交流磁場檢測中激發頻率與提離的影響分析

馮蒙麗，蔡玉平，宋春榮，程 麗

（1.軍械工程學院基礎部，河北 石家莊 050003；2.軍械工程學院計算機工程系，河北 石家莊 050003）

0 引言

無損檢測是一種無破壞性鑒別被測樣品缺陷以及疲勞程度的方法，在航空、醫學、機械材料、石油管道等領域具有廣泛應用價值[1-3]。尤其是20世紀80年代后，隨著磁測量技術的快速發展，無損檢測在電子電路方面又開拓出了一片新的領域[4-6]。

實現無損檢測的方法有多種，如超聲檢測、射線檢測、電磁檢測等，其中電磁檢測包括渦流檢測、交流漏磁檢測以及近幾年興起的交變磁場檢測（alternating current field measurement，ACFM）等多種手段[7]。ACFM 技術具有非接觸檢測、定性定量檢測一次完成、不須標定等優點[8]，但國內對其研究起步較晚，主要停留在理論研究階段。作為一種新型技術，需要進一步對測量的可行性進行完善，才能推向實際應用領域。這種驗證完善可以通過試驗或者數值模擬計算得到，當然試驗手段具有相當的可靠性，但在初始階段僅通過試驗來積累經驗非常費時費力[9]。

隨著科技的發展，越來越要求裝備器械性能好、成本低，這就為仿真帶來了廣闊的空間，而計算機以及大型仿真軟件的進步，又使其得以快速發展，從而為研究在初始階段尋求方向，縮短研究時間，同時探尋規律，做出預測，為實驗應用奠定基礎。

該文采用ANSYS仿真工具，建立了ACFM缺陷檢測基礎模型，討論了提離高度和激發頻率對信號的影響。

1 ACFM缺陷檢測原理

根據楞次定律，電磁波在導體中傳播時，導體中將產生感應電流，而感應電流分布及大小與導體的電導特性有關。如果讓交變電流垂直于樣品平面，當被測樣品中無缺陷時感應電流均勻分布，電流線平行；如果存在缺陷，電流線會在缺陷邊緣處產生匯聚和偏轉，兩端電流密度比激勵電流要大得多，存在一定的奇異性，這種電流的變化會產生一個偶極子磁場[10-11]，如圖1所示。

圖1 交流磁場檢測原理

缺陷兩端電流最密集，會產生2個Bz峰值，根據兩峰值之間的距離可以確定缺陷的長度；沿缺陷方向Bx值受擾動，在缺陷最深處達到最小值。因此，ACFM檢測可以通過分析Bz和Bx獲得與缺陷有關的長度、深度信息。

2 仿真模型建立

取兩類材料建立模型：鋁相對磁導率為1，電阻率為 2.62×10-8Ω·m；低碳鋼相對磁導率為 210.0，電阻率為1.1×10-7Ω·m。

金屬板尺寸為300mm×300mm×3mm，板正中心長方體缺陷尺寸為10 mm×1 mm×1 mm，激勵線圈尺寸為 40 mm×25 mm×25 mm，厚度 1 mm，匝數 800 N，相對磁導率1，水平放置在裂縫上方的空氣中，金屬板與線圈相對位置如圖2所示。

3 仿真信號分析

在交流磁場檢測中，激勵頻率和提離高度是影響探測信號的人為可控的重要因素。

圖2 金屬板與線圈相對位置示意圖

該文針對鋁和低碳鋼仿真模型給出了不同激發頻率和提離高度下對探測信號的影響分析。

3.1 激發頻率對檢測信號的影響

改變激發頻率，可以發現缺陷對不同激發頻率的響應不同。圖 3 為鋁板缺陷在 0.5，1，2，4，5，6，7，8，10，12，15，20kHz激發頻率下，在裂縫上方 0.1mm處沿缺陷長度走向磁場Bz的分布。圖4為低碳鋼在不同激發頻率下的信號圖。

圖3 不同激發頻率下鋁缺陷信號

圖4 不同激發頻率下低碳鋼缺陷信號

通過比較發現，鋁（非磁性材料）Bz在磁場的最大值與最小值之間的距離為10mm（5～15mm之間），可準確表征缺陷長度值。激發頻率6kHz以上，信號基本重疊。

對于低碳鋼（磁性材料），缺陷長度為10.7 mm，與理想值相比存在些許誤差，頻率6 kHz時峰值最大。這為真實磁場測量提供了依據。

3.2 不同提離高度對檢測信號的影響

在磁場信號中，提離對檢測結果影響很大，因此有必要對提離的影響進行探討。

圖5、表 1 為鋁在提離高度 0.1，0.2，0.3，0.5，0.7，1.0，2.0，3.0mm 時的檢測結果。

圖6、表 2 為低碳鋼在提離高度 0.1，0.2，0.5，0.7，1.0，1.5，2.0，3.0mm 時的檢測結果。

圖5 不同提離高度下鋁缺陷信號

表1 鋁缺陷長度

結果顯示：

（1）在同一高度，低碳鋼（磁性材料）信號要比鋁（非磁性材料）的信號強，這主要是因為鐵磁性材料的集膚層較淺。

（2）由表1和表2看出，隨著提離高度變大，低碳鋼缺陷長度幾乎不變，而鋁變化較大，即非磁性材料對提離得敏感度要高于磁性材料。

圖6 不同提離高度下低碳鋼缺陷信號

表2 低碳鋼缺陷長度

4 結束語

仿真結果顯示，對于磁性材料低碳鋼和非磁性材料鋁而言，當激勵頻率6000Hz左右時，信號最佳；而磁性材料對提離高度的敏感性要低于非磁性材料，就此而言ACFM方法更適合檢測磁性材料。

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