交流电磁场检测中裂纹形状反演研究

　　交流电磁场检测(ACFM)技术是一种新兴的电磁无损检测技术,目前用于检测覆有防腐涂层或绝缘层的水下结构表面缺陷,因其非接触测量、受工件材料影响小、无需标定等独特优点而倍受青睐。检测时,激励探头在工件集肤层感应出均匀电流,当有缺陷存在时,电流从裂纹的两边和底部绕过,引起表面电磁场扰动,记录电磁场信号并分析处理,可获得描述缺陷状态的尺寸信息,从而达到定量分析的目的。由于缺陷外形和电磁场信号之间呈非线性关系,从电磁场信号到缺陷外形的转化也属于非线性转化,而且实际腐蚀缺陷外形复杂,感应线圈获得的磁场信号又受检测仪器扫描速度、探头抖动、提离高度和噪声干扰等多种因素的影响,所以从分析磁场信号来获得准确的缺陷外形较为困难。为此,针对实验室开发的ACFM智能可视化样机,在对缺陷磁场畸变信号特征提取和定量评价的基础上,采用数值模拟的方法重点研究了缺陷外形对于检测精度的影响,并提出了利用相似性进行外形反演的方法,试验证明了该方法是有效的。

　　1　缺陷磁场信号分析

　　根据交流电磁场理论可知,利用交流电磁场检测技术进行检测时,激励探头感应出的均匀电流会由于集肤效应而聚集在工件表面,集肤厚度δ可由下式求出^[1]

　　式中　ω———电流的角频率

　　σ———电导率

　　μ0———真空磁导率

　　μr———材料的相对磁导率

　　μ———材料的磁导率

　　缺陷附近的磁场分布是个空间矢量,为了便于磁场信号的采集和分析计算,国内外大多数研究者倾向于将磁通密度信号按照裂纹的三维方向进行分解,即Bx表示沿裂纹长度方向的磁通密度分量,By表示沿裂纹宽度方向的磁通密度分量,Bz表示沿裂纹深度反方向(即工件表面法线方向)的磁通密度分量。在研究中,考虑到感应线圈测量精度和电磁场的分布特性,选取幅值较大、易于测量、对缺陷外形尺寸变化更为敏感的Bx和Bz信号作为研究对象。

　　由文献[2]可知,与缺陷外形尺寸有关的磁场信号特征值较多,且特征值之间互相影响,笔者研究借鉴文献[3]中漏磁检测试验中建立的漏磁场与缺陷的对应关系,通过大量缺陷样本试验,按照缺陷制作的规律性,从缺陷某一尺寸变化(其它因素不变)分析磁场信号特征的变化,总结变化规律,筛选出缺陷外形尺寸特征量。由交流电磁场理论和大量试验对比分析,缺陷外形尺寸磁场特征量采用缺陷长度方向磁通密度信号的Bz波形峰谷间距Lz_^p-p,远离裂纹处的Bx幅值M_^x0和Bx信号最小值M_^xmin三个特征量作为描述裂纹外形尺寸信息的样本特征向量。