基于交变磁场测量技术的裂纹缺陷定量检测系统设计

史洪源，陈金贵，任尚坤

（1.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.厦门艾帝尔电子科技有限公司，厦门 361008）

交变磁场测量技术又称ACFM（Alternative current field measurement），交变磁场检测和涡流检测技术是两种常用的对金属整体结构评价的无损检测方法［1］。在待测工件中通以交变电流，此时工件表面外空间产生交变磁场，若工件表面存在裂纹等缺陷，势必对电流分布产生影响，从而影响到磁场分布［2］，测量这个磁场变化，就能确定裂纹的长度和深度。由于检测是非接触的，ACFM法对工件表面状况要求不高，甚至不需要去除油漆等抗腐蚀介质和涂层，同时不需要标定试块，因此在结构的在役检测等方面起着越来越重要的作用［3］。

1 交变磁场检测原理

在ACFM技术中，可以测量工件表面感应磁场磁通密度的三个分量，沿裂纹长度方向的x分量记做Bx，其与电流方向垂直，与工件表面平行；y分量为宽度分量，记做By，与电流方向一致；z分量为Bz，沿工件法向垂直工件表面。当缺陷长度方向也与电流方向垂直时，x分量的方向将与缺陷长度方向平行。在仿真建模时，由于工件相对于激励场来说可以看作无限大，因此为了方便建模和数据提取，模型中选取的计算区域长度与缺陷长度方向一致，宽度与缺陷宽度方向一致，高度与缺陷深度方向一致，如图1所示。

2 裂纹定量计算基础

图1 ACFM缺陷检测原理示意图

根据电磁感应定律可知，当工件表面没有缺陷时，感应电流均匀分布，分量By和Bz的值为零，磁场在x轴方向均匀分布并与电流方向垂直。当电流经过含缺陷工件表面时，电流向缺陷两端和底面偏转，使流经缺陷面的电流强度减小，缺陷越深的地方，电流线越稀疏，感应磁场磁通密度值也就越小；另外，电流在缺陷两端聚集，势必使缺陷两端点处的磁通密度处于极大值。当探头沿着缺陷表面进行扫描时，Bx轴出现一个宽凹陷区，By和Bz出现高幅值的波峰和波谷，如图1所示。由于By的数量级较小，因此在不需要特殊处理的情况下，探头只需测量Bx和Bz分量即可判定缺陷的存在。

根据大量仿真数据，总结出缺陷定量计算有三条规律：①Bz峰－峰值间距长度具有线性递增变化关系，缺陷深度不影响该特征值。② 在缺陷深度相同的情况下，Bx的灵敏度随缺陷长度呈线性递减变化。③ 在缺陷长度相同的情况下，Bx的灵敏度随缺陷深度的增加而增加，呈单调递增关系［4］。

基于以上三条规律，借助插值算法的思想，可以建立一种简单的对缺陷实时检测的反演算法。该算法输入为由原始信号得到的特征向量：Bz峰值间距和Bx的灵敏度；输出为缺陷的长度和深度。采用如下记号：Lo为反演得到的缺陷长度（mm）；Do为反演得到的缺陷深度（mm）；Lz为测试信号的Bz峰值间距（mm）；Sx为测试信号的Bx灵敏度（%）。算法的过程如下：① 根据规律一，由Lz经插值得到Lo。② 根据规律二，由Lo经插值得到不同D对应的Sx。③ 根据规律三，根据长度为Lo时D－Sx的关系，由Sx插值得到Do。至此，由Sx和Lz，得到了Lo和Do，实现了尺寸反演［5］。

3 裂纹定量检测系统

裂纹检测系统分为探头部分、硬件部分和软件部分三大部分。探头部分由激励探头和检测探头两部分组成。硬件部分则主要由信号发生电路、功率放大电路、信号调理电路组成。软件部分控制数据采样速率、信号频率幅值、增益大小等（图2）。

图2 ACFM定量检测系统图

3.1 激励探头设计

在ACFM检测系统中，激励探头由骨架和激励线圈组成。激励探头能够在被检工件表面感应出的匀强电流强度越大，则出现裂纹时，空间的扰动磁场强度越大。

增加激励线圈的匝数或者增加线圈电流都可以加大激励线圈的磁场强度，而如果在激励线圈中加入磁芯，工件表面的激励电流密度、磁场强度和磁感应强度均远远大于无磁芯线圈激励的情况［6－7］。

U型磁芯和矩形磁芯都能够加大磁感应强度，但是U型磁芯的聚磁能力更好，空间中泄露的磁场要比矩形磁芯小。因此为了在相同的激励条件下获得比较强的感应电磁场，采用在较弱磁场下易磁化也易退磁的锰锌铁氧体磁芯作为激励探头骨架。

综合以上各种因素，激励磁芯采用U型锰锌铁氧体，磁芯上部尺寸为60mm×18mm×18mm，腿部尺寸为18mm×18mm×35mm，激励线圈尺寸为60mm×20mm×20mm，用线径为0.7mm漆包铜丝紧密缠绕150匝。

3.2 检测探头设计

由法拉第电磁感应定律可知，闭合线圈的感应电动势ε与穿过该线圈的磁通的时间变化率dφ／dt成正比［7］：

为了使检测线圈得到较大的输出信号，需要考虑线圈常数NS，其中N为线圈匝数，S为检测探头横截面积，B为磁感应强度，d为检测探头内径，D为外径。系统采用的检测线圈是多层结构（图3），其线圈常数表达式为［8］：

综合考虑空间点磁场的测量和保证检测灵敏度的要求，所设计的Bx，Bz探测线圈尺寸应满足［5］：

图3 检测探头形状

因此设计检测线圈时需要综合考虑线圈常数和线圈骨架，以使检测到的信号为点信号且信号强。

3.3 系统硬件电路设计

检测系统的硬件电路主要由模拟前端和由FPGA控制的A／D转换及D／A转换电路和计算机控制的人机接口、报警单元、存储单元、显示部分组成（图4）。模拟前端包括正弦信号发生、检测探头、前置放大、滤波、平衡滤波、可调增益放大等。检测时，由计算机控制和改变硬件电路以产生不同频率和幅值的正弦电压，激励探头在被测试块上感应出匀强涡流，检测线圈检测涡流扰动产生的信号变化，以电压信号的形式传送给检测电路。信号通过一系列的前置处理，通过A／D转换后进行软件处理，软件处理后的信号将在显示屏上显示出来。

图4 系统硬件功能框图

激励信号模块分为信号发生和功率放大两部分，正弦信号采用直接数字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）。具体采用FPGA控制 AD9851直接生成需要的正弦信号。AD9851是AD公司采用先进DDS（直接数字合成）技术，推出的具有高集成度DDS电路的器件，它内部包含高速、高性能D／A转换器及高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器［9］。

用于DDS合成的信号比较小，不能直接驱动激励线圈工作，因此还需要后置功率放大电路。功率放大电路需要注意以下几个方面的问题［10］：要求输出功率尽可能大、效率更高、非线性失真要小、功率器件的散热问题。系统采用甲乙类互补对称功率放大电路（图5）。

图5 甲乙类互补对称功率放大电路

由检测线圈检测到的信号比较小，因此首先应将信号放大，以便后续处理。因为检测线圈容易受到周围环境的电磁信号影响，使得检测到的信号中常常包含许多杂波，因此信号调理电路需要对检测到的差分信号做进一步的滤波处理。

对于信号调理电路处理的信号需要经过A／D转换送入主机电脑才能完成进一步的处理和显示。

3.4 系统软件设计

图6 系统软件结构图

系统软件分4层设计，分别为设备驱动层、操作系统OS层、应用程序层和人机接口层，具体结构如图6所示。其中设备驱动层包括A／D、D／A和通信接口等部分；OS层选用windows操作系统，应用程序层建立在设备驱动层和人机接口层之上，包括数据采集后的滤波程序、平衡算法、涡流信号特征值的拟和、整个仪器的校正；人机接口层为仪器的显示界面，诸如检测结果和检测频率、增益、相位等参数的显示。

4 试验及结果分析

在完成整个电路搭建及软件测试后，配以自制探头，并根据ASTM标准制作了试块。被检试块为45号低碳钢，尺寸为450mm×150mm×10mm，电阻率为1.1×10－7Ω·m，相对磁导率为210.0；激励信号频率选用6000Hz。在钢板上分别刻上（长度×深度）50mm×5mm，20mm×2mm的裂纹（图7）。

图7 试块示意图

试验操作平台如图8所示，检测结果如图9所示。

图8 试验操作平台

图9为对长度分别为20mm和50mm的两条裂纹的检测结果。显示界面左侧上下两部分分别为对Bx，Bz检测得到的时基线，右侧为有裂纹缺陷时的蝶形图。在沿裂纹扫描时，左侧的Bx，Bz信号随着探头的移动变化，同时在右侧画出蝶形图，并通过软件计算出了裂纹长度和深度，同步显示在界面上。表1为实测数据分析，其中相对误差为测量的绝对误差占真实值的百分比。

图9 不同裂纹检测结果

表1 测得数据分析

可以看出，裂纹测长时，长度越长深度越深的裂纹测得的误差就越小，且对于长度的测量误差小于深度的测量误差。

［1］Salemi A H，Sadeghi S H H，Moini R.Thin－skin analysis technique for interaction of arbitrary－shape inducer field with long cracks in ferromagnetic metals［J］.NDT＆E Int，2004，37（6）：471－479.

［2］Lewis A M，Collins R，Michael D H.The thin－skin electromagnetic field near a surface crack in a ferromagnetic metal［C］.In：Thompson DO，Chimenti DE，Editors.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation.New York：Plenum，1990（9A）：273－280.

［3］陈建忠，史耀武.无损检测交变磁场测量法［J］.无损检测，2001，23（3）：96－99.

［4］任尚坤，朱志斌，林天华，等.扰动磁场检测技术中裂纹磁场信号的反演［J］.无损检测，2010，32（2）：86－89.

［5］李伟.基于交流电磁场的缺陷智能可视化检测技术研究［D］.东营：中国石油大学（华东），2007.

［6］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［7］任吉林，林俊明.电磁无损检测［M］.北京：科学出版社，2008.

［8］张玉华.金属平板表面缺陷扰动的磁场量分布研究［D］.长沙：国防科技大学，2003.

［9］郭勇，肖明清，谭靖，等.DDS芯片AD9851及其应用［J］.电子技术，2001（2）：54－56.

［10］康华光.电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2006.