脈沖交流電磁場深層缺陷檢測機理仿真研究

孔慶曉　林李龍

摘要：為克服交流電磁場檢測技術對于深層缺陷檢測的技術瓶頸，在傳統(tǒng)交流電磁場檢測技術的基礎上，借助低頻脈沖激勵源實現電磁場的深層感應，開展了針對深層缺陷的脈沖交流電磁場深層缺陷檢測技術的仿真研究。建立了脈沖交流電磁場深層缺陷檢測有限元模型，分析了感應電磁場的滲透規(guī)律和缺陷對電磁場的擾動規(guī)律，提取了深層缺陷的脈沖響應信號，將響應信號的峰值沿掃描路徑作圖得到Bx、Bz信號特征。仿真結果表明，脈沖交流電磁場檢測技術能夠對深層缺陷進行檢測，所得到的Bx、Bz缺陷特征信號符合交流電磁場的缺陷信號特征。

關鍵詞：深層缺陷;脈沖激勵;特征信號

0 引言

交流電磁場檢測技術（Alternating Current Field Measurement，ACFM）是一種電磁無損檢測技術，其原理如圖1所示，基于法拉第電磁感應規(guī)律，激勵探頭在試件表面感應產生近似均勻分布的電流，若試件存在缺陷，則感應電流在缺陷處“繞行”，即向缺陷兩端繞過和向缺陷下方繞過。在圖1所示的坐標系中，向缺陷兩端繞過的感應電流將引起空間Z方向的磁場Bz發(fā)生畸變，而向缺陷下方繞過的感應電流將引起空間X方向的磁場Bx發(fā)生畸變，對磁場畸變信號Bz、Bx進行檢測即可實現對缺陷的檢測，且Bz信號能夠反映缺陷長度，Bx信號能夠反映缺陷深度[1-2]。

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

本文基于交流檢測場檢測技術，引入低頻脈沖激勵技術，開展了針對深層缺陷的脈沖交流電磁場檢測技術仿真研究，基于時頻聯(lián)合分析技術對缺陷信號進行了特征分析，實現對表面缺陷和深層缺陷的識別。

1 脈沖交流電磁場深層缺陷檢測技術原理

深層缺陷是指距離試件表面一定深度的內部缺陷，包括覆蓋層下的缺陷、多層結構內部缺陷等。傳統(tǒng)的電磁檢測方法采用正弦交流信號作為激勵，由于受到集膚效應的限制，難以在缺陷處感應產生電磁場。因此，對于深層缺陷而言，首先需要突破的技術瓶頸便是激勵技術。

脈沖激勵技術采用低頻方波信號作為激勵，如圖2所示。方波信號在上升沿和下降沿會產生一個急劇變化的空間磁場，該磁場將在試件中產生感應電流。對于脈沖激勵的感應機理方面，國內外學者一般從方波信號的傅里葉變化角度出發(fā)，認為組成方波信號的基波產生的感應電流滲透深度最大，并隨著諧波次數的增加，感應電流的滲透深度減少。從基波信號的感應電流的滲透深度出發(fā)，脈沖激勵信號的頻率應當選用低頻，但考慮到對表面以及近表面缺陷的檢測靈敏度，頻率又應適當提高，本文方波信號的頻率采用100 Hz，即T為0.01 s，高電平V為5 V，占空比為50%。

在深層缺陷處產生感應電流時，與表面缺陷相同，深層缺陷將阻礙感應電流的穿過，將引起感應電流的擾動，如圖3所示。在XY平面內，感應電流向缺陷的兩端繞過，引起空間磁場Bz的畸變。在YZ平面內，感應電流向缺陷上方以及下方繞過，引起空間磁場Bx的畸變。需要注意的是，感應電流向缺陷上方繞過引起的磁場變化與感應電流向缺陷下方繞過引起的磁場變化方向相反，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深層缺陷仿真模型，包括激勵線圈、磁芯、含有深層缺陷的試件等，實體模型如圖4（a）所示。仿真模型的各部分參數如表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行檢測相當于對埋深3 mm的缺陷進行檢測。脈沖激勵信號的加載采用電路與線圈耦合的方式實現，即利用CIRCU124單元創(chuàng)建獨立的脈沖電壓源，再通過CURR和EMF自由度實現與線圈單元的耦合，實現脈沖電壓信號的加載，有限元模型如圖4（b）所示。

2.2? ? 仿真結果分析

2.2.1? ? 深層缺陷對感應電流的擾動規(guī)律

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

2.2.2? ? 脈沖激勵下深層缺陷典型響應信號

提取缺陷上方X方向和Z方向的磁場強度信號作為缺陷的特征信號，典型的深層缺陷脈沖響應信號如圖6所示。脈沖響應信號有兩個典型的特征，即峰值Bp和峰值時間tp。峰值的大小由缺陷處擾動電流聚集的密度所決定，而峰值時間則是由感應電流由工件表面滲透到缺陷所在處的時間所決定的。

3 深層缺陷特征信號

激勵探頭在試件中感應產生的均勻電磁場不能覆蓋整個缺陷區(qū)域，為使仿真更加符合實際的檢測過程，本文在仿真時采用移動激勵探頭的方式，即將激勵探頭的中心位置在X方向上從-0.03 m處運動到0.03 m處，激勵探頭的運動步長為0.001 m，在激勵探頭的每個位置進行仿真計算并提取探頭正下方距工件表面1 mm處的脈沖響應信號Bx和Bz。將Bx和Bz信號的時域峰值沿掃描路徑作圖得到確信信號特征，如圖7所示。由圖7可知，脈沖交流電磁場深層缺陷的Bx和Bz特征信號與傳統(tǒng)ACFM表面缺陷的特征信號規(guī)律一致，可以用來表征缺陷的檢出，且Bz特征信號的波峰與波谷之間的距離可以表征缺陷的長度[1]。

4 結論

本文以深層缺陷檢測為研究對象，在交流電磁場檢測技術的基礎上引入低頻脈沖激勵技術，借助仿真分析的手段，開展脈沖交流電磁場深層缺陷檢測機理的研究，得到以下結論：

（1）脈沖激勵下試件中的感應電流由試件表面向深層滲透，能夠實現對深層缺陷的檢測。

（2）深層缺陷對感應電流的擾動規(guī)律基本與傳統(tǒng)ACFM一致，深層缺陷的Bx、Bz特征信號與ACFM表面缺陷特征信號一致，Bz特征信號的波峰與波谷間距離為深層缺陷的長度。

[參考文獻]

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

[2] 李偉，陳國明.U型ACFM激勵探頭的仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（14）：3131-3134.

收稿日期：2020-03-25

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

林李龍（1989—），男，浙江樂清人，二級實訓指導師，從事機械創(chuàng)新設計和先進制造技術研究工作。