摘 要: 采用数值分析的方法, 提出了全新的ACFM 数学简化模型, 推导出裂纹上方的电磁场解析解, 进而对B X 探测线圈结构进行了优化设计, 并从试验的角度验证了优化设计的有效性. 研究结果表明: 随着BX 探测线圈高度尺寸的增加, 探测线圈的提离敏感度呈下降趋势, 同时探测线圈的感应电动势得到提高, 有利于对提离干扰的抑制和对微弱电磁场的提取.
关键词: 无损检测; ACFM; 结构优化; 简化模型; 探测线圈
交流电磁场检测[ 1] ( Alternat ing Cur rent FieldMeasurement , 简称ACFM) 技术是一种新兴的无损检测技术, 其原理为: 在工件中感应出均匀的交变电流, 检测工件表面磁场的变化, 从而实现对缺陷的评定[ 2] . 工件表面电磁场的拾取可以由探测线圈和电子磁敏元件来完成, 由于探测线圈结构可靠、使用简单、线圈体积可以做得很小等明显优点, 适合作为ACFM 磁传感器. 在ACFM 检测中, 由缺陷引起的畸变信号非常微弱, 往往淹没在噪声之中, 其中由探测线圈提离引起的噪声是重要的噪声源, 故能否设计出对提离不敏感, 同时能增强对微弱电磁场探测能力的探测线圈就显得尤为重要.
文献[ 3-4] 中提及的电磁场探测线圈为螺线管结构. 文献[ 5] 采用毕奥-萨伐尔定律和法拉第定律对环形探测线圈进行了探讨. 但上述结构的探测线圈在ACFM 中的应用并不十分理想, 为了设计出能降低提离敏感度、增强对微弱电磁场的探测能力的ACFM 探测线圈, 本文首先提出全新的ACFM 数学简化模型, 并基于此模型推导出裂纹上方磁感应强度BX、B Z 的解析解, 这从原理上揭示了由缺陷引起磁场畸变的规律. 其次, 结合新的ACFM 简化模型, 提出一种易于实现阵列的正交矩形结构探测线圈来拾取ACFM 畸变磁场的方案, 并采用数值分析的方法对探测线圈的结构进行了优化设计, 进而总结出4 条规律. 最后, 在探测线圈结构优化的基础上开展ACFM 试验研究, 取得了良好的应用效果.
1 ACFM数学模型的简化
由于集肤效应的作用, ACFM 检测中含缺陷工件表面交变电流分布在靠近表面的集肤层[ 6] 中( 如图1 所示) . 本文为了简化A CFM 数学模型, 采用如图2 所示的矩形电流线近似ACFM 电流线.
从图2 中任意抽取一条电流线, 改变该电流线特征参数可得到其他的电流线, 从而可得A CFM 三维简化模型如图3 所示.
由毕奥- 萨伐尔定律, 可知载流直导线在P 点处产生的磁感应强度B 为( 不考虑工件磁导率的影响)
为了计算P 点的磁感应强度, 先分别计算每个分段导线在P 点的磁感应强度, 然后采用叠加的方法计算P 点的总磁感应强度为
2 探测线圈结构优化及试验测试
探测线圈检测交变电磁场的原理是使被测微弱磁场在探测线圈中感生出感应电动势, 将感应电动势积分, 就可得到与磁场变化量成正比的输出信号,从而推算出被测磁场值. 在应用中, 希望测量线圈的体积很小, 这样平均磁感应强度越接近探测线圈中心点的磁感应强度, 但过小直径的探测线圈会导致感应电动势的降低, 增加检测难度. ACFM 系统中BZ 反映缺陷长度信息, BX 反映更为重要的缺陷深度信息, 且BZ 探测线圈的截面积受空间限制, 优化的余地较小, 故本文主要分析B X 探测线圈结构的优化. 结合新的ACFM 简化模型, 采用数值分析的方法, 分析矩形BZ 探测线圈的结构变化对提离敏感度、扫描敏感度以及感应电动势大小的影响, 最终完成对易于实现阵列的正交矩形结构探测线圈的优化设计.
2. 1 探测线圈结构优化
令z = 0. 1 cm、h = 2 cm、i = 0. 85 cm、j = 3 cm、Im sinw= 0. 016 A, 由式( 3) 可得ACFM简化模型裂纹上方BX 曲线如图4 所示. 令x = 2. 85 cm、h = 2 cm、i= 0. 85 cm、j = 3 cm、I msinw= 0. 016 A, 由式( 3) 可得沿Z 向提离BX 变化趋势曲线如图5 所示.
BX 探测线圈的截面形状如图6 所示, d 为提离高度, a 为探测线圈高度, b 为探测线圈宽度, c 为探测线圈离工件表面高度( 提离高度) . 令探测线圈的宽度b 很小, 故可认为在探测线圈宽度方向上BX 处处相等, 从而可得穿过线圈的磁通量为
令x = 2. 85 cm、h = 2 cm、i = 0. 85 cm、j = 3cm、I m sinw= 0. 016 A、b = 0. 2 cm、c = 0. 2 cm、d =0. 2 cm, 综合式( 3) 、式( 4) 、式( 5) 、式( 6) 可得, 当提离高度d 不变时, 线圈高度a 与B X 探测线圈的提离敏感度的关系曲线如图7 所示.
由图7 可得, 当提离高度d 为某一恒定值时, 随着BX 探测线圈高度a 的增加, 线圈敏感度呈下降趋势, 图中敏感度为负表明探头向上提离.
若能证明在裂纹上方任一点P( x , 0, z ) 处aBx /ax在x 为任一恒定值时处处相等, 就表明探测线圈的高度与B X 探测线圈沿X 方向扫描敏感度无关. 由式( 3) 可得裂纹上方BX 分布伪彩色图( 如图8 所示) ,很显然不满足假设条件, 故随着探测线圈高度a 的增加, B X 探测线圈沿X 方向扫描敏感度将发生改变, 其改变的趋势取决于裂纹上方电磁场的分布, 若探测线圈上面部分电磁场aBx /ax大于下方值, 扫描敏感度则会提高, 反之亦然. 虽然随着a 的增加, BX 探测线圈扫描敏感度未必得到提高, 但线圈的感应电动势得到提高, 这有利于BX 探测线圈探测能力的提高. 实际应用中, 为了得到较好的信噪比, 常常用非常细的漆包铜线制作测量线圈, 这样可以在不改变线圈尺寸的条件下, 增加测量线圈的匝数. 综合考虑, 选用直径为0. 05 mm 的漆包线制成截面宽度b= 2 mm, 截面高度a= 10 mm 的矩形探测线圈作为ACFM 检测系统的BX 磁传感器, BZ 探测线圈的截面为边长b= 2 mm 的正方形, 结构优化的探测线圈示意图如图9 所示. 经过试验检验, 该探测线圈能完成对空间某点交变电磁场的测量, 并能较好的抑制提离干扰, 增强对微弱磁场的探测能力.
2. 2 ACFM 探头提离测试[ 7-8]
研究对象( 低碳钢) 的材料特性: 电阻率为1. 1x 10- 7 欧.m, 相对磁导率为210. 0; 裂纹长47 mm,深5. 0 mm; 激励信号频率选用6 000 Hz, 激励电流为16 mA. 试验设备为自行研制的ACFM 裂纹检测系统, 得到提离测试实验数据如图10、图11 所示.
由图10 和图11 可得: 采用结构优化的ACFM探测线圈拾取畸变磁场时, 随着探头提离的增加,BX 相对幅值减少较小, 故能有效抑制提离敏感, 同时BZ 峰值间距基本保持不变. 从而可得探头提离对裂纹深度信息有一定的影响, 对裂纹的长度信息基本没有影响. 另外, 通过大量试验检测可得: 当提离超过2 mm 时BX、B Z 均出现不同程度的失真.
3 结 论
( 1) 本文结合高频交流电的集肤效应, 提出全新的ACFM 简化数值模型, 并据此模型推导出裂纹上方磁感应强度BX、B Z 的解析式, 从原理上揭示了由缺陷引起磁场畸变的规律.
( 2) 结合新的ACFM 简化模型, 提出一种易于实现阵列的矩形探测线圈来拾取ACFM 畸变磁场的方案, 并采用数值分析的方法, 对探测线圈结构进行了优化设计. 总结出4 条规律: ① 随着BX 探测线圈高度的增加, 提离敏感度呈下降趋势, 有利于抑制提离干扰; ② BX 探测线圈高度的增加对BX 扫描敏感度的影响, 与电磁场的分布有关; ③ 随着B X 探测线圈高度的增加, 可提高探测线圈的感应电动势, 有利于提高对微弱电磁场的探测能力. ④ BZ 探测线圈采用正方形截面模式, 实现对某点磁场的测量.
( 3) 在探测线圈结构优化的基础上开展ACFM试验研究, 取得了良好的应用效果, 为开发拥有自主知识产权的产品打下基础.
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