郭 慶, 胡嚴(yán)太 , 胡鴻志, 代元濤, 耿妍婷, 李遠(yuǎn)強(qiáng)

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,鐵磁材料因其良好的可塑性和結(jié)構(gòu)性被廣泛應(yīng)用于建筑、航空航天、能源、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。然而在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中,諸如電機(jī)、變壓器、地下管道、飛機(jī)、鐵軌等設(shè)備長(zhǎng)期處于高強(qiáng)度、強(qiáng)壓力的工作環(huán)境中,其中的鐵磁材料可能會(huì)產(chǎn)生裂紋、腐蝕、缺口等缺陷[2]。因此,對(duì)鐵磁性材料進(jìn)行無損檢測(cè)是十分有必要的。在常見的鐵磁性材料的無損檢測(cè)方法中,基于電磁原理的檢測(cè)方法,如電磁超聲技術(shù)[3]、渦流技術(shù)[4]、漏磁技術(shù)等[5],因具有特殊優(yōu)勢(shì)而得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中,漏磁檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行有效檢測(cè),但需要將工件磁化到近飽和狀態(tài),導(dǎo)致其磁化機(jī)構(gòu)體積較大。渦流檢測(cè)技術(shù)只能給出缺陷存在,很難定量、定位檢測(cè)缺陷[6]。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(Alternating Current Filed Measurement,ACFM)技術(shù)是一種在渦流檢測(cè)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)[7],相對(duì)于渦流檢測(cè)與漏磁檢測(cè),ACFM技術(shù)具有速度效應(yīng)影響小、檢測(cè)信號(hào)受提離變化小和量化精度高等優(yōu)點(diǎn)[8],因此被廣泛應(yīng)用于金屬表面的裂紋檢測(cè)當(dāng)中。Li等[9]利用ANSYS有限元分析軟件模擬了U形ACFM探頭在不同提離值下裂紋上方交變磁場(chǎng)的信號(hào)分布與強(qiáng)度,確定了U形ACFM探頭的最佳提離值為4 mm[9]。Wang等[10]基于并聯(lián)電路的電流分流和畢奧-薩伐爾定律搭建了ACFM的解析模型,并利用有限元分析軟件驗(yàn)證了該解析模型的正確性[10]。

然而,傳統(tǒng)的ACFM檢測(cè)技術(shù)具有方向性,僅對(duì)垂直于感應(yīng)電流方向的裂紋具有較高的靈敏度,而對(duì)平行于感應(yīng)電流方向的裂紋靈敏度較低,故存在出現(xiàn)缺陷誤檢、漏檢的可能[11]。為此,Li等[12-13]設(shè)計(jì)了一種雙U形正交ACFM探頭,利用有限元分析軟件驗(yàn)證了該探頭對(duì)任意方向缺陷檢測(cè)的有效性,并將其應(yīng)用到了水下結(jié)構(gòu)裂紋缺陷的檢測(cè)中。孫長(zhǎng)保等[14]基于ACFM技術(shù)原理,分析了橫向以及縱向裂紋缺陷檢測(cè)信號(hào)Bx、By特征向量的特點(diǎn)及其形成機(jī)理,通過信號(hào)圖譜特征和信號(hào)幅值衰減規(guī)律判斷出斜向及橫向裂紋缺陷的大小及位置[14]。

在此基礎(chǔ)上,本文采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作為交流電磁場(chǎng)檢測(cè)的激勵(lì)源,利用有限元分析軟件建立探頭模型,對(duì)多個(gè)采樣點(diǎn)采集不同位置的磁場(chǎng)信息,分析了不同方向裂紋的磁場(chǎng)信號(hào)特征,獲得了缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)By-Bx曲線長(zhǎng)軸傾斜角度與裂紋缺陷方向的關(guān)系,為裂紋缺陷方向檢測(cè)提供依據(jù)。

1 旋轉(zhuǎn)ACFM原理

ACFM基于電磁感應(yīng)原理,將通有正弦交流電的矩形線圈靠近金屬工件時(shí),由于趨膚效應(yīng),其感應(yīng)電流集中于工件表面,形成勻強(qiáng)感應(yīng)電流。如圖1所示,當(dāng)工件存在裂紋缺陷時(shí),基于電流優(yōu)先走向原則,感應(yīng)電流會(huì)經(jīng)裂紋的兩端和底部繞過缺陷,使得均勻電流發(fā)生畸變,從而導(dǎo)致工件表面感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)生畸變。通過檢測(cè)裂紋處磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化,即可對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量分析。

圖1 ACFM原理示意圖

1.1 U形ACFM探頭的渦流效應(yīng)

為增強(qiáng)被檢工件的磁化強(qiáng)度,在線圈中加入U(xiǎn)形磁軛,將磁感線束縛在磁軛當(dāng)中,并與被檢工件形成磁回路。與常規(guī)AFCM探頭不同,U形ACFM探頭的感應(yīng)電流分為兩部分:極靴附近的極靴渦流與圍繞磁回路周圍的磁路渦流,具體情況如圖2所示。當(dāng)對(duì)線圈通正弦電流時(shí),在磁回路中的磁感線發(fā)生交變。由楞次定律可知,磁回路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),其感應(yīng)渦流會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)來阻礙這種變化,使得兩個(gè)極靴附近的感應(yīng)渦流在極靴中點(diǎn)處切線方向與圍繞磁回路周圍的感應(yīng)渦流在極靴中點(diǎn)處的渦流方向相同,與磁感線的方向垂直。

圖2 U形ACFM探頭的渦流效應(yīng)

1.2 U形ACFM探頭的漏磁效應(yīng)

當(dāng)使用U形ACFM探頭檢測(cè)鐵磁性材料時(shí),其缺陷所產(chǎn)生的漏磁不可忽略。由于鐵磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣,當(dāng)沒有缺陷存在時(shí),幾乎所有的磁感線都被束縛在工件內(nèi)部。當(dāng)有缺陷存在時(shí),基于最小磁阻原則,大部分磁感線會(huì)通過缺陷邊緣繞過缺陷部位,小部分則從缺陷邊界折射進(jìn)入空氣,在缺陷部位形成漏磁場(chǎng),具體情況如圖3所示。

圖3 U形ACFM探頭的漏磁效應(yīng)

因此,使用U形ACFM探頭檢測(cè)鐵磁材料缺陷時(shí),其檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)由感生電流產(chǎn)生的感生磁場(chǎng)與磁感線泄露所形成的漏磁場(chǎng)共同構(gòu)成。當(dāng)工件沒有缺陷時(shí),其磁場(chǎng)信號(hào)可表示為

Bd=B背+B渦

(1)

式中:B背為檢測(cè)環(huán)境存在的背景磁場(chǎng);B渦為由感應(yīng)渦流引發(fā)的磁場(chǎng)。當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷時(shí),檢測(cè)傳感器檢測(cè)到缺陷處的信號(hào)可表示為

(2)

(3)

1.3 旋轉(zhuǎn)ACFM探頭引入

然而,使用U形ACFM探頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí),不同的裂紋方向起主導(dǎo)作用的原因不同。當(dāng)裂紋方向與掃描方向平行時(shí),裂紋的磁阻相對(duì)較小、電阻較大,起主導(dǎo)作用的為渦流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)。當(dāng)裂紋方向與掃描方向垂直時(shí),裂紋的電阻相對(duì)較小、磁阻較大,起主導(dǎo)作用的為漏磁場(chǎng)。為此,在U形ACFM探頭的基礎(chǔ)上,引入三相正弦信號(hào)作為磁場(chǎng)激勵(lì),其結(jié)構(gòu)由3個(gè)U形磁芯與三相載流線圈組成,其中線圈匝數(shù)相同、形狀一致、軸線在空間中互差120°,如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)ACFM探頭示意圖

在該探頭的3組線圈中分別通入如下幅值相等、頻率相同、相位互差120°的正弦激勵(lì)信號(hào):

(4)

由電磁感應(yīng)定律得,其線圈產(chǎn)生的磁感線通過鐵芯聚集在一起注入工件中,在每個(gè)極靴的下方形成交變的感應(yīng)渦流,將每個(gè)由極靴附近形成的感應(yīng)渦流進(jìn)行合成,形成一個(gè)二極旋轉(zhuǎn)渦流場(chǎng),其中在探頭中心的正下方形成一個(gè)局部的勻強(qiáng)旋轉(zhuǎn)渦流場(chǎng),其旋轉(zhuǎn)頻率與正弦激勵(lì)頻率相同。同時(shí)在工件內(nèi)部形成3個(gè)交變磁場(chǎng),這3個(gè)交變磁場(chǎng)經(jīng)過合成,形成一個(gè)二極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其中在探頭中心的正下方形成一個(gè)局部的勻強(qiáng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其旋轉(zhuǎn)頻率與正弦激勵(lì)頻率相同。因其磁感線繞中心點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致沿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切線方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加,沿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切線反方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。由楞次定律可知,其磁感線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流沿半徑指向圓心,其感應(yīng)磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相反。當(dāng)工件沒有缺陷時(shí),其在缺陷上方檢測(cè)到的磁場(chǎng)由工件內(nèi)部的感應(yīng)電流所形成。當(dāng)工件有缺陷時(shí),其勻強(qiáng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將發(fā)生畸變,在缺陷上方檢測(cè)到的磁場(chǎng)由工件內(nèi)部的感應(yīng)電流與缺陷部位所泄露的漏磁場(chǎng)共同決定。通過分析畸變信號(hào)的特性,即可得到缺陷的相關(guān)信息。

2 旋轉(zhuǎn)ACFM探頭有限元仿真

由于旋轉(zhuǎn)ACFM探頭的解析模型較為復(fù)雜,本文采用有限元仿真軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)ACFM檢測(cè)探頭進(jìn)行建模分析,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模型主要包括試件、星形磁芯、矩形勵(lì)磁線圈和空氣域4個(gè)部分。其中,線圈的高為20 mm、厚為3 mm、匝數(shù)為240匝、導(dǎo)線線徑為0.5 mm。每相鄰的兩個(gè)線圈通以頻率相同、幅值為0.5 A、相位相差60°的正弦電流激勵(lì)。各部分材料屬性如表1所示。

表1 各部分材料屬性

圖5 旋轉(zhuǎn)ACFM檢測(cè)探頭仿真模型

采用軟件自帶的細(xì)化網(wǎng)格功能進(jìn)行網(wǎng)格剖分,并對(duì)探頭附近重點(diǎn)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行二次網(wǎng)格細(xì)分,其仿真網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格分化圖

圖7 一周期內(nèi)的感應(yīng)電流方向變化

3 仿真數(shù)據(jù)分析

目前常見的磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器主要包括檢測(cè)線圈、霍爾傳感器、巨磁阻傳感器和隧道磁電阻傳感器。但以上傳感器都只對(duì)某一方向的磁場(chǎng)信號(hào)敏感,為此本文通過有限元仿真采集采樣點(diǎn)處的磁場(chǎng)信號(hào),分析不同方向的磁場(chǎng)信號(hào),為后期磁傳感器的選擇提供依據(jù)。同時(shí),為提取更多的缺陷信息,本文采用陣列式采樣點(diǎn)采集不同位置的磁場(chǎng)信號(hào),其采樣點(diǎn)位置如圖8所示,其中提離值為1 mm。

圖8 陣列式采樣點(diǎn)

3.1 中心點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

由于中點(diǎn)處Z軸方向的磁場(chǎng)擾動(dòng)較小,因此,選擇Bx與By作為裂紋檢測(cè)的磁場(chǎng)信號(hào)。為此,以長(zhǎng)、寬、高分別為20 mm、0.4 mm、3 mm的長(zhǎng)方體模擬裂紋缺陷,并采集了不同方向缺陷的磁場(chǎng)時(shí)序信號(hào)和均方值。當(dāng)試件無缺陷時(shí),其Bx為正弦信號(hào),By為余弦信號(hào),兩者的均方值相等,均方值比Bxq/Byq=1。當(dāng)試件有缺陷時(shí),其Bx為正弦信號(hào),By為余弦信號(hào),其幅值發(fā)生不同程度的畸變,兩者均方值的不同,其均方值比值Bxq/Byq與方向的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知,在0°～90°內(nèi),Bxq/Byq的值隨著角度的增大而增大,在90°～180°中,Bxq/Byq的值隨著角度的增大而減小。

圖9 單點(diǎn)采樣不同角度缺陷Bx與By均方值比曲線

對(duì)于時(shí)序信號(hào),令磁場(chǎng)信號(hào)Bx為橫坐標(biāo),By為縱坐標(biāo)作圖,得在中心點(diǎn)處不同方向的By-Bx曲線如圖10所示。

圖10 單點(diǎn)采樣不同角度的By-Bx特性曲線

由圖10可得,當(dāng)無缺陷時(shí),其By-Bx曲線近似為圓形;當(dāng)有缺陷時(shí),其By-Bx曲線為橢圓形,同時(shí)橢圓的長(zhǎng)軸傾斜角度隨著裂紋方向的增大而增大。為此,設(shè)橢圓的一般方程為

X2+AXY+BY2+CX+DY+E=0

(5)

令多個(gè)測(cè)量點(diǎn)為Pi(xi,yi),根據(jù)最小二乘原理,所要求的目標(biāo)函數(shù)可設(shè)為

(6)

為使F最小,分別對(duì)F的各項(xiàng)系數(shù)求偏導(dǎo),令其為0,即:

(7)

得到方程組如下:

(8)

解出方程中F的各項(xiàng)系數(shù),根據(jù)公式:

(9)

即可求出不同角度的By-Bx曲線的長(zhǎng)軸傾斜角度,結(jié)果如圖11所示。由圖11可看出By-Bx曲線的傾斜角度與裂紋缺陷的方向呈線性關(guān)系,并隨著裂紋缺陷方向角度的增大而增大。

圖11 By-Bx曲線的長(zhǎng)軸傾斜角度與裂紋角度的關(guān)系

3.2 陣列點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

為防止缺陷漏檢,采用多點(diǎn)采樣采集磁場(chǎng)信號(hào),令相鄰的兩個(gè)采樣點(diǎn)間隔為5 mm,組成一個(gè)正六邊形采樣陣列。當(dāng)試件無缺陷時(shí),得到每個(gè)采樣點(diǎn)的Bx、By信號(hào)幅值如表2所示。

表2 無缺陷時(shí)各個(gè)采樣點(diǎn)Bx、By信號(hào)幅值

由表2可知,當(dāng)無缺陷時(shí),各個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)幅度大小相似,說明旋轉(zhuǎn)AFCM探頭在這六點(diǎn)組成的六邊形范圍內(nèi)感生出勻強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)存在角度為0°的缺陷時(shí),點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、中心點(diǎn)By-Bx曲線如圖12所示。

圖12 點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、中心點(diǎn)By-Bx曲線

由圖12可以看出,當(dāng)裂紋方向?yàn)?°時(shí),采樣點(diǎn)1與中心點(diǎn)位于裂紋上方,其采集到的信號(hào)一致,而點(diǎn)2、點(diǎn)3未處于裂紋上方,采集到的信號(hào)與無缺陷時(shí)的信號(hào)一致。由此可看出,缺陷只會(huì)影響到其正上方的采樣點(diǎn)信號(hào)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于三相交流信號(hào)的新型旋轉(zhuǎn)交流電磁場(chǎng)傳感器,由1個(gè)星形磁芯與6個(gè)激勵(lì)線圈構(gòu)成,并使用有限元仿真軟件建立了探頭模型。結(jié)果表明,該探頭可以在鐵磁性平板材料中心區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電流場(chǎng)。當(dāng)不存在裂紋缺陷時(shí),試件中心區(qū)域所檢測(cè)的信號(hào)幅值大小一致;當(dāng)存在裂紋缺陷時(shí),其中心點(diǎn)的磁場(chǎng)信號(hào)在X軸方向和Y軸方向的均方值比值在0°～90°內(nèi),隨著角度的增大而增大,在90°～180°內(nèi),隨著角度的增大而減小。其By-Bx曲線長(zhǎng)軸的傾斜角度與裂紋缺陷的方向呈線性關(guān)系,并隨著裂紋缺陷方向角度的增大而增大,因此可以根據(jù)By-Bx曲線長(zhǎng)軸的傾斜角度來識(shí)別裂紋的方向。