圖 1 感應渦流磁場檢測原理示意
分享：基于感應渦流磁場的裂紋缺陷定量檢測
現代制造業快速發展，工業零部件缺陷檢測作為確保產品質量的關鍵環節，其重要性不言而喻[1]。無損檢測技術能夠在不破壞被檢測對象的前提下，實現對材料內部及表面缺陷的精確檢測[2]。目前，無損檢測常規方法包括超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、渦流檢測等。其中，渦流檢測以檢測速度快、靈敏度高、非接觸式檢測等特點，在金屬材料的缺陷檢測中展現出廣闊的應用前景[3-4]。盡管渦流檢測技術具有諸多優點，但在實際應用中仍面臨諸多挑戰與局限性。一方面，渦流檢測的結果往往需要復雜的信號分析處理，檢測結果直觀性不足，難以直接用于缺陷的定性與定量評估；另一方面，針對鐵磁性材料，渦流檢測需考慮磁化狀態的影響，增加了檢測的復雜性與成本。此外，渦流檢測在缺陷定性與定量方面的精度有限，特別是在處理小型或復雜形狀缺陷時，存在局限性。同時，檢測線圈的選擇與設置對檢測結果具有顯著影響，需根據具體材料特性進行定制化選擇[5]。
文章利用渦流檢測技術中渦流磁場的特性，通過仿真分析與試驗驗證實現了裂紋缺陷的定量檢測，可用于檢測飛機和航天器的關鍵部件，以及汽車零部件、機械設備、金屬管道等產品，以期為推動渦流檢測技術在工業領域的廣泛應用提供參考與借鑒。
1. 感應渦流磁場檢測原理
傳統的渦流檢測方法將渦流產生的交流磁場再次感應到激勵線圈中，從而形成反作用電流，通過測量反作用電流的變化獲得渦流的變化情況，進而判斷導體中是否存在缺陷[6]。文章在傳統渦流檢測原理的基礎上，通過在被測物體表面施加交變電磁場，測量其產生的交變磁場來分析和診斷材料內部的缺陷情況。
根據電磁感應原理，當通有交變電流的線圈靠近被測金屬時，交變電場產生的交變磁場會在金屬表面感應出電流，當被測金屬表面沒有缺陷時，會產生均勻的磁場和電流分布；當被測金屬表面有缺陷時，電阻率的變化會對電流分布產生影響，從而造成電流線在缺陷邊緣處發生偏轉和匯聚，進而擾亂磁場分布。感應渦流磁場檢測原理示意如圖1所示，缺陷造成了電流偏轉，在電流最密集處z方向的磁感應強度分量Bz產生峰值，為缺陷檢測提供了依據。通過研究Bz的變化曲線，可以對缺陷的長度、深度和位置等信息進行分析。
2. 仿真分析
2.1 建立模型
使用COMSOL軟件進行仿真建模，得到的結果可以為后續的實物搭建提供參考。假設激勵電流在截面上均勻分布，電流密度可視為恒定值。采用U形寬磁芯纏繞多圈漆包線，試件選用鋁合金材料，并在其表面開設多條長度、寬度和深度不同的缺陷，仿真模型結構示意如圖2所示。線圈與傳感器的間距設置為1 mm，在避免與試件摩擦的同時能保證較好的檢測效果。
圖 2 仿真模型結構示意
2.2 仿真結果
文章采用U形寬磁芯進行了線圈電流、磁芯的磁感應強度以及試件表面電流的仿真模擬，無缺陷及含裂紋的仿真結果如圖3所示。由圖3可知，線圈正下方的試件表面形成了范圍較大的均勻平行激勵電流，與普通U形磁芯相比，U形寬磁芯具有更廣泛的激勵范圍，效果更好。使用1 kHz頻率的正弦激勵信號對線圈進行通電，持續移動線圈和探頭進行單方向掃描，求解探頭位置處的磁感應強度在z方向上的分布。當工件表面存在裂紋缺陷時，電流密度在缺陷處發生偏轉，缺陷左右兩側的偏轉最為顯著，且偏轉方向不相同，符合檢測技術的原理。因此，可以通過此特性來確定缺陷的位置和尺寸等信息。
圖 3 無缺陷及含裂紋的仿真結果
沿缺陷延伸方向由左至右進行掃描，不同裂紋的尺寸示意及掃描結果如圖4所示。
圖 4 不同試件的裂紋尺寸示意及磁感應強度Bz曲線
由圖4可知，試件左右邊緣處的Bz呈現出峰值，且左邊緣為極大值，右邊緣為極小值；缺陷兩端位置也對應z方向磁感應強度的峰值，缺陷左端為極小值，缺陷右端為極大值，以上現象完全符合檢測的機理。試件2中缺陷深度分別為2，3，4 mm時，相應缺陷兩端處的z方向磁感應強度峰值隨深度增加而增大。
試驗結果表明，缺陷兩端位置與z方向磁感應強度信號峰值位置對應，可以定量分析缺陷長度；缺陷深度也會影響磁感應強度的大小，深度越深，磁感應強度越強。
3. 試驗驗證
3.1 探頭結構設計
文章設計了一種將線圈纏繞在U形錳鋅鐵氧體磁芯上的探頭。線圈與TMR傳感器距工件表面1 mm，漆包線直徑為0.15 mm，匝數為300匝。傳感器用于檢測工件表面法向的磁感應強度大小。探頭的內部結構和實物如圖5所示，模型各部件尺寸如表1所示。
圖 5 探頭的內部結構和實物
Table 1. 模型各部件尺寸
| 部件名稱 | 長度 | 寬度 | 高度 |
|---|---|---|---|
| 磁芯 | 26.4 | 16.3 | 16.8 |
| 工件 | 300 | 300 | 8 |
| 缺陷 | 10 | 1.5 | 4 |
| 線圈 | 16.8 | 19.3 | 7.9 |
| 傳感器 | 3.5 | 3.5 | 1.1 |
3.2 整體試驗裝置
試驗系統由激勵部分、檢測部分、運動控制部分和上位機數據處理部分組成，系統結構框圖如圖6所示。
圖 6 試驗系統結構框圖
在激勵部分，信號發生模塊采用ICL8038型芯片作為信號源。該芯片具有廣泛的頻率范圍，可以從0.001 Hz到300 kHz自由調節，并且輸出的正弦波失真度較低，僅為1%。信號發生模塊通過兩個運算放大器控制正弦信號的直流偏置和振幅，可以實現頻率在100 Hz到30 kHz之間的調節。功率放大模塊采用TDA2030型芯片對正弦信號進行放大。TDA2030功放芯片可在±6 V至±22 V的電源電壓下工作，輸出功率較高。
檢測部分采用了TMR2584型線性磁傳感器，該傳感器采用了推挽式惠斯通全橋結構設計，內含4個非屏蔽高靈敏度的TMR傳感器元件，能夠感應垂直于芯片表面的磁場。
傳感器輸出的是微弱差分信號，系統采用AD620型芯片放大信號。然后，通過采樣獲取電壓數據，并產生脈沖信號控制步進電機運動。同時，通過串口將電壓數據和相應的坐標數據發送至上位機，以便進行數據處理。探頭運動采用 CoreXY結構，通過兩個步進電機分別驅動兩組滑輪和皮帶，共同控制探頭在x軸和y軸上的運動，從而實現高效、精確的二維平面定位，該結構使探頭能夠準確快速地定位至所需位置。試驗平臺實物如圖7所示。
圖 7 試驗平臺實物
3.3 測量結果
為了驗證仿真模型的精確性，文章依據所構建的仿真模型，精確加工出了對應的鋁合金試件。試件采用CNC數控機床技術制造，試件實物如圖8所示。
圖 8 被測鋁合金試件實物
試驗過程中，由于采樣頻率高、數據量大，數據中不可避免地會出現顯著偏離正常范圍的誤差點。為有效抑制并消除誤差點的不良影響，采用高斯濾波對原始數據進行預處理。鋁合金試件裂紋尺寸示意及磁感應強度Bz曲線如圖9所示。
圖 9 鋁合金試件同深度裂紋尺寸示意及磁感應強度Bz曲線
對比圖9結果與仿真結果，觀察到兩者結果基本一致，測量結果分別為19.435 1，19.366 4 mm。測量結果滿足精度需求，同時驗證了檢測系統的可行性。
為驗證缺陷深度與z方向磁感應強度的相互關系，文章進行了如下試驗。鑒于趨膚效應對感應電流分布的顯著影響，即電流密度隨深度的增加而逐漸衰減，筆者實際設置了深度分別為2，3，4 mm的3種缺陷，同時確保所有缺陷在長度與寬度上保持一致，均為10 mm×2 mm。試驗結果如圖10所示。
圖 10 鋁合金試件不同深度裂紋尺寸示意及磁感應強度Bz曲線
可見，圖10所示數據與先前的仿真結果呈現出高度的一致性，進一步驗證了試驗方法的有效性與準確性。通過儀器測量獲取的3個缺陷的長度值分別為9.901 5，9.835 4，9.825 5 mm，反映了測量系統的高分辨率與穩定性。由于實際加工過程中的工藝限制，缺陷邊緣未能形成理想的直角，而是呈現出圓弧過渡形態。這解釋了為何實測的缺陷寬度略小于預設的10 mm，但測量結果滿足精度需求。文章試驗還實現了對缺陷深度的定量評估，分析圖形中所示缺陷特征的極值變化趨勢（由缺陷引起的磁感應強度峰值從左到右分別為0.3215 86，0.381 215，0.451 251 T）可知，在相同裂紋長度的情況下，隨著裂紋深度的增加，磁感應強度峰值呈現逐漸增大的趨勢。
4. 結語
文章探討了基于感應渦流磁場的裂紋缺陷檢測方法，通過理論建模與試驗驗證，系統地分析了渦流檢測在裂紋缺陷檢測中的應用與效果。通過仿真揭示裂紋所引發的電磁特性變化規律，實現了對缺陷長度的定量評估。獲取的磁感應強度Bz在一定范圍內與表面裂紋深度呈正比關系；缺陷深度影響Bz的大小，深度越深，Bz越大。并且，通過試驗驗證了理論模型的有效性。試驗結果表明，渦流檢測能夠準確識別并量化導體表面的裂紋缺陷，且測量結果精度高。
文章來源——材料與測試網
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