基于交變磁場測量技術的裂紋缺陷定量檢測系統設計

史洪源，陳金貴，任尚坤

（1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.廈門艾帝爾電子科技有限公司，廈門 361008）

交變磁場測量技術又稱ACFM（Alternative current field measurement），交變磁場檢測和渦流檢測技術是兩種常用的對金屬整體結構評價的無損檢測方法［1］。在待測工件中通以交變電流，此時工件表面外空間產生交變磁場，若工件表面存在裂紋等缺陷，勢必對電流分布產生影響，從而影響到磁場分布［2］，測量這個磁場變化，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和涂層，同時不需要標定試塊，因此在結構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技術中，可以測量工件表面感應磁場磁通密度的三個分量，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。當缺陷長度方向也與電流方向垂直時，x分量的方向將與缺陷長度方向平行。在仿真建模時，由于工件相對于激勵場來說可以看作無限大，因此為了方便建模和數據提取，模型中選取的計算區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 裂紋定量計算基礎

圖1 ACFM缺陷檢測原理示意圖

根據電磁感應定律可知，當工件表面沒有缺陷時，感應電流均勻分布，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。當電流經過含缺陷工件表面時，電流向缺陷兩端和底面偏轉，使流經缺陷面的電流強度減小，缺陷越深的地方，電流線越稀疏，感應磁場磁通密度值也就越小；另外，電流在缺陷兩端聚集，勢必使缺陷兩端點處的磁通密度處于極大值。當探頭沿著缺陷表面進行掃描時，Bx軸出現一個寬凹陷區，By和Bz出現高幅值的波峰和波谷，如圖1所示。由于By的數量級較小，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。

根據大量仿真數據，總結出缺陷定量計算有三條規律：①Bz峰－峰值間距長度具有線性遞增變化關系，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，呈單調遞增關系［4］。

基于以上三條規律，借助插值算法的思想，可以建立一種簡單的對缺陷實時檢測的反演算法。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 根據規律一，由Lz經插值得到Lo。② 根據規律二，由Lo經插值得到不同D對應的Sx。③ 根據規律三，根據長度為Lo時D－Sx的關系，由Sx插值得到Do。至此，由Sx和Lz，得到了Lo和Do，實現了尺寸反演［5］。

3 裂紋定量檢測系統

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

圖2 ACFM定量檢測系統圖

3.1 激勵探頭設計

在ACFM檢測系統中，激勵探頭由骨架和激勵線圈組成。激勵探頭能夠在被檢工件表面感應出的勻強電流強度越大，則出現裂紋時，空間的擾動磁場強度越大。

增加激勵線圈的匝數或者增加線圈電流都可以加大激勵線圈的磁場強度，而如果在激勵線圈中加入磁芯，工件表面的激勵電流密度、磁場強度和磁感應強度均遠遠大于無磁芯線圈激勵的情況［6－7］。

U型磁芯和矩形磁芯都能夠加大磁感應強度，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條件下獲得比較強的感應電磁場，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探頭骨架。

綜合以上各種因素，激勵磁芯采用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 檢測探頭設計

由法拉第電磁感應定律可知，閉合線圈的感應電動勢ε與穿過該線圈的磁通的時間變化率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NS，其中N為線圈匝數，S為檢測探頭橫截面積，B為磁感應強度，d為檢測探頭內徑，D為外徑。系統采用的檢測線圈是多層結構（圖3），其線圈常數表達式為［8］：

綜合考慮空間點磁場的測量和保證檢測靈敏度的要求，所設計的Bx，Bz探測線圈尺寸應滿足［5］：

圖3 檢測探頭形狀

因此設計檢測線圈時需要綜合考慮線圈常數和線圈骨架，以使檢測到的信號為點信號且信號強。

3.3 系統硬件電路設計

檢測系統的硬件電路主要由模擬前端和由FPGA控制的A／D轉換及D／A轉換電路和計算機控制的人機接口、報警單元、存儲單元、顯示部分組成（圖4）。模擬前端包括正弦信號發生、檢測探頭、前置放大、濾波、平衡濾波、可調增益放大等。檢測時，由計算機控制和改變硬件電路以產生不同頻率和幅值的正弦電壓，激勵探頭在被測試塊上感應出勻強渦流，檢測線圈檢測渦流擾動產生的信號變化，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轉換后進行軟件處理，軟件處理后的信號將在顯示屏上顯示出來。

圖4 系統硬件功能框圖

激勵信號模塊分為信號發生和功率放大兩部分，正弦信號采用直接數字合成（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DDS（直接數字合成）技術，推出的具有高集成度DDS電路的器件，它內部包含高速、高性能D／A轉換器及高速比較器，可作為全數字編程控制的頻率合成器和時鐘發生器［9］。

用于DDS合成的信號比較小，不能直接驅動激勵線圈工作，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。系統采用甲乙類互補對稱功率放大電路（圖5）。

圖5 甲乙類互補對稱功率放大電路

由檢測線圈檢測到的信號比較小，因此首先應將信號放大，以便后續處理。因為檢測線圈容易受到周圍環境的電磁信號影響，使得檢測到的信號中常常包含許多雜波，因此信號調理電路需要對檢測到的差分信號做進一步的濾波處理。

對于信號調理電路處理的信號需要經過A／D轉換送入主機電腦才能完成進一步的處理和顯示。

3.4 系統軟件設計

圖6 系統軟件結構圖

系統軟件分4層設計，分別為設備驅動層、操作系統OS層、應用程序層和人機接口層，具體結構如圖6所示。其中設備驅動層包括A／D、D／A和通信接口等部分；OS層選用windows操作系統，應用程序層建立在設備驅動層和人機接口層之上，包括數據采集后的濾波程序、平衡算法、渦流信號特征值的擬和、整個儀器的校正；人機接口層為儀器的顯示界面，諸如檢測結果和檢測頻率、增益、相位等參數的顯示。

4 試驗及結果分析

在完成整個電路搭建及軟件測試后，配以自制探頭，并根據ASTM標準制作了試塊。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，相對磁導率為210.0；激勵信號頻率選用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

試驗操作平臺如圖8所示，檢測結果如圖9所示。

圖8 試驗操作平臺

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

圖9 不同裂紋檢測結果

表1 測得數據分析

可以看出，裂紋測長時，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。

［1］Salemi A H，Sadeghi S H H，Moini R.Thin－skin analysis technique for interaction of arbitrary－shape inducer field with long cracks in ferromagnetic metals［J］.NDT＆E Int，2004，37（6）：471－479.

［2］Lewis A M，Collins R，Michael D H.The thin－skin electromagnetic field near a surface crack in a ferromagnetic metal［C］.In：Thompson DO，Chimenti DE，Editors.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation.New York：Plenum，1990（9A）：273－280.

［3］陳建忠，史耀武.無損檢測交變磁場測量法［J］.無損檢測，2001，23（3）：96－99.

［4］任尚坤，朱志斌，林天華，等.擾動磁場檢測技術中裂紋磁場信號的反演［J］.無損檢測，2010，32（2）：86－89.

［5］李偉.基于交流電磁場的缺陷智能可視化檢測技術研究［D］.東營：中國石油大學（華東），2007.

［6］邱關源.電路［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［7］任吉林，林俊明.電磁無損檢測［M］.北京：科學出版社，2008.

［8］張玉華.金屬平板表面缺陷擾動的磁場量分布研究［D］.長沙：國防科技大學，2003.

［9］郭勇，肖明清，譚靖，等.DDS芯片AD9851及其應用［J］.電子技術，2001（2）：54－56.

［10］康華光.電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006.