基于旋轉交流電磁場的鐵磁材料裂紋方向檢測

郭 慶, 胡嚴太 , 胡鴻志, 代元濤, 耿妍婷, 李遠強

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院,廣西 桂林 541004;2.廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室,廣西 桂林 541004)

隨著現代工業技術的迅猛發展,鐵磁材料因其良好的可塑性和結構性被廣泛應用于建筑、航空航天、能源、運輸等領域[1]。然而在實際生產和應用中,諸如電機、變壓器、地下管道、飛機、鐵軌等設備長期處于高強度、強壓力的工作環境中,其中的鐵磁材料可能會產生裂紋、腐蝕、缺口等缺陷[2]。因此,對鐵磁性材料進行無損檢測是十分有必要的。在常見的鐵磁性材料的無損檢測方法中,基于電磁原理的檢測方法,如電磁超聲技術[3]、渦流技術[4]、漏磁技術等[5],因具有特殊優勢而得到國內外學者的廣泛關注。其中,漏磁檢測技術可以對裂紋缺陷進行有效檢測,但需要將工件磁化到近飽和狀態,導致其磁化機構體積較大。渦流檢測技術只能給出缺陷存在,很難定量、定位檢測缺陷[6]。交流電磁場檢測(Alternating Current Filed Measurement,ACFM)技術是一種在渦流檢測和漏磁檢測基礎上發展起來的新興無損檢測技術[7],相對于渦流檢測與漏磁檢測,ACFM技術具有速度效應影響小、檢測信號受提離變化小和量化精度高等優點[8],因此被廣泛應用于金屬表面的裂紋檢測當中。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的信號分布與強度,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證了該解析模型的正確性[10]。

然而,傳統的ACFM檢測技術具有方向性,僅對垂直于感應電流方向的裂紋具有較高的靈敏度,而對平行于感應電流方向的裂紋靈敏度較低,故存在出現缺陷誤檢、漏檢的可能[11]。為此,Li等[12-13]設計了一種雙U形正交ACFM探頭,利用有限元分析軟件驗證了該探頭對任意方向缺陷檢測的有效性,并將其應用到了水下結構裂紋缺陷的檢測中。孫長保等[14]基于ACFM技術原理,分析了橫向以及縱向裂紋缺陷檢測信號Bx、By特征向量的特點及其形成機理,通過信號圖譜特征和信號幅值衰減規律判斷出斜向及橫向裂紋缺陷的大小及位置[14]。

在此基礎上,本文采用旋轉磁場作為交流電磁場檢測的激勵源,利用有限元分析軟件建立探頭模型,對多個采樣點采集不同位置的磁場信息,分析了不同方向裂紋的磁場信號特征,獲得了缺陷的磁場信號By-Bx曲線長軸傾斜角度與裂紋缺陷方向的關系,為裂紋缺陷方向檢測提供依據。

1 旋轉ACFM原理

ACFM基于電磁感應原理,將通有正弦交流電的矩形線圈靠近金屬工件時,由于趨膚效應,其感應電流集中于工件表面,形成勻強感應電流。如圖1所示,當工件存在裂紋缺陷時,基于電流優先走向原則,感應電流會經裂紋的兩端和底部繞過缺陷,使得均勻電流發生畸變,從而導致工件表面感應磁場信號發生畸變。通過檢測裂紋處磁場的強弱變化,即可對缺陷進行定位、定量分析。

圖1 ACFM原理示意圖

1.1 U形ACFM探頭的渦流效應

為增強被檢工件的磁化強度,在線圈中加入U形磁軛,將磁感線束縛在磁軛當中,并與被檢工件形成磁回路。與常規AFCM探頭不同,U形ACFM探頭的感應電流分為兩部分: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。當對線圈通正弦電流時,在磁回路中的磁感線發生交變。由楞次定律可知,磁回路中的磁感應強度發生變化時,其感應渦流會產生二次磁場來阻礙這種變化,使得兩個極靴附近的感應渦流在極靴中點處切線方向與圍繞磁回路周圍的感應渦流在極靴中點處的渦流方向相同,與磁感線的方向垂直。

圖2 U形ACFM探頭的渦流效應

1.2 U形ACFM探頭的漏磁效應

當使用U形ACFM探頭檢測鐵磁性材料時,其缺陷所產生的漏磁不可忽略。由于鐵磁性材料的相對磁導率遠大于空氣,當沒有缺陷存在時,幾乎所有的磁感線都被束縛在工件內部。當有缺陷存在時,基于最小磁阻原則,大部分磁感線會通過缺陷邊緣繞過缺陷部位,小部分則從缺陷邊界折射進入空氣,在缺陷部位形成漏磁場,具體情況如圖3所示。

圖3 U形ACFM探頭的漏磁效應

因此,使用U形ACFM探頭檢測鐵磁材料缺陷時,其檢測到的磁場信號由感生電流產生的感生磁場與磁感線泄露所形成的漏磁場共同構成。當工件沒有缺陷時,其磁場信號可表示為

Bd=B背+B渦

(1)

式中:B背為檢測環境存在的背景磁場;B渦為由感應渦流引發的磁場。當試件內存在缺陷時,檢測傳感器檢測到缺陷處的信號可表示為

(2)

(3)

1.3 旋轉ACFM探頭引入

然而,使用U形ACFM探頭對工件進行檢測時,不同的裂紋方向起主導作用的原因不同。當裂紋方向與掃描方向平行時,裂紋的磁阻相對較小、電阻較大,起主導作用的為渦流所產生的感應磁場。當裂紋方向與掃描方向垂直時,裂紋的電阻相對較小、磁阻較大,起主導作用的為漏磁場。為此,在U形ACFM探頭的基礎上,引入三相正弦信號作為磁場激勵,其結構由3個U形磁芯與三相載流線圈組成,其中線圈匝數相同、形狀一致、軸線在空間中互差120°,如圖4所示。

圖4 旋轉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°的正弦激勵信號:

(4)

由電磁感應定律得,其線圈產生的磁感線通過鐵芯聚集在一起注入工件中,在每個極靴的下方形成交變的感應渦流,將每個由極靴附近形成的感應渦流進行合成,形成一個二極旋轉渦流場,其中在探頭中心的正下方形成一個局部的勻強旋轉渦流場,其旋轉頻率與正弦激勵頻率相同。同時在工件內部形成3個交變磁場,這3個交變磁場經過合成,形成一個二極旋轉磁場,其中在探頭中心的正下方形成一個局部的勻強旋轉磁場,其旋轉頻率與正弦激勵頻率相同。因其磁感線繞中心點做旋轉運動,導致沿旋轉運動切線方向的磁感應強度增加,沿旋轉運動切線反方向的磁感應強度減小。由楞次定律可知,其磁感線做旋轉運動所產生的感應電流沿半徑指向圓心,其感應磁場與旋轉磁場方向相反。當工件沒有缺陷時,其在缺陷上方檢測到的磁場由工件內部的感應電流所形成。當工件有缺陷時,其勻強旋轉磁場將發生畸變,在缺陷上方檢測到的磁場由工件內部的感應電流與缺陷部位所泄露的漏磁場共同決定。通過分析畸變信號的特性,即可得到缺陷的相關信息。

2 旋轉ACFM探頭有限元仿真

由于旋轉ACFM探頭的解析模型較為復雜,本文采用有限元仿真軟件對旋轉ACFM檢測探頭進行建模分析,其結構如圖5所示。該模型主要包括試件、星形磁芯、矩形勵磁線圈和空氣域4個部分。其中,線圈的高為20 mm、厚為3 mm、匝數為240匝、導線線徑為0.5 mm。每相鄰的兩個線圈通以頻率相同、幅值為0.5 A、相位相差60°的正弦電流激勵。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ACFM檢測探頭仿真模型

采用軟件自帶的細化網格功能進行網格剖分,并對探頭附近重點計算區域進行二次網格細分,其仿真網格如圖6所示。

圖6 網格分化圖

圖7 一周期內的感應電流方向變化

3 仿真數據分析

目前常見的磁場檢測傳感器主要包括檢測線圈、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某一方向的磁場信號敏感,為此本文通過有限元仿真采集采樣點處的磁場信號,分析不同方向的磁場信號,為后期磁傳感器的選擇提供依據。同時,為提取更多的缺陷信息,本文采用陣列式采樣點采集不同位置的磁場信號,其采樣點位置如圖8所示,其中提離值為1 mm。

圖8 陣列式采樣點

3.1 中心點數據分析

由于中點處Z軸方向的磁場擾動較小,因此,選擇Bx與By作為裂紋檢測的磁場信號。為此,以長、寬、高分別為20 mm、0.4 mm、3 mm的長方體模擬裂紋缺陷,并采集了不同方向缺陷的磁場時序信號和均方值。當試件無缺陷時,其Bx為正弦信號,By為余弦信號,兩者的均方值相等,均方值比Bxq/Byq=1。當試件有缺陷時,其Bx為正弦信號,By為余弦信號,其幅值發生不同程度的畸變,兩者均方值的不同,其均方值比值Bxq/Byq與方向的關系如圖9所示。由圖9可知,在0°～90°內,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 單點采樣不同角度缺陷Bx與By均方值比曲線

對于時序信號,令磁場信號Bx為橫坐標,By為縱坐標作圖,得在中心點處不同方向的By-Bx曲線如圖10所示。

圖10 單點采樣不同角度的By-Bx特性曲線

由圖10可得,當無缺陷時,其By-Bx曲線近似為圓形;當有缺陷時,其By-Bx曲線為橢圓形,同時橢圓的長軸傾斜角度隨著裂紋方向的增大而增大。為此,設橢圓的一般方程為

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

(5)

令多個測量點為Pi(xi,yi),根據最小二乘原理,所要求的目標函數可設為

(6)

為使F最小,分別對F的各項系數求偏導,令其為0,即:

(7)

得到方程組如下:

(8)

解出方程中F的各項系數,根據公式:

(9)

即可求出不同角度的By-Bx曲線的長軸傾斜角度,結果如圖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曲線的長軸傾斜角度與裂紋角度的關系

3.2 陣列點數據分析

為防止缺陷漏檢,采用多點采樣采集磁場信號,令相鄰的兩個采樣點間隔為5 mm,組成一個正六邊形采樣陣列。當試件無缺陷時,得到每個采樣點的Bx、By信號幅值如表2所示。

表2 無缺陷時各個采樣點Bx、By信號幅值

由表2可知,當無缺陷時,各個采樣點的信號幅度大小相似,說明旋轉AFCM探頭在這六點組成的六邊形范圍內感生出勻強磁場。當存在角度為0°的缺陷時,點1、點2、點3、中心點By-Bx曲線如圖12所示。

圖12 點1、點2、點3、中心點By-Bx曲線

由圖12可以看出,當裂紋方向為0°時,采樣點1與中心點位于裂紋上方,其采集到的信號一致,而點2、點3未處于裂紋上方,采集到的信號與無缺陷時的信號一致。由此可看出,缺陷只會影響到其正上方的采樣點信號。

4 結束語

本文介紹了一種基于三相交流信號的新型旋轉交流電磁場傳感器,由1個星形磁芯與6個激勵線圈構成,并使用有限元仿真軟件建立了探頭模型。結果表明,該探頭可以在鐵磁性平板材料中心區域產生一個旋轉電流場。當不存在裂紋缺陷時,試件中心區域所檢測的信號幅值大小一致;當存在裂紋缺陷時,其中心點的磁場信號在X軸方向和Y軸方向的均方值比值在0°～90°內,隨著角度的增大而增大,在90°～180°內,隨著角度的增大而減小。其By-Bx曲線長軸的傾斜角度與裂紋缺陷的方向呈線性關系,并隨著裂紋缺陷方向角度的增大而增大,因此可以根據By-Bx曲線長軸的傾斜角度來識別裂紋的方向。