基于电磁检测原理的疲劳裂纹检测方法

统计表明,由于疲劳而失效的机械结构约占失效结构的80%[1]。目前常用于疲劳裂纹检测的无损检测方法有磁粉、渗透、超声、射线和电磁等检测技术。磁粉法应用非常简单,直接检测表面缺陷,但如被检工件表面有涂层,必须先去除涂层;渗透法对表面开口裂纹检测灵敏度很高,但对表面有涂层的工件不佳;超声法对工件表层下体积型缺陷的检测很有效,但检测时需耦合剂,效率较低;射线法对工件表层下体积型缺陷的检测很有效,但对裂纹等面型缺陷的检测较困难,而且射线辐射危险人体,有些工况不易实施;电磁检测技术对表面开口裂纹很灵敏,在表面涂层等恶劣环境下也能进行检测[2,3]。可以看出,电磁检测方法能够在比较恶劣的环境下,方便可靠地检测出结构的表面和近表面裂纹缺陷。常规的电磁检测方法具有提离效应,在测量时对传感器与被测物体间的相对位置十分敏感。目前工程上能检测出在0.3～0.4mm涂层下最小裂纹深度为0.5～2mm的缺陷[4]。为了抑制提离效应,并进一步提高灵敏度,本文对常规方法进行了较大的改进。

1　改进方案

1.1　电磁检测基本原理

电磁检测法的基本原理是利用通有交变电流的线圈产生交变的磁场,使试件表面产生电涡流,而该电涡流又会反过来产生反向磁场作用于线圈,从而改变线圈的电参数[2]。因此,在试件表面存在缺陷时,电涡流发生畸变,就可以获取有关缺陷的信息。

1.2　传感器探头及脉冲能量电路

探头是采用发射接收方式的表面式传感器,由绝对式的激励线圈和差分式的拾取线圈组成。同时,将传感器封装在金属外壳中,利用趋肤效应进行屏蔽。激励部分由线圈和电容在脉冲能量驱动下产生自激振荡(图1),在被检工件表面产生电涡流。拾取线圈采用水平差分和垂直差分的绕线方式,抑制探头的提离和晃动,信号波形与激励信号相似。脉冲驱动电路由PNP型的功率三极管、开关二极管和大容量的电解电容组成(图2),其中三极管的开关状态由555芯片组成的脉冲发生电路控制。

三极管关闭时,由Kirchhoff电压定律列出

其中 。从上式看出,由于的作用,衰减振荡的起始幅值将会大于U,这将有利于检测缺陷。而且在激励线圈中电流恒定之前,B的大小是由激励线圈通电时间决定,与激励信号的占空比有关,随着占空比增大(通电时间增大),B会增大,自激振荡过程中将会获得更高的初始幅度(图3),与常规电磁检测相比,在相同初始激发条件下,自激振荡结构的检测灵敏度提高3 dB以上,同时功耗更低。

1.3　信号处理电路

当工件表面凹凸不平时,常规方法的检出信号有着明显的提离效应。为了补偿提离效应,方法中充分利用了激励和检出两路信号,激励信号不仅限于激励。检出信号依次经过低通滤波、前置放大和峰值采样后,与衰减后的激励信号的峰值进行差分放大(图4)。