脈沖交流電磁場深層缺陷檢測機(jī)理仿真研究

孔慶曉　林李龍

摘要：為克服交流電磁場檢測技術(shù)對于深層缺陷檢測的技術(shù)瓶頸，在傳統(tǒng)交流電磁場檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助低頻脈沖激勵源實現(xiàn)電磁場的深層感應(yīng)，開展了針對深層缺陷的脈沖交流電磁場深層缺陷檢測技術(shù)的仿真研究。建立了脈沖交流電磁場深層缺陷檢測有限元模型，分析了感應(yīng)電磁場的滲透規(guī)律和缺陷對電磁場的擾動規(guī)律，提取了深層缺陷的脈沖響應(yīng)信號，將響應(yīng)信號的峰值沿掃描路徑作圖得到Bx、Bz信號特征。仿真結(jié)果表明，脈沖交流電磁場檢測技術(shù)能夠?qū)ι顚尤毕葸M(jìn)行檢測，所得到的Bx、Bz缺陷特征信號符合交流電磁場的缺陷信號特征。

關(guān)鍵詞：深層缺陷;脈沖激勵;特征信號

0 引言

交流電磁場檢測技術(shù)（Alternating Current Field Measurement，ACFM）是一種電磁無損檢測技術(shù)，其原理如圖1所示，基于法拉第電磁感應(yīng)規(guī)律，激勵探頭在試件表面感應(yīng)產(chǎn)生近似均勻分布的電流，若試件存在缺陷，則感應(yīng)電流在缺陷處“繞行”，即向缺陷兩端繞過和向缺陷下方繞過。在圖1所示的坐標(biāo)系中，向缺陷兩端繞過的感應(yīng)電流將引起空間Z方向的磁場Bz發(fā)生畸變，而向缺陷下方繞過的感應(yīng)電流將引起空間X方向的磁場Bx發(fā)生畸變，對磁場畸變信號Bz、Bx進(jìn)行檢測即可實現(xiàn)對缺陷的檢測，且Bz信號能夠反映缺陷長度，Bx信號能夠反映缺陷深度[1-2]。

交流電磁場檢測技術(shù)的激勵信號采用正弦交流信號，由于集膚效應(yīng)的限制，感應(yīng)電流集中在試件的表面和近表面，因此對表面缺陷具有較高的檢測能力，而對于深層缺陷的檢測存在技術(shù)瓶頸。低頻脈沖激勵技術(shù)與傳統(tǒng)電磁無損檢測技術(shù)的融合，特別是脈沖渦流檢測技術(shù)和脈沖漏磁檢測技術(shù)的快速發(fā)展，為深層缺陷的電磁檢測提供了新的解決方案。

本文基于交流檢測場檢測技術(shù)，引入低頻脈沖激勵技術(shù)，開展了針對深層缺陷的脈沖交流電磁場檢測技術(shù)仿真研究，基于時頻聯(lián)合分析技術(shù)對缺陷信號進(jìn)行了特征分析，實現(xiàn)對表面缺陷和深層缺陷的識別。

1 脈沖交流電磁場深層缺陷檢測技術(shù)原理

深層缺陷是指距離試件表面一定深度的內(nèi)部缺陷，包括覆蓋層下的缺陷、多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷等。傳統(tǒng)的電磁檢測方法采用正弦交流信號作為激勵，由于受到集膚效應(yīng)的限制，難以在缺陷處感應(yīng)產(chǎn)生電磁場。因此，對于深層缺陷而言，首先需要突破的技術(shù)瓶頸便是激勵技術(shù)。

脈沖激勵技術(shù)采用低頻方波信號作為激勵，如圖2所示。方波信號在上升沿和下降沿會產(chǎn)生一個急劇變化的空間磁場，該磁場將在試件中產(chǎn)生感應(yīng)電流。對于脈沖激勵的感應(yīng)機(jī)理方面，國內(nèi)外學(xué)者一般從方波信號的傅里葉變化角度出發(fā)，認(rèn)為組成方波信號的基波產(chǎn)生的感應(yīng)電流滲透深度最大，并隨著諧波次數(shù)的增加，感應(yīng)電流的滲透深度減少。從基波信號的感應(yīng)電流的滲透深度出發(fā)，脈沖激勵信號的頻率應(yīng)當(dāng)選用低頻，但考慮到對表面以及近表面缺陷的檢測靈敏度，頻率又應(yīng)適當(dāng)提高，本文方波信號的頻率采用100 Hz，即T為0.01 s，高電平V為5 V，占空比為50%。

在深層缺陷處產(chǎn)生感應(yīng)電流時，與表面缺陷相同，深層缺陷將阻礙感應(yīng)電流的穿過，將引起感應(yīng)電流的擾動，如圖3所示。在XY平面內(nèi)，感應(yīng)電流向缺陷的兩端繞過，引起空間磁場Bz的畸變。在YZ平面內(nèi)，感應(yīng)電流向缺陷上方以及下方繞過，引起空間磁場Bx的畸變。需要注意的是，感應(yīng)電流向缺陷上方繞過引起的磁場變化與感應(yīng)電流向缺陷下方繞過引起的磁場變化方向相反，相互抵消。

2 有限元仿真

2.1? ? 仿真模型

建立脈沖交流電磁場深層缺陷仿真模型，包括激勵線圈、磁芯、含有深層缺陷的試件等，實體模型如圖4（a）所示。仿真模型的各部分參數(shù)如表1所示，試件高度為10 mm，缺陷深度為7 mm，從無缺陷的試件表面進(jìn)行檢測相當(dāng)于對埋深3 mm的缺陷進(jìn)行檢測。脈沖激勵信號的加載采用電路與線圈耦合的方式實現(xiàn)，即利用CIRCU124單元創(chuàng)建獨立的脈沖電壓源，再通過CURR和EMF自由度實現(xiàn)與線圈單元的耦合，實現(xiàn)脈沖電壓信號的加載，有限元模型如圖4（b）所示。

2.2? ? 仿真結(jié)果分析

2.2.1? ? 深層缺陷對感應(yīng)電流的擾動規(guī)律

圖5所示為脈沖激勵下深層缺陷對感應(yīng)電流的擾動分布影響規(guī)律。在脈沖上升沿的初始階段，如圖5（a）、圖5（b）所示，此時感應(yīng)電流強(qiáng)度較小，仍集中在工件表面和近表面區(qū)域，深層缺陷處感應(yīng)電流強(qiáng)度很弱，深層缺陷所引起的電流擾動基本可以忽略。隨著時間的推移，感應(yīng)電流快速向工件內(nèi)部深層滲透，電流強(qiáng)度也隨之快速增加，深層缺陷對感應(yīng)電流的擾動也逐漸增強(qiáng)，如圖5（c）、圖5（d）所示。對于圖5所示的深層缺陷，在t=0.75 ms時擾動電流的強(qiáng)度達(dá)到最大，如圖5（e）所示。隨后，電流強(qiáng)度開始減弱，圖5（f）所示為t=2 ms時的電流分布，雖然深層缺陷仍然引起感應(yīng)電流的擾動，但是此時強(qiáng)度已經(jīng)減弱了，此時的感應(yīng)電流是由直流信號所引起的。

2.2.2? ? 脈沖激勵下深層缺陷典型響應(yīng)信號

提取缺陷上方X方向和Z方向的磁場強(qiáng)度信號作為缺陷的特征信號，典型的深層缺陷脈沖響應(yīng)信號如圖6所示。脈沖響應(yīng)信號有兩個典型的特征，即峰值Bp和峰值時間tp。峰值的大小由缺陷處擾動電流聚集的密度所決定，而峰值時間則是由感應(yīng)電流由工件表面滲透到缺陷所在處的時間所決定的。

3 深層缺陷特征信號

激勵探頭在試件中感應(yīng)產(chǎn)生的均勻電磁場不能覆蓋整個缺陷區(qū)域，為使仿真更加符合實際的檢測過程，本文在仿真時采用移動激勵探頭的方式，即將激勵探頭的中心位置在X方向上從-0.03 m處運(yùn)動到0.03 m處，激勵探頭的運(yùn)動步長為0.001 m，在激勵探頭的每個位置進(jìn)行仿真計算并提取探頭正下方距工件表面1 mm處的脈沖響應(yīng)信號Bx和Bz。將Bx和Bz信號的時域峰值沿掃描路徑作圖得到確信信號特征，如圖7所示。由圖7可知，脈沖交流電磁場深層缺陷的Bx和Bz特征信號與傳統(tǒng)ACFM表面缺陷的特征信號規(guī)律一致，可以用來表征缺陷的檢出，且Bz特征信號的波峰與波谷之間的距離可以表征缺陷的長度[1]。

4 結(jié)論

本文以深層缺陷檢測為研究對象，在交流電磁場檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上引入低頻脈沖激勵技術(shù)，借助仿真分析的手段，開展脈沖交流電磁場深層缺陷檢測機(jī)理的研究，得到以下結(jié)論：

（1）脈沖激勵下試件中的感應(yīng)電流由試件表面向深層滲透，能夠?qū)崿F(xiàn)對深層缺陷的檢測。

（2）深層缺陷對感應(yīng)電流的擾動規(guī)律基本與傳統(tǒng)ACFM一致，深層缺陷的Bx、Bz特征信號與ACFM表面缺陷特征信號一致，Bz特征信號的波峰與波谷間距離為深層缺陷的長度。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李偉.基于交流電磁場的缺陷智能可視化檢測技術(shù)研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2007.

[2] 李偉，陳國明.U型ACFM激勵探頭的仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（14）：3131-3134.

收稿日期：2020-03-25

作者簡介：孔慶曉（1992—），男，浙江樂清人，碩士，助教，從事電磁無損檢測和有限元分析工作。

林李龍（1989—），男，浙江樂清人，二級實訓(xùn)指導(dǎo)師，從事機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計和先進(jìn)制造技術(shù)研究工作。