基于交流電磁場檢測的旋轉磁場建模與仿真

陳定光 郭少宏 鄧 波 閆 梁 吉 雪

（1.廣東省特種設備檢測研究院佛山檢測院 佛山 528001）

（2.中國礦業大學機電工程學院 徐州 221116）

（3.北京金谷遠見科技有限公司 北京 100029）

交流電磁場檢測技術（ACFM）是一種在渦流和漏磁檢測基礎上發展起來的新興無損檢測技術[1]，由于無損檢測、受提離影響小、可以檢測鐵磁性金屬等優點，已經廣泛應用于各個工程等領域[2]。傳統的ACFM技術采用單激勵，探頭感應出的渦流也沿著固定方向，當裂紋垂直于感應的渦流場時，探頭才有較高的檢測靈敏度。在實際檢測過程中，裂紋的走向往往是未知的，當渦流方向與裂紋方向平行時，此時檢測信號很微弱，即不能保證檢測過程中有較好的靈敏度。通過在ACFM檢測的基礎上引入旋轉磁場，利用雙激勵的感應線圈，在試件上感應出隨時間旋轉的渦流場，從而對各個方向的裂紋均有較高的檢測靈敏度，就能有效地避免裂紋走向對檢測結果的影響，提高ACFM技術的檢測可靠性，同時使得對于裂紋方向的判斷，有了一定的可行性[3]。

針對平面旋轉磁場，國內外學者已經做出了很多開拓性的工作，但還有改進的空間。Hamia等提出利用十字交叉的導線做雙激勵源，在試件表面產生偽旋轉磁場檢測不同方向裂紋。但是該磁場不是隨著時間自動旋轉的，所以該方法在檢測時增加了檢測時間和成本[4]。Yang Guang等利用雙層矩形對稱線圈作為激勵探頭，檢測飛機機翼處的鉸接孔裂紋，采用GMR傳感器拾取磁場信號，在激勵頻率為10Hz左右檢測了第3層結構上螺栓孔處的裂紋，但是該傳感器形式為專用檢測，不具有普遍適用性[5]。李偉等改進了雙U形線圈正交激勵結構，在空間結構中建立旋轉磁場，開發了裂紋長度、深度、走向等算法，但是該傳感器還是存在激勵線圈提離不一致造成的誤差[6-7]。

本文的主要工作為，提出并設計了基于正交激勵下的新型渦流傳感器結構。借助Maxwell有限元分析，驗證該新型傳感器可以在被測試件表面產生強度均勻且隨著時間旋轉的磁場，達到檢測任意方向裂紋的目的。

1 旋轉磁場原理

如前所述，為了確保在檢測過程中，傳感器探頭有最大的靈敏度，設計圖1所示傳感器。傳感器結構為：用一塑料轉接頭連接四個帶磁芯的線圈， 線圈對稱放置。磁芯材料選擇Zn-Mn磁芯，線圈匝數為200匝，激勵電壓為5V。下表面中心處放置磁場傳感器作檢測傳感器。

圖1 傳感器模型

旋轉渦流傳感器的工作原理如圖2所示。同方向的線圈通幅值、頻率大小相同激勵，垂直方向激勵相位相差90°。給線圈分別通以正弦、余弦交流電，則X、Y方向的電流為：

式中ω=2πf，其中f為激勵頻率，I0為激勵幅值，θ為初相位。

圖2 旋轉磁場激勵原理

由于線圈的激勵頻率相同，所以線圈將在試件上產生方向變化的合成渦流Ir為：

渦流Ir的幅值大小‖Ir‖和方向θ為：

由上式可以得出，疊加作用下的電流Ir幅值大小不變化，其方向隨著時間發生周期性的旋轉。所以該十字形線圈傳感器可以在試件感應出隨時間變化的旋轉渦流。

2 有限元建模仿真分析

通過電磁場有限元仿真建模軟件Ansoft Maxwell，利用其三維建模仿真功能，設置模式為渦流場，對線圈部分分別進行切分，施加激勵源。網格劃分部分，對于裂紋周圍和線圈激勵剖分細化，對于試件邊緣則采用軟件默認劃分，保證計算的精度，如圖3所示。對于三維仿真分析，利用空氣域作為邊界，材料設置為真空，如圖4所示。

圖3 網格剖分

本文建立正交激勵下的旋轉磁場仿真模型，如下圖5所示。該模型可在試件表面形成隨時間旋轉的渦流場，本文探頭沿著X軸正方向運動，對于每個探頭運動的位置，提取探頭中心區域的磁場變化值，研究磁場畸變值和裂紋方向的關系。

圖5中，建立圖示坐標系，缺陷模型為矩形，位于試件中心上表面處。β是裂紋與X軸正方向所成夾角，L裂紋、W、h1分別為裂紋的長、寬、高。L試件、W試件、h試件分別是試件的長、寬、高。d是磁芯之間的間距，h2是激勵探頭的提離（探頭正下方為矩形缺陷）。試件選擇為鋁材質，磁芯為Zn-Mn鐵氧體磁芯，線圈為銅線。其具體參數見下表：

圖4 模型邊界條件

圖5 有限元模型

表1 旋轉交流電磁場仿真模型參數

根據ACFM檢測原理，當無缺陷時，Bz信號值位0，Bx信號值維持在一個固定的數值無變化。當出現裂紋時，Bz信號曲線出現極性相反的峰值表達缺陷長度，Bx曲線出現極小值對應著缺陷深度[8-10]，此時出現的峰值即為磁場畸變量。因此在裂紋兩端，可測量其磁場分量畸變值來研究其與裂紋方向的線性關系。

對于旋轉磁場交流電檢測，激勵探頭設計的關鍵是，在探頭可以在中心處形成強度均勻、方向一致的渦流場，否則不均勻的磁場區域會干擾磁場的畸變量，給檢測結果帶來很大的影響。經過仿真計算，該均勻區域的大小主要受傳感器物理尺寸、線圈布置間隔等因素的影響，趨勢為該勻強區域的大小隨著上述量尺寸的增大而增大。例如同方向線圈間距在60mm左右，可在中心形成長度為15mm的勻強磁場區域，即該傳感器可在中心處形成15*15mm勻強磁場區域。

圖6（a）～圖6（e）為正交旋轉磁場傳感器激勵下，隨著時間變化，試件表面的渦流場分布，T為激勵的周期。由圖6結果可以明顯看出，本文的建立的RACFM（旋轉磁場交流電檢測）激勵探頭能在工件表面感應產生隨時間作周期性旋轉的電場，即得到的感應磁場方向也是呈周期性變化的，且該區域中心處的渦流場方向一致，且經過計算后該磁場的大小一致。

為了減少其他干擾因素（例如提離、磁場區域的均勻性等）的影響，對有裂紋和無裂紋的模型進行仿真，研究磁場相對變化量ΔBi和渦流角度θ的關系。其中ΔBi為：

圖6 不同時刻鋁板表面渦流分布

式中，Bcrack為帶裂紋模型磁場值，Bno為無裂紋時磁場值，渦流角度θ為試件表面中心處形成的渦流與X軸正方向所成夾角，θ隨時間發生周期性改變，由于其具有對稱性，本文只取0-180°進行研究。

對無裂紋模型進行仿真，研究Bx、Bz隨著渦流方向改變的關系，如圖7所示。

圖7 無裂紋信號特征

因為旋轉磁場存在對稱性，僅仿真半個周期內的渦流方向，減小計算工作量。從圖中可以看出，在沒有裂紋的試件上面產生隨時間旋轉的渦流場，Bx峰值大小也隨之改變，在T/4（渦流角度定義沿X軸正方向為0°，此時渦流角度90°）時取得磁場信號最大值，Bz值維持在0附近。所以，在沒有裂紋的時候，Bx信號值的大小并不是維持一定值不變，說明該旋轉磁場對于Bx信號存在一定的干擾，該信號不能很好地表達裂紋方向信息，為避免產生對檢測的影響，選取Bz為信號特征，仿真研究ΔBz和渦流角度θ的關系。仿真裂紋角度為0°、45°、90°情況下，Z向相對磁場畸變值隨渦流角度變化量，是結果更有說服力，如圖8所示。

圖8 不同角度裂紋信號特征

如圖所示，隨著渦流角度的變化，三條曲線均在對應的角度取得了最大值與最小值，且存在一定的規律，與無裂紋的仿真結果對照顯示，Bz信號特征可用，下面分析其隨著渦流方向變化的增加規律。

結果顯示，對于0°裂紋，隨著渦流角度變化，其在T/4（渦流角度90°）渦流方向時，取得最大磁場畸變值。其在0和T/2（渦流角度0°和180°）渦流方向時，取得最小磁場畸變值。即在渦流方向垂直于裂紋方向時，有最大磁場畸變值，渦流方向平行于裂紋方向時，有最小磁場畸變值，符合ACFM檢測原理；對于45°方向裂紋，隨著渦流角度變化，其在3T/8（渦流角度135°）渦流方向時，取得最大磁場畸變值。其在T/8（渦流角度45°）渦流方向時，取得最小磁場畸變值，符合ACFM檢測原理；對于90°裂紋，隨著渦流角度變化，其在0和T/2（渦流角度0°和180°）渦流方向時，取得最大磁場畸變值；其在T/4（渦流角度90°）渦流方向時，取得最小磁場畸變值，符合ACFM檢測原理。即隨著渦流方向改變，磁場畸變值ΔBz總在渦流方向垂直于裂紋方向時達到最大，由此可以對裂紋的方向進行判斷。

即在檢測過程中，此傳感器可以產生旋轉的磁場檢測任意方向的裂紋，通過記錄磁場畸變信號最大值的時刻，根據旋轉磁場的周期，得到此時渦流的方向，而根據以上分析所得的規律，此時渦流的方向垂直于裂紋的方向，于是可以判斷裂紋的方向。

3 結束語

本文設計了新型正交激勵下的旋轉磁場渦流傳感器。通過有限元仿真計算對傳感器的渦流場進行了可視化處理，驗證傳感器可以在探頭中心處形成方向一致、強度大小相同的旋轉磁場區域，通過提取試件裂紋附近的磁場畸變值，驗證此傳感器可以用于裂紋的定向判斷。