交变磁场测量的缺陷识别模型

　　随着计算机和传感器技术的发展,非接触式高速涡流无损检测已经普遍应用于管道、平台、线路等的检测,准确测定缺陷的尺寸以及对其进行定位是安全生产的可靠保证。近几年兴起的交变磁场测量法(ACFM)和交流电压降法(ACPD)是对表面缺陷行之有效的无损检测方法,较之交流电压降法,交变磁场测量法有无需与被测工件接触、对工件的表面要求不高、不需要标定等特点,正在高速无损检测和工件的在线检测中得到越来越多的运用^[1]。

　　缺陷的所有信息都体现在空间扰动磁场的变化,以下通过对三维磁场的测量,根据物理检测模型完成对缺陷的快速自动识别以及裂纹的定量分析。

　　1　ACFM的基础和原理

　　除了在文献[1]中介绍的Bz和Bx外,现再补充以下几点:

　　(1)平行于工件表面但垂直于裂纹走向的磁感应强度By。由文献[1],由于电流的流向受到裂纹的影响,电流只能从裂纹的端面和底面流过,裂纹的端面形成的顺/逆时针电流在裂纹的端面所形成的By取得极大值和极小值,形成了如文献[1]中图1所示的By磁场分布。

　　(2)通过上述分析得知,Bx是由激励线圈的磁场而感应生成的,而By和Bz是由于裂纹的存在影响了Bx的分布,而造成的扰动磁场,其形状受裂纹的深度、长度和宽度的影响,沿裂纹平行方向的磁场强度Bx和Bz形成一个环状回路,称之为“缺陷环”。因此,通过对三个磁场分量的分析,并结合相应的数学模型,就可得到缺陷的定性和定量结果。

　　(3)当涡流流向不垂直于裂纹走向时,可以利用Bx和By的合成磁感应强度和Bz代表的垂直方向的磁感应强度进行缺陷识别,这样就避免了由于涡流和裂纹不垂直对检测灵敏度带来的不良影响。

　　在实际应用中,试件中的电流是由激励线圈的磁场感应产生的。同时,测量磁场扰动的三维传感器也装在探头上。交变磁场测量技术就是测量工件表面上近似均匀分布的电流在试件周围产生电磁场的变化来检测缺陷,不需与工件接触。同时,探头对提离效应不敏感,由于有精确的理论依据和数学模型,在测量前也不需要利用试块标定,通过计算能同时提供缺陷长度和深度信息。

　　2　交变磁场测量的检测模型

　　通过上述分析可以知道,其检测模型包括三个部分:产生匀强磁场的激励线圈,感应三维磁场变化的磁场传感器和微弱磁场信号的调理、采集和处理部分,三者结合完成缺陷的识别和定量分析。

　　图1为激励线圈和检测线圈的结构。激励线圈是一个矩形线圈,其在工件表面的感应电流在每一时刻都是均匀的,具体分析详见文献[2]。设计的测量线圈由三个相互正交的感应线圈在一个正方体上绕制而成,同时感应空间三个方向的磁场变化。