基于交變電磁場(chǎng)的鋼板表面裂紋檢測(cè)方法

楊理踐，曹鴻威，高松巍

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

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基于交變電磁場(chǎng)的鋼板表面裂紋檢測(cè)方法

楊理踐，曹鴻威，高松巍

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

針對(duì)鋼板表面裂紋檢測(cè)的問題，提出了交變電磁場(chǎng)的檢測(cè)方法。研究了交變電磁場(chǎng)檢測(cè)原理，建立了交變電磁場(chǎng)仿真模型，通過改變鋼板表面裂紋深度等條件，分析計(jì)算了裂紋處磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。對(duì)不同深度鋼板裂紋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，隨檢測(cè)深度的增加，檢測(cè)信號(hào)峰值增長(zhǎng)正比于裂紋深度，檢測(cè)最大深度為5 mm。

交變電磁場(chǎng)檢測(cè);鋼板表面裂紋；磁感應(yīng)強(qiáng)度;矩形激勵(lì)線圈;趨膚效應(yīng)

0 引言

鋼板在生產(chǎn)與使用過程中受到原材料、制作工藝等影響，表面會(huì)出現(xiàn)裂紋。鋼板表面裂紋對(duì)鋼板機(jī)械性能影響巨大，會(huì)對(duì)鋼板的使用壽命造成嚴(yán)重影響。

常規(guī)的裂紋檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等。薛光輝等人提出了一種金屬磁記憶與渦流檢測(cè)相結(jié)合的裂紋檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了工件裂紋的快速有效檢測(cè)[1]。張永生等人基于電磁超聲原理對(duì)裂紋檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了裂紋的精準(zhǔn)定位[2]。張玉華等人采用渦流檢測(cè)裂紋，提出了利用相位旋轉(zhuǎn)和幅值信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)抑制提離干擾的方法，實(shí)現(xiàn)了提離效應(yīng)的有效抑制[3]。交變電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合渦流檢測(cè)與交變電壓降檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，具有無(wú)接觸測(cè)量，檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，適合鋼板表面裂紋的檢測(cè)[4-5]。

文中提出了一種基于交變電磁場(chǎng)檢測(cè)鋼板表面裂紋的方法，通過研究交變電磁場(chǎng)原理，建立交變電磁場(chǎng)仿真模型。分析了磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，實(shí)驗(yàn)得出檢測(cè)鋼板表面裂紋長(zhǎng)度與深度的規(guī)律。

1 交變電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

1.1 電流趨膚效應(yīng)

當(dāng)激勵(lì)線圈中通以交變電流時(shí)，附近金屬工件近表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流集中在靠近激勵(lì)線圈的金屬工件表面附近，電流密度隨著激勵(lì)線圈離表面距離的增加而減少，叫做趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)的感應(yīng)電流截面圖如圖1所示。

圖1 感應(yīng)電流截面圖

變化電磁場(chǎng)在金屬表面感應(yīng)的電流隨深度x遞減公式：

(1)

式中：J0為金屬工件表面的電流密度；f為線圈激勵(lì)頻率；μ為相對(duì)磁導(dǎo)；σ為工件電導(dǎo)率。

隨工件趨膚厚度的增加、線圈激勵(lì)頻率的增大，感應(yīng)電流密度Jx逐漸減小。

1.2 交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生原理

變電磁場(chǎng)檢測(cè)法采用正弦交流電信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，通以交變正弦電流的激勵(lì)線圈產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)，趨膚效應(yīng)使交變磁場(chǎng)在鋼板表面感應(yīng)出交變電流，激勵(lì)線圈為矩形線圈時(shí)，鋼板表面中心的感應(yīng)電流為勻強(qiáng)電流，交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生原理如圖2所示。

圖2 交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生原理圖

被測(cè)鋼板存在裂紋時(shí)，勻強(qiáng)電流發(fā)生畸變，裂紋端點(diǎn)電流聚集，裂紋中心電流稀疏，檢測(cè)線圈受到畸變的感生磁場(chǎng)信號(hào)變化的影響，接收鋼板表面畸變的裂紋信號(hào)，可以定量分析缺陷長(zhǎng)度與深度[6]。

1.3 交變電磁場(chǎng)計(jì)算

以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)計(jì)算交變電磁場(chǎng)，被測(cè)磁場(chǎng)的變化引起線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化。被測(cè)鋼板存在缺陷時(shí)，缺陷處感生磁場(chǎng)發(fā)生變化，線圈感應(yīng)磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。將匝數(shù)為N、截面積為S的圓柱形線圈放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可求出磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm。

當(dāng)激勵(lì)線圈中通以正弦交變電流時(shí)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)為

B=Bm·sinωt

(2)

鋼板近表面電流感生的磁通量穿過檢測(cè)線圈后，感應(yīng)磁場(chǎng)的磁通量為

φ=NS·Bmsinωt·cosθ

(3)

式中：N為檢測(cè)線圈匝數(shù)；S為檢測(cè)線圈橫截面積；θ為磁場(chǎng)方向與線圈夾角。

由電磁感應(yīng)定律可知，閉合線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與穿過線圈的磁通量的時(shí)間變化率成正比：

(4)

聯(lián)立式(2)、式(3)可得：

(5)

式中：εm為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值，εm=-NSω·cosθ。

當(dāng)θ=0時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最大值，此時(shí)εmax=-NSω·Bm。則磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值Bm為

(6)

測(cè)量出檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由式(6)可計(jì)算出磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2 Comsol有限元仿真分析

2.1 Comsol有限元建模

仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，缺陷為弧形裂紋缺陷。模型由空氣層、激勵(lì)線圈、帶裂紋的鋼板、檢測(cè)線圈、磁芯共5部分組成，在線圈內(nèi)部施加正弦交變電流，通過計(jì)算不同情況下的磁場(chǎng)強(qiáng)度，分析磁場(chǎng)分布規(guī)律。矩形激勵(lì)線圈在金屬工件表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流中心部分為勻強(qiáng)電場(chǎng)，滿足交變電磁場(chǎng)理論模型的要求。仿真與實(shí)驗(yàn)均采用矩形激勵(lì)線圈。

圖3 交變電磁場(chǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖

鋼板中心處上方的矩形多匝線圈提供激勵(lì)磁場(chǎng)，在線圈中通以正弦電流，激勵(lì)頻率為2 000 Hz，幅值為0.1 A。激勵(lì)線圈外半徑16 mm，內(nèi)半徑15 mm，長(zhǎng)26 mm。鋼板的尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。分別選取裂紋深度為1～6 mm的6組仿真。檢測(cè)線圈放置在鋼板裂紋正上方，提離值為0.5 mm，線圈外徑為3 mm，內(nèi)徑為1 mm，長(zhǎng)10 mm，線圈中心為圓柱體磁芯。

2.2 仿真結(jié)果分析

將激勵(lì)線圈通以頻率2 000 Hz，幅值0.1 A的電流，分別得出鋼板無(wú)裂紋、存在裂紋時(shí)激勵(lì)線圈與鋼板表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)度分布，如圖4所示。

綜上所述，20世紀(jì)80年代以來(lái)安康市出生人口性別比嚴(yán)重失調(diào)導(dǎo)致人口結(jié)構(gòu)失衡是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村男青年婚戀困難的根本原因，即農(nóng)村出生人口中男性數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于女性，導(dǎo)致了現(xiàn)階段農(nóng)村男青年的婚戀困難。

(a)無(wú)裂紋時(shí)鋼板表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

(b)存在裂紋時(shí)鋼板表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖4 鋼板表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布對(duì)比

由圖4得出，無(wú)裂紋時(shí)鋼板表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度在線圈周圍均勻分布，鋼板表面存在裂紋時(shí)，裂紋端點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，隨著裂紋深度的增加磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸衰減。

仿真計(jì)算x方向磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到不同深度缺陷情況下的感生磁場(chǎng)強(qiáng)度Bx二維圖，缺陷深度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm，鋼板正中心弧形裂紋長(zhǎng)度為40 mm，檢測(cè)截線設(shè)定在沿裂紋方向的鋼板中心處，距鋼板裂紋兩端沿著裂紋延伸各30 mm，即檢測(cè)線圈沿裂紋延伸方向檢測(cè)，移動(dòng)距離100 mm。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同深度裂紋的Bx分布趨勢(shì)圖

由圖5可得出，在x方向的畸變磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，在裂紋端點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值，在裂紋中心最深處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最小值。在缺陷深度1～5 mm之間，裂紋最深處深度與感生磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。在磁感應(yīng)強(qiáng)度最小點(diǎn)，鋼板表面裂紋最深。

3 交變電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈

采用矩形激勵(lì)線圈，U型鐵氧體磁芯，在線圈纏繞尺寸與纏繞內(nèi)徑相同的情況，U型鐵氧體磁芯比矩形鐵氧體磁芯增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的效果更強(qiáng)。激勵(lì)線圈外徑16 mm，內(nèi)徑15 mm，長(zhǎng)26 mm，線徑0.5 mm，匝數(shù)200匝，纏繞2層。

檢測(cè)線圈感應(yīng)鋼板表面裂紋處交變磁場(chǎng)的幅值變化，將檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通過分析輸出信號(hào)中電壓峰值的變化，可判斷鋼板表面裂紋特性。檢測(cè)線圈為空心圓柱體，放置在鋼板表面上方，提離值為0.5 mm。檢測(cè)線圈外徑為3 mm，內(nèi)徑為1 mm，長(zhǎng)10 mm，線徑0.05 mm，匝數(shù)為4 000匝，檢測(cè)線圈中心為圓柱體鐵氧體磁芯，激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈尺寸如圖6所示。

圖6 激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈尺寸

圖6的檢測(cè)線圈放置位置可檢測(cè)畸變的Bx方向磁感應(yīng)強(qiáng)度。在鋼板表面裂紋兩端的感生電流聚集,使流經(jīng)裂紋截面的電流強(qiáng)度下降，在裂紋最深處，電流密度最疏，使Bx方向的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值最小，Bx最小值對(duì)應(yīng)鋼板表面裂紋最深處。同理，Bx最大值對(duì)應(yīng)鋼板表面裂紋的端點(diǎn)，通過檢測(cè)Bx方向?qū)?yīng)的輸出電壓峰值可測(cè)得裂紋的長(zhǎng)度及深度。

3.2 交變電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

交變電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)由電源、信號(hào)發(fā)生器、功放電路、激勵(lì)線圈、磁芯、檢測(cè)線圈、實(shí)驗(yàn)鋼板、放大電路、示波器組成，如圖7所示。

圖7 交變電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

電源為電路提供工作電壓，信號(hào)發(fā)生器為激勵(lì)線圈提供正弦激勵(lì)信號(hào)，功率放大電路增強(qiáng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度，激勵(lì)線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，磁芯增強(qiáng)激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度，檢測(cè)線圈檢測(cè)鋼板表面裂紋附近畸變的磁場(chǎng)信號(hào)，放大電路放大檢測(cè)電壓信號(hào)，濾波電路濾除雜波以及噪聲干擾，輸出信號(hào)到示波器。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)鋼板長(zhǎng)度為200 mm，寬度為200 mm，厚度為10 mm。鋼板中心刻有6條不同深度的裂紋，裂紋間橫向、縱向間隔均為40 mm，裂紋缺陷長(zhǎng)度均為40 mm，寬度均為0.2 mm，深度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，線圈激勵(lì)頻率為2 000 Hz，激勵(lì)電流為0.1 A。

在沿裂紋方向上對(duì)深度為3 mm的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，使用示波器獲取原始的信號(hào)波形，分別得出在無(wú)裂紋處、裂紋端點(diǎn)處、裂紋中心最深處的波形，其中，激勵(lì)信號(hào)頻率為2 000 Hz，無(wú)裂紋處電壓峰值為0.98 V，裂紋兩端點(diǎn)電壓峰值為1.04 V，裂紋中心電壓峰值為0.9 V，波形如圖8所示。

圖8 沿裂紋方向輸出電壓信號(hào)峰值圖

圖8中裂紋端點(diǎn)處檢測(cè)電壓峰值最大，裂紋中心處檢測(cè)電壓峰值最小，證明了交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生原理。由弧形裂紋中深度變化的連續(xù)性可得出推論：隨裂紋深度的增加，檢測(cè)電壓逐漸減小，在裂紋最深處，檢測(cè)電壓峰值最小。

沿裂紋方向檢測(cè)6種不同深度的Bx方向上電壓峰值，如圖9所示。在實(shí)驗(yàn)中由裂紋兩端點(diǎn)外側(cè)各30 mm開始采集數(shù)據(jù)，每隔10 mm采集1次。

圖9 沿裂紋方向檢測(cè)電壓峰值趨勢(shì)圖

由圖9得出，檢測(cè)電壓變化趨勢(shì)與仿真中Bx方向的磁感應(yīng)變化趨勢(shì)一致，在鋼板表面無(wú)裂紋處，電壓變化基本穩(wěn)定，在裂紋邊緣的端點(diǎn)時(shí)，電壓峰值明顯增長(zhǎng)，電壓峰值最大值處判斷裂紋的起始點(diǎn)，第二次電壓峰值最大值可判定裂紋的端點(diǎn)，進(jìn)而得出裂紋長(zhǎng)度。隨裂紋深度增加，電壓峰值逐漸減小，在裂紋最深處達(dá)到最低值。由不同裂紋深度下的裂紋中心電壓峰值可知，隨裂紋深度的增加，檢測(cè)電壓峰值增大，忽略人工誤差，得出裂紋中心電壓的增長(zhǎng)與裂紋深度的增長(zhǎng)成正比，實(shí)驗(yàn)得出檢測(cè)線圈能夠檢測(cè)的最大深度約為5 mm。

在實(shí)際裂紋檢測(cè)中，為了能對(duì)裂紋的走向進(jìn)行判定，需進(jìn)行不同方向的檢測(cè)，通過分析不同裂紋走向的不同檢測(cè)電壓變化規(guī)律，得出裂紋走向的判定性結(jié)論。對(duì)垂直于鋼板表面裂紋方向的檢測(cè)信號(hào)的結(jié)果分析得出，垂直于裂紋走向的檢測(cè)電壓只在線圈經(jīng)過裂紋時(shí)，具有明顯的電壓峰值變化。分別檢測(cè)經(jīng)過裂紋時(shí)不同深度的檢測(cè)電壓峰值，得到6組不同的電壓信號(hào)對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 垂直裂紋方向輸出電壓信號(hào)峰值對(duì)比

裂紋深度/mm無(wú)缺陷電壓/V裂紋中心電壓/V14.665.2324.675.4734.675.7244.665.9554.686.1864.676.23

將表1中數(shù)據(jù)繪制成二維圖表示其規(guī)律性，結(jié)果如圖10所示，橫軸為裂紋深度，縱軸為裂紋處檢測(cè)電壓峰值。

垂直于裂紋方向上，檢測(cè)電壓峰值隨裂紋深度的增加而增大，電壓增大與鋼板表面裂紋深度的增加成正比，與無(wú)缺陷時(shí)的檢測(cè)電壓不同?？梢缘贸觯捍怪庇诹鸭y方向檢測(cè)可檢測(cè)鋼板表面是否存在裂紋，裂紋深度不同，檢測(cè)電壓峰值亦不同，裂紋走向不同，檢測(cè)電壓峰值的變化趨勢(shì)不同。

5 結(jié)束語(yǔ)

在沿裂紋檢測(cè)方向，裂紋端點(diǎn)檢測(cè)電壓峰值最大，隨裂紋深度的增加，電壓逐漸減小，在裂紋最深處檢測(cè)電壓最低，不同深度的裂紋電壓變化明顯；在沿裂紋檢測(cè)與垂直于裂紋檢測(cè)方向上，檢測(cè)電壓峰值的增大與裂紋深度的增大成正比，檢測(cè)最大極限深度為5 mm。

圖10 垂直裂紋方向輸出電壓信號(hào)峰值圖

[1] 薛光輝，趙國(guó)瑞，朱世鋼，等.基于金屬磁記憶檢測(cè)和渦流檢測(cè)技術(shù)的大型振動(dòng)篩下橫梁裂紋檢測(cè)方法.煤炭學(xué)報(bào),2010(7):1215-1218.

[2] 張永生，黃松嶺，趙偉，等.基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測(cè)系統(tǒng).無(wú)損檢測(cè),2009 (4):307-310.

[3] 張玉華，羅飛路，孫慧賢.飛機(jī)輪轂渦流檢測(cè)中探頭提離效應(yīng)的分析與抑制.儀器儀表學(xué)報(bào),2009 (4):786-790.

[4] 史洪源，任尚坤，陳金貴，等.基于交變漏磁的裂紋檢測(cè)系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2013 (5):65-66.

[5] 冷建成，趙瑞金，周國(guó)強(qiáng)，等.ACFM技術(shù)及其在鉆修機(jī)械平臺(tái)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用.無(wú)損檢測(cè),2013 (5):47-51.

[6] NOROOZI A,HASANZADEH P R,MARYAMRAVAN.A fuzzy learning approach for Identification of arbitrary crack profiles using ACFM technique.IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,2013,(9):49.

Steel Surface Defect Detection Method Based on AlternatingCurrent Field Measurement

YANG Li-jian,CAO Hong-wei,GAO Song-wei

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870，China)

For the problem that steel surface cracks was defected, alternating current field measurement was proposed. The principle of alternating current field measuremen was studied, a Comsol electromagnetic simulation model was set up and calculated by changing the conditions of the steel surface crack depth and magnetic field intensity distribution of defects were analyzed. According to the simulation results of the design experiments, under the same experimental conditions, with the increase of the depth of detection, the detection signal peak is proportional to the depth of the crack growth, the maximum detection depth is 5mm.

ACFM; steel surface crack; magnetic induction intensity; rectangular excitation coil; skin effect

十二五國(guó)家科技部支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAK06B01-03)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863資助項(xiàng)目(2012AA040104)；科技部國(guó)家重大儀表專項(xiàng)(2012YQ090175)

2015-02-06 收修改稿日期：2015-07-26

TG115.28

A

1002-1841(2015)10-0107-04

楊理踐(1957—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事管道檢測(cè)及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等方面的研究。E-mail：gaosongwei888@163.com