交流磁場檢測中激發(fā)頻率與提離的影響分析

馮蒙麗，蔡玉平，宋春榮，程 麗

（1.軍械工程學院基礎部，河北 石家莊 050003；2.軍械工程學院計算機工程系，河北 石家莊 050003）

0 引言

無損檢測是一種無破壞性鑒別被測樣品缺陷以及疲勞程度的方法，在航空、醫(yī)學、機械材料、石油管道等領域具有廣泛應用價值[1-3]。尤其是20世紀80年代后，隨著磁測量技術(shù)的快速發(fā)展，無損檢測在電子電路方面又開拓出了一片新的領域[4-6]。

實現(xiàn)無損檢測的方法有多種，如超聲檢測、射線檢測、電磁檢測等，其中電磁檢測包括渦流檢測、交流漏磁檢測以及近幾年興起的交變磁場檢測（alternating current field measurement，ACFM）等多種手段[7]。ACFM 技術(shù)具有非接觸檢測、定性定量檢測一次完成、不須標定等優(yōu)點[8]，但國內(nèi)對其研究起步較晚，主要停留在理論研究階段。作為一種新型技術(shù)，需要進一步對測量的可行性進行完善，才能推向?qū)嶋H應用領域。這種驗證完善可以通過試驗或者數(shù)值模擬計算得到，當然試驗手段具有相當?shù)目煽啃?，但在初始階段僅通過試驗來積累經(jīng)驗非常費時費力[9]。

隨著科技的發(fā)展，越來越要求裝備器械性能好、成本低，這就為仿真帶來了廣闊的空間，而計算機以及大型仿真軟件的進步，又使其得以快速發(fā)展，從而為研究在初始階段尋求方向，縮短研究時間，同時探尋規(guī)律，做出預測，為實驗應用奠定基礎。

該文采用ANSYS仿真工具，建立了ACFM缺陷檢測基礎模型，討論了提離高度和激發(fā)頻率對信號的影響。

1 ACFM缺陷檢測原理

根據(jù)楞次定律，電磁波在導體中傳播時，導體中將產(chǎn)生感應電流，而感應電流分布及大小與導體的電導特性有關(guān)。如果讓交變電流垂直于樣品平面，當被測樣品中無缺陷時感應電流均勻分布，電流線平行；如果存在缺陷，電流線會在缺陷邊緣處產(chǎn)生匯聚和偏轉(zhuǎn)，兩端電流密度比激勵電流要大得多，存在一定的奇異性，這種電流的變化會產(chǎn)生一個偶極子磁場[10-11]，如圖1所示。

圖1 交流磁場檢測原理

缺陷兩端電流最密集，會產(chǎn)生2個Bz峰值，根據(jù)兩峰值之間的距離可以確定缺陷的長度；沿缺陷方向Bx值受擾動，在缺陷最深處達到最小值。因此，ACFM檢測可以通過分析Bz和Bx獲得與缺陷有關(guān)的長度、深度信息。

2 仿真模型建立

取兩類材料建立模型：鋁相對磁導率為1，電阻率為 2.62×10-8Ω·m；低碳鋼相對磁導率為 210.0，電阻率為1.1×10-7Ω·m。

金屬板尺寸為300mm×300mm×3mm，板正中心長方體缺陷尺寸為10 mm×1 mm×1 mm，激勵線圈尺寸為 40 mm×25 mm×25 mm，厚度 1 mm，匝數(shù) 800 N，相對磁導率1，水平放置在裂縫上方的空氣中，金屬板與線圈相對位置如圖2所示。

3 仿真信號分析

在交流磁場檢測中，激勵頻率和提離高度是影響探測信號的人為可控的重要因素。

圖2 金屬板與線圈相對位置示意圖

該文針對鋁和低碳鋼仿真模型給出了不同激發(fā)頻率和提離高度下對探測信號的影響分析。

3.1 激發(fā)頻率對檢測信號的影響

改變激發(fā)頻率，可以發(fā)現(xiàn)缺陷對不同激發(fā)頻率的響應不同。圖 3 為鋁板缺陷在 0.5，1，2，4，5，6，7，8，10，12，15，20kHz激發(fā)頻率下，在裂縫上方 0.1mm處沿缺陷長度走向磁場Bz的分布。圖4為低碳鋼在不同激發(fā)頻率下的信號圖。

圖3 不同激發(fā)頻率下鋁缺陷信號

圖4 不同激發(fā)頻率下低碳鋼缺陷信號

通過比較發(fā)現(xiàn)，鋁（非磁性材料）Bz在磁場的最大值與最小值之間的距離為10mm（5～15mm之間），可準確表征缺陷長度值。激發(fā)頻率6kHz以上，信號基本重疊。

對于低碳鋼（磁性材料），缺陷長度為10.7 mm，與理想值相比存在些許誤差，頻率6 kHz時峰值最大。這為真實磁場測量提供了依據(jù)。

3.2 不同提離高度對檢測信號的影響

在磁場信號中，提離對檢測結(jié)果影響很大，因此有必要對提離的影響進行探討。

圖5、表 1 為鋁在提離高度 0.1，0.2，0.3，0.5，0.7，1.0，2.0，3.0mm 時的檢測結(jié)果。

圖6、表 2 為低碳鋼在提離高度 0.1，0.2，0.5，0.7，1.0，1.5，2.0，3.0mm 時的檢測結(jié)果。

圖5 不同提離高度下鋁缺陷信號

表1 鋁缺陷長度

結(jié)果顯示：

（1）在同一高度，低碳鋼（磁性材料）信號要比鋁（非磁性材料）的信號強，這主要是因為鐵磁性材料的集膚層較淺。

（2）由表1和表2看出，隨著提離高度變大，低碳鋼缺陷長度幾乎不變，而鋁變化較大，即非磁性材料對提離得敏感度要高于磁性材料。

圖6 不同提離高度下低碳鋼缺陷信號

表2 低碳鋼缺陷長度

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果顯示，對于磁性材料低碳鋼和非磁性材料鋁而言，當激勵頻率6000Hz左右時，信號最佳；而磁性材料對提離高度的敏感性要低于非磁性材料，就此而言ACFM方法更適合檢測磁性材料。

[1]宋生奎，宮敬，才建，等.油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)研究進展[J].石油工程建設，2005，30（2）：10-13.

[2]安治永，李應紅，梁華，等.無損檢測在航空維修中的應用[J].無損檢測，2006，28（11）：598-601.

[3]徐小杰，羅飛路，劉春艷，等.鐵磁性管道腐蝕遠場渦流檢測性能的改進[J].測試技術(shù)學報，2006，20（5）：461-466.

[4]Fleet E F，Chatraphorn S，Wellstood F C.HTs scanning SQUID microscopy of active circuit[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity，1999，9（2）：4103-4106.

[5]Chatraphorn S，F(xiàn)leet E F，Wellstood F C，et al.Scanning SQUID microcopy ofintegrated circuits [J].Applied Physics Letter，2000，76（16）：2304-2306.

[6]Fleet E，Gilbertson A，Chatraphorn S，et al.Imaging defects in Cu-clab NbTi wire using a high-tcScanning SQUID microscope[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity，2001，11（1）：215-218.

[7]康宜華，宋凱，楊建貴，等.幾種電磁無損檢測方法的工作特征[J].無損檢測，2008，30（12）：928-930.

[8]元和平.電磁檢測技術(shù)裝備及應用[J].石油機械，2005，33（1）：77-80.

[9]倪春生，陳國明，張彥廷.交流電磁場檢測探頭激勵線圈的數(shù)值仿真及優(yōu)化[J].中國石油大學學報：自然科學版，2007，31（2）：100-103.

[10]Alzayed N S，Chang X F，Lu D F，et al.Deep nondestructive testing using a bulk high T，rf-SQUID[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity，1994，4（2）：81-86.

[11]孫瑜，羅飛路，趙東明.利用交變磁場測量法的金屬表面缺陷檢測[J].測控技術(shù)，2004，23（2）：44-45.