ACFM探测线圈的结构优化及试验测试

　　交流电磁场检测[ 1] ( Alternat ing Cur rent FieldMeasurement , 简称ACFM) 技术是一种新兴的无损检测技术, 其原理为: 在工件中感应出均匀的交变电流, 检测工件表面磁场的变化, 从而实现对缺陷的评定[ 2] . 工件表面电磁场的拾取可以由探测线圈和电子磁敏元件来完成, 由于探测线圈结构可靠、使用简单、线圈体积可以做得很小等明显优点, 适合作为ACFM 磁传感器. 在ACFM 检测中, 由缺陷引起的畸变信号非常微弱, 往往淹没在噪声之中, 其中由探测线圈提离引起的噪声是重要的噪声源, 故能否设计出对提离不敏感, 同时能增强对微弱电磁场探测能力的探测线圈就显得尤为重要.

　　文献[ 3-4] 中提及的电磁场探测线圈为螺线管结构. 文献[ 5] 采用毕奥-萨伐尔定律和法拉第定律对环形探测线圈进行了探讨. 但上述结构的探测线圈在ACFM 中的应用并不十分理想, 为了设计出能降低提离敏感度、增强对微弱电磁场的探测能力的ACFM 探测线圈, 本文首先提出全新的ACFM 数学简化模型, 并基于此模型推导出裂纹上方磁感应强度BX、B Z 的解析解, 这从原理上揭示了由缺陷引起磁场畸变的规律. 其次, 结合新的ACFM 简化模型, 提出一种易于实现阵列的正交矩形结构探测线圈来拾取ACFM 畸变磁场的方案, 并采用数值分析的方法对探测线圈的结构进行了优化设计, 进而总结出4 条规律. 最后, 在探测线圈结构优化的基础上开展ACFM 试验研究, 取得了良好的应用效果.

　　1 ACFM数学模型的简化

　　由于集肤效应的作用, ACFM 检测中含缺陷工件表面交变电流分布在靠近表面的集肤层[ 6] 中( 如图1 所示) . 本文为了简化A CFM 数学模型, 采用如图2 所示的矩形电流线近似ACFM 电流线.

　　从图2 中任意抽取一条电流线, 改变该电流线特征参数可得到其他的电流线, 从而可得A CFM 三维简化模型如图3 所示.

　　由毕奥- 萨伐尔定律, 可知载流直导线在P 点处产生的磁感应强度B 为( 不考虑工件磁导率的影响)

　　为了计算P 点的磁感应强度, 先分别计算每个分段导线在P 点的磁感应强度, 然后采用叠加的方法计算P 点的总磁感应强度为

　　2 探测线圈结构优化及试验测试

　　探测线圈检测交变电磁场的原理是使被测微弱磁场在探测线圈中感生出感应电动势, 将感应电动势积分, 就可得到与磁场变化量成正比的输出信号,从而推算出被测磁场值. 在应用中, 希望测量线圈的体积很小, 这样平均磁感应强度越接近探测线圈中心点的磁感应强度, 但过小直径的探测线圈会导致感应电动势的降低, 增加检测难度. ACFM 系统中BZ 反映缺陷长度信息, BX 反映更为重要的缺陷深度信息, 且BZ 探测线圈的截面积受空间限制, 优化的余地较小, 故本文主要分析B X 探测线圈结构的优化. 结合新的ACFM 简化模型, 采用数值分析的方法, 分析矩形BZ 探测线圈的结构变化对提离敏感度、扫描敏感度以及感应电动势大小的影响, 最终完成对易于实现阵列的正交矩形结构探测线圈的优化设计.