基于旋轉(zhuǎn)交流電磁場的鐵磁材料裂紋方向檢測

郭 慶, 胡嚴(yán)太 , 胡鴻志, 代元濤, 耿妍婷, 李遠(yuǎn)強

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

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,鐵磁材料因其良好的可塑性和結(jié)構(gòu)性被廣泛應(yīng)用于建筑、航空航天、能源、運輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。然而在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中,諸如電機、變壓器、地下管道、飛機、鐵軌等設(shè)備長期處于高強度、強壓力的工作環(huán)境中,其中的鐵磁材料可能會產(chǎn)生裂紋、腐蝕、缺口等缺陷[2]。因此,對鐵磁性材料進(jìn)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(shù)[3]、渦流技術(shù)[4]、漏磁技術(shù)等[5],因具有特殊優(yōu)勢而得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中,漏磁檢測技術(shù)可以對裂紋缺陷進(jìn)行有效檢測,但需要將工件磁化到近飽和狀態(tài),導(dǎo)致其磁化機構(gòu)體積較大。渦流檢測技術(shù)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(shù)是一種在渦流檢測和漏磁檢測基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興無損檢測技術(shù)[7],相對于渦流檢測與漏磁檢測,ACFM技術(shù)具有速度效應(yīng)影響小、檢測信號受提離變化小和量化精度高等優(yōu)點[8],因此被廣泛應(yīng)用于金屬表面的裂紋檢測當(dāng)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(lián)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(tǒng)的ACFM檢測技術(shù)具有方向性,僅對垂直于感應(yīng)電流方向的裂紋具有較高的靈敏度,而對平行于感應(yīng)電流方向的裂紋靈敏度較低,故存在出現(xiàn)缺陷誤檢、漏檢的可能[11]。為此,Li等[12-13]設(shè)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(yīng)用到了水下結(jié)構(gòu)裂紋缺陷的檢測中。孫長保等[14]基于ACFM技術(shù)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(guī)律判斷出斜向及橫向裂紋缺陷的大小及位置[14]。

在此基礎(chǔ)上,本文采用旋轉(zhuǎn)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(guān)系,為裂紋缺陷方向檢測提供依據(jù)。

1 旋轉(zhuǎn)ACFM原理

ACFM基于電磁感應(yīng)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(yīng),其感應(yīng)電流集中于工件表面,形成勻強感應(yīng)電流。如圖1所示,當(dāng)工件存在裂紋缺陷時,基于電流優(yōu)先走向原則,感應(yīng)電流會經(jīng)裂紋的兩端和底部繞過缺陷,使得均勻電流發(fā)生畸變,從而導(dǎo)致工件表面感應(yīng)磁場信號發(fā)生畸變。通過檢測裂紋處磁場的強弱變化,即可對缺陷進(jìn)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(yīng)

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(dāng)中,并與被檢工件形成磁回路。與常規(guī)AFCM探頭不同,U形ACFM探頭的感應(yīng)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(dāng)對線圈通正弦電流時,在磁回路中的磁感線發(fā)生交變。由楞次定律可知,磁回路中的磁感應(yīng)強度發(fā)生變化時,其感應(yīng)渦流會產(chǎn)生二次磁場來阻礙這種變化,使得兩個極靴附近的感應(yīng)渦流在極靴中點處切線方向與圍繞磁回路周圍的感應(yīng)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(yīng)

1.2 U形ACFM探頭的漏磁效應(yīng)

當(dāng)使用U形ACFM探頭檢測鐵磁性材料時,其缺陷所產(chǎn)生的漏磁不可忽略。由于鐵磁性材料的相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣,當(dāng)沒有缺陷存在時,幾乎所有的磁感線都被束縛在工件內(nèi)部。當(dāng)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(jìn)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(yīng)

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(chǎn)生的感生磁場與磁感線泄露所形成的漏磁場共同構(gòu)成。當(dāng)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(huán)境存在的背景磁場;B渦為由感應(yīng)渦流引發(fā)的磁場。當(dāng)試件內(nèi)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(zhuǎn)ACFM探頭引入

然而,使用U形ACFM探頭對工件進(jìn)行檢測時,不同的裂紋方向起主導(dǎo)作用的原因不同。當(dāng)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(dǎo)作用的為渦流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場。當(dāng)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(dǎo)作用的為漏磁場。為此,在U形ACFM探頭的基礎(chǔ)上,引入三相正弦信號作為磁場激勵,其結(jié)構(gòu)由3個U形磁芯與三相載流線圈組成,其中線圈匝數(shù)相同、形狀一致、軸線在空間中互差120°,如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)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(yīng)定律得,其線圈產(chǎn)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(yīng)渦流,將每個由極靴附近形成的感應(yīng)渦流進(jìn)行合成,形成一個二極旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)渦流場,其旋轉(zhuǎn)頻率與正弦激勵頻率相同。同時在工件內(nèi)部形成3個交變磁場,這3個交變磁場經(jīng)過合成,形成一個二極旋轉(zhuǎn)磁場,其中在探頭中心的正下方形成一個局部的勻強旋轉(zhuǎn)磁場,其旋轉(zhuǎn)頻率與正弦激勵頻率相同。因其磁感線繞中心點做旋轉(zhuǎn)運動,導(dǎo)致沿旋轉(zhuǎn)運動切線方向的磁感應(yīng)強度增加,沿旋轉(zhuǎn)運動切線反方向的磁感應(yīng)強度減小。由楞次定律可知,其磁感線做旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的感應(yīng)電流沿半徑指向圓心,其感應(yīng)磁場與旋轉(zhuǎn)磁場方向相反。當(dāng)工件沒有缺陷時,其在缺陷上方檢測到的磁場由工件內(nèi)部的感應(yīng)電流所形成。當(dāng)工件有缺陷時,其勻強旋轉(zhuǎn)磁場將發(fā)生畸變,在缺陷上方檢測到的磁場由工件內(nèi)部的感應(yīng)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(guān)信息。

2 旋轉(zhuǎn)ACFM探頭有限元仿真

由于旋轉(zhuǎn)ACFM探頭的解析模型較為復(fù)雜,本文采用有限元仿真軟件對旋轉(zhuǎn)ACFM檢測探頭進(jìn)行建模分析,其結(jié)構(gòu)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(shù)為240匝、導(dǎo)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(zhuǎn)ACFM檢測探頭仿真模型

采用軟件自帶的細(xì)化網(wǎng)格功能進(jìn)行網(wǎng)格剖分,并對探頭附近重點計算區(qū)域進(jìn)行二次網(wǎng)格細(xì)分,其仿真網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格分化圖

圖7 一周期內(nèi)的感應(yīng)電流方向變化

3 仿真數(shù)據(jù)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(jù)。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(shù)據(jù)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(dāng)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(dāng)試件有缺陷時,其Bx為正弦信號,By為余弦信號,其幅值發(fā)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(guān)系如圖9所示。由圖9可知,在0°～90°內(nèi),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(biāo),By為縱坐標(biāo)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(dāng)無缺陷時,其By-Bx曲線近似為圓形;當(dāng)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(shè)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(jù)最小二乘原理,所要求的目標(biāo)函數(shù)可設(shè)為

(6)

為使F最小,分別對F的各項系數(shù)求偏導(dǎo),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(shù),根據(jù)公式:

(9)

即可求出不同角度的By-Bx曲線的長軸傾斜角度,結(jié)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(guān)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(guān)系

3.2 陣列點數(shù)據(jù)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(dāng)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(dāng)無缺陷時,各個采樣點的信號幅度大小相似,說明旋轉(zhuǎn)AFCM探頭在這六點組成的六邊形范圍內(nèi)感生出勻強磁場。當(dāng)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(dāng)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(jié)束語

本文介紹了一種基于三相交流信號的新型旋轉(zhuǎn)交流電磁場傳感器,由1個星形磁芯與6個激勵線圈構(gòu)成,并使用有限元仿真軟件建立了探頭模型。結(jié)果表明,該探頭可以在鐵磁性平板材料中心區(qū)域產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)電流場。當(dāng)不存在裂紋缺陷時,試件中心區(qū)域所檢測的信號幅值大小一致;當(dāng)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(nèi),隨著角度的增大而增大,在90°～180°內(nèi),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(guān)系,并隨著裂紋缺陷方向角度的增大而增大,因此可以根據(jù)By-Bx曲線長軸的傾斜角度來識別裂紋的方向。