交变磁场测量系统的设计及其微弱信号的检测方法

　　交流电磁场检测(ACFM)方法是综合交流电位降(ACPD)和涡流检测(ET)两种电磁检测方法[1]的一种无损检测方法。目前被广泛应用于水下结构、石油化工、海上平台和航空航天等各种场合的表面缺陷检验。

　　在利用ACFM方法对工件上的缺陷进行检测时,由感应线圈检测被测工件表面的磁场扰动信息。但是检测线圈得到的信号极其微弱,并且存在严重的噪声干扰。笔者采用软硬件结合的方法,对采集的信号进行处理,采用信号多级放大、滤波和信号抗干扰等多种技术对信号进行调理,从而将深埋在大量非相关噪声中的微弱有用信号检测出来,同时达到抑制干扰的作用。

　　1　ACFM技术工作原理

　　ACFM技术的理论基础是电磁感应原理。当载有交变电流的矩形激励线圈靠近导体时,交变电流在周围的空间中产生交变磁场,被测工件(导体)表面的感应电流由于集肤效应聚集于工件的表面。当工件中无缺陷时,电流线彼此平行,工件表面有一均匀磁场存在;若工件中有缺陷存在,由于电阻率的变化,势必对电流分布产生影响,电流线在缺陷附近会产生偏转,工件表面的磁场会发生畸变,这个磁场的变化强弱,就能反映出裂纹的尺寸。

　　建立被测试件上的感应电流流向模型,并把磁场场量B分成三个分量Bx,By和Bz进行分析,方向如图1所示[2]。当无缺陷时,感应电流顺着y轴均匀流动,垂直于电流的y向磁场分量Bx均匀无扰动,而另外两个方向的磁场分量By和Bz为零。故远离裂纹处,电流场是均匀的,电流线相互平行。

　　当电流流至裂纹处,由于材质的不均匀性和分界面处电流的连续性原理,电流线会向裂纹两端和裂纹底面偏转,使裂纹中心处电流线变疏,电流密度下降,两端的电流线汇聚,从而导致工件表面磁场的变化。在ACFM中,一般要测量出垂直于工件表面的磁感应强度Bz和平行于工件表面和裂纹走向的磁感应强度Bx这两个相互正交的磁场变化量。

　　2　ACFM信号检测处理系统

　　ACFM信号检测处理系统硬件方面主要由信号源、传感器、信号处理电路、数据采集卡、计算机和基于Labview设计的软件模块组成,其整体框图如图2所示。

　　2.1　信号发生电路设计

　　在信号分析处理的电路设计中,信号发生电路部分的设计是最关键的环节之一。笔者采用幅值为1 V,频率为6 kHz的正弦交流信号作为整个检测系统的信号源,其信号频率是否稳定,对整个检测系统的工作起着十分关键的作用。

　　MAX038是具有高频、高精度、低输出电阻而且驱动能力很强的专用函数信号发生芯片,它能产生准确的高频正弦波、三角波和方波,输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别控制。系统采用MAX038芯片,通过调节其它外部元件参数来产生符合要求的正弦信号。因为正弦波产生后带负载的能力差,并不能直接作为ACFM激励的信号源,需要在后面接一个射级跟随器,以提高带负载能力。