180°）渦流方向時(shí)，取得最大磁場(chǎng)畸變值；其在T/4（渦流角度90°）渦流方向時(shí)，取得最小磁場(chǎng)畸變值，符合ACFM檢測(cè)原理。即隨著渦流方向改變，磁場(chǎng)畸變值ΔBz總在渦流方向垂直于裂紋方向時(shí)達(dá)到最大，由此可以對(duì)裂紋的方向進(jìn)行判斷。

即在檢測(cè)過程中，此傳感器可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)檢測(cè)任意方向的裂紋，通過記錄磁場(chǎng)畸變信號(hào)最大值的時(shí)刻，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的周期，得到此時(shí)渦流的方向，而根據(jù)以上分析所得的規(guī)律，此時(shí)渦流的方向垂直于裂紋的方向，于是可以判斷裂紋的方向。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了新型正交激勵(lì)下的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)渦流傳感器。通過有限元仿真計(jì)算對(duì)傳感器的渦流場(chǎng)進(jìn)行了可視化處理，驗(yàn)證傳感器可以在探頭中心處形成方向一致、強(qiáng)度大小相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)域，通過提取試件裂紋附近的磁場(chǎng)畸變值，驗(yàn)證此傳感器可以用于裂紋的定向判斷。