交流電磁檢測技術(shù)在大型游樂設(shè)施重要焊縫快速檢測中的應(yīng)用研究

程遠 任麗麗

摘 要： 本文針對大型游樂設(shè)施存在的安全問題，為提高游樂設(shè)施檢測技術(shù)，消除安全隱患，交流電磁檢測技術(shù)在渦流無損檢測的基礎(chǔ)上提出，重點對影響交流電磁場檢測靈敏度的相關(guān)因素及陣列式交流檢測系統(tǒng)進行了研究。

關(guān)鍵詞： 交流電磁檢測；檢測靈敏度；陣列交流檢測

0 緒論

我國大型游樂設(shè)施存在設(shè)計和制造“先天不足”、維護和保養(yǎng)“后期失調(diào)”、長期“帶病運行”和超期服役現(xiàn)象嚴重等安全隱患。大型游樂設(shè)施作為關(guān)乎民眾生命安全的特種設(shè)備，必須將這些潛在的危險扼殺在搖籃里。而提高游樂設(shè)施檢測技術(shù)、保證游樂設(shè)施的安全運行至關(guān)重要。

交流電磁檢測技術(shù)，英文名Alternating Current Field Measurement，簡稱ACFM，是一種在渦流檢測和漏磁檢測基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興的無損檢測方法，是通過檢測工件表面由裂紋引起的磁場擾動來實現(xiàn)對金屬構(gòu)件損傷的早期評定。ACFM的優(yōu)點有無須接觸、無須標定受提離效應(yīng)影響小、檢測速度快、精度高、對裂紋缺陷的檢測定性定量一次完成等，在覆蓋有防腐涂層的結(jié)構(gòu)表面裂紋檢測領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1.交流電磁場檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)

ACFM技術(shù)的基本原理是在激勵線圈中通以均勻的交變電流，由電生磁、磁生電的原理在工件表面形成電、磁交替的場，在正常情況下，工件周圍的電磁場是均勻分布的，但當工件有缺陷存在時，電磁場的分布則會在缺陷處發(fā)生畸變，通過電磁場的這種擾動量來評定缺陷。其根本原因是工件在缺陷處的電阻率相對基體材料發(fā)生了變化，進而擾動了感應(yīng)電磁場，使得電磁場在缺陷的兩邊和底部分布較密。檢測探頭通過采集電磁場的擾動量，利用數(shù)字轉(zhuǎn)化技術(shù)對采集到的信息進行分析處理，根據(jù)擾動量與缺陷參數(shù)之間的關(guān)系，實現(xiàn)對缺陷的定性和定量分析。ACFM技術(shù)不需要與工件直接接觸就可完成缺陷檢測，而且該檢測方法對線圈與工件間的距離不敏感，這樣既可減少對工件表面覆蓋物的清理，另一方面檢測前通過準確的理論模型和數(shù)學模型，建立缺陷分布和尺寸與場分布的對應(yīng)關(guān)系，在不需要試塊標定的情況下，就可實現(xiàn)檢測的自動化。

2.影響交流電磁場檢測靈敏度的相關(guān)因素

缺陷檢測的靈敏度是指畸變磁場信號的幅值與無缺陷時磁場信號的比值定義為缺陷檢測的靈敏度。擾動電磁檢測的分布特征與試件、裂紋參數(shù)有一定的對應(yīng)關(guān)系。但是在實際檢測過程中，還要考慮其他影響檢測靈敏度的相關(guān)因素，如檢測頻率、提離高度以及工件材料特性等因素。

2.1激勵頻率對檢測靈敏度的影響

在交流電磁檢測中，擾動磁場的信號非常微弱，需要通過選擇合適的頻率，提高檢測信號的靈敏度。通過有限元仿真分析可知，當激勵頻率較小時，激勵線圈的檢測靈敏度不能發(fā)揮到最佳狀態(tài)，但是頻率過高，對檢測靈敏度的提高并沒有幫助。因此在設(shè)計交流檢測激勵線圈時，選擇恰當?shù)碾娏骷铑l率有助于提高檢測靈敏度。

2.2激勵電流大小對檢測靈敏度的影響

在交流電磁檢測過程中，激勵電流的大小是能夠改變和控制的因素之一，仿真分析的結(jié)果表明，當激勵電流變化時，靈敏度有所變化，但變化的范圍很小。電流的大小的波動對檢測靈敏度的影響較小，因此電源選擇的范圍較廣。

2.3提離對檢測靈敏度的影響

提離即為探頭與工件表面的距離，在渦流檢測技術(shù)中，提離對檢測信號有著明顯的影響。通過仿真分析可知，在提離成倍增加時，交流電磁場的檢測靈敏度雖然發(fā)生變化，但不甚敏感。

2.4材料對檢測靈敏度的影響

無論是鐵磁性材料低碳鋼還是非鐵磁性材料鋁，這兩種材料的Bx和Bz的靈敏度都隨著激勵電流頻率的增加而減小，且鐵磁性材料低碳鋼對激勵電流頻率的敏感性大于非鐵磁性材料鋁。

3.陣列交流電磁場檢測探頭的設(shè)計

為了提高檢測效率，增大檢測的覆蓋面，一方面是增加激勵線圈的體積，另一方面還可通過并列多個線圈來形成足夠大的磁場。通常把多個線圈并列排放的探測線圈組稱為陣列探頭。陣列探頭的探測線圈是按照一定的方式進行排列的，一次能夠覆蓋的區(qū)域為一個矩形區(qū)域，不是一個點，因此加大了單次檢測的范圍。陣列式探頭的優(yōu)點是無需進行多次的重復(fù)掃描便可實現(xiàn)大范圍、高速度的測量，并且在檢測精度和分辨率方面并不比單只傳感器差，因此在提高檢測速度的同時也保證了檢測的精度和可靠性。在惡劣的檢測環(huán)境，檢測的目標檢測人員難以靠近，需要長期實時監(jiān)測檢測情況時，陣列探頭的極大優(yōu)勢就顯現(xiàn)了出來。陣列探頭的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)檢測對象的形狀進行靈活多變的設(shè)計，尤其是針對一些復(fù)雜的檢測零件，同時具有克服和消除提離小型的優(yōu)勢，因此運用的領(lǐng)域極其廣泛。

激勵線圈的作用是在通具有一定變化規(guī)律的交變電流后，在被檢測工件的表面產(chǎn)生均勻交變的感應(yīng)電磁場。而由于裂紋的存在激勵線圈在工件中產(chǎn)生了渦流，這一渦流的存在對周圍的磁場產(chǎn)生了影響，使得線圈的阻抗增加了一個Z的增量。裂紋的存在與否決定了渦流的存在與否，由此裂紋被檢測了出來。激勵線圈作為磁場形成的源頭，對它的要求就是產(chǎn)生持久有效的電磁場，而且在導(dǎo)體中傳播時衰減量小或是不衰減，但是幾乎沒有能夠做到完全不衰減的激勵線圈。同時激勵線圈的形狀對工件表面電磁場的分布也有著直接的影響。因此有必要通過對激勵線圈形狀的合理設(shè)計來緩減電磁場的衰減。研究表明，條件相同時，在導(dǎo)體中感應(yīng)電磁場的衰減率方面，矩形線圈要比傳統(tǒng)渦流激勵線圈衰減的慢的多。因此矩形線圈在測量深度較大的裂紋時有著更大的優(yōu)勢，即矩形線圈的測量深度更深。

4.總結(jié)

本文分析了各因素對檢測靈敏度及激勵磁場分布特征的影響，得出以下結(jié)論：

（1）選取合適的激勵頻率既保證了檢測靈敏度，又不會造成資源的浪費；電流大小的波動對檢測靈敏度的影響較??；提離對交流檢測技術(shù)的影響較低；鐵磁性材料的檢測靈敏度要比非鐵磁性材料的靈敏度高。

（2）無論是從檢測的覆蓋面還是檢測深度方面，矩形線圈要比圓形和條紋狀線圈都表現(xiàn)出良好的優(yōu)勢，交流電磁場檢測系統(tǒng)中推薦采用陣列式矩形激勵線圈。

參考文獻

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