基于交流电磁场检测的旋转磁场建模与仿真

陈定光 郭少宏 邓 波 闫 梁 吉 雪

（1.广东省特种设备检测研究院佛山检测院 佛山 528001）

（2.中国矿业大学机电工程学院 徐州 221116）

（3.北京金谷远见科技有限公司 北京 100029）

交流电磁场检测技术（ACFM）是一种在涡流和漏磁检测基础上发展起来的新兴无损检测技术[1]，由于无损检测、受提离影响小、可以检测铁磁性金属等优点，已经广泛应用于各个工程等领域[2]。传统的ACFM技术采用单激励，探头感应出的涡流也沿着固定方向，当裂纹垂直于感应的涡流场时，探头才有较高的检测灵敏度。在实际检测过程中，裂纹的走向往往是未知的，当涡流方向与裂纹方向平行时，此时检测信号很微弱，即不能保证检测过程中有较好的灵敏度。通过在ACFM检测的基础上引入旋转磁场，利用双激励的感应线圈，在试件上感应出随时间旋转的涡流场，从而对各个方向的裂纹均有较高的检测灵敏度，就能有效地避免裂纹走向对检测结果的影响，提高ACFM技术的检测可靠性，同时使得对于裂纹方向的判断，有了一定的可行性[3]。

针对平面旋转磁场，国内外学者已经做出了很多开拓性的工作，但还有改进的空间。Hamia等提出利用十字交叉的导线做双激励源，在试件表面产生伪旋转磁场检测不同方向裂纹。但是该磁场不是随着时间自动旋转的，所以该方法在检测时增加了检测时间和成本[4]。Yang Guang等利用双层矩形对称线圈作为激励探头，检测飞机机翼处的铰接孔裂纹，采用GMR传感器拾取磁场信号，在激励频率为10Hz左右检测了第3层结构上螺栓孔处的裂纹，但是该传感器形式为专用检测，不具有普遍适用性[5]。李伟等改进了双U形线圈正交激励结构，在空间结构中建立旋转磁场，开发了裂纹长度、深度、走向等算法，但是该传感器还是存在激励线圈提离不一致造成的误差[6-7]。

本文的主要工作为，提出并设计了基于正交激励下的新型涡流传感器结构。借助Maxwell有限元分析，验证该新型传感器可以在被测试件表面产生强度均匀且随着时间旋转的磁场，达到检测任意方向裂纹的目的。

1 旋转磁场原理

如前所述，为了确保在检测过程中，传感器探头有最大的灵敏度，设计图1所示传感器。传感器结构为：用一塑料转接头连接四个带磁芯的线圈， 线圈对称放置。磁芯材料选择Zn-Mn磁芯，线圈匝数为200匝，激励电压为5V。下表面中心处放置磁场传感器作检测传感器。

图1 传感器模型

旋转涡流传感器的工作原理如图2所示。同方向的线圈通幅值、频率大小相同激励，垂直方向激励相位相差90°。给线圈分别通以正弦、余弦交流电，则X、Y方向的电流为：

式中ω=2πf，其中f为激励频率，I0为激励幅值，θ为初相位。

图2 旋转磁场激励原理

由于线圈的激励频率相同，所以线圈将在试件上产生方向变化的合成涡流Ir为：

涡流Ir的幅值大小‖Ir‖和方向θ为：

由上式可以得出，叠加作用下的电流Ir幅值大小不变化，其方向随着时间发生周期性的旋转。所以该十字形线圈传感器可以在试件感应出随时间变化的旋转涡流。

2 有限元建模仿真分析

通过电磁场有限元仿真建模软件Ansoft Maxwell，利用其三维建模仿真功能，设置模式为涡流场，对线圈部分分别进行切分，施加激励源。网格划分部分，对于裂纹周围和线圈激励剖分细化，对于试件边缘则采用软件默认划分，保证计算的精度，如图3所示。对于三维仿真分析，利用空气域作为边界，材料设置为真空，如图4所示。

图3 网格剖分

本文建立正交激励下的旋转磁场仿真模型，如下图5所示。该模型可在试件表面形成随时间旋转的涡流场，本文探头沿着X轴正方向运动，对于每个探头运动的位置，提取探头中心区域的磁场变化值，研究磁场畸变值和裂纹方向的关系。

图5中，建立图示坐标系，缺陷模型为矩形，位于试件中心上表面处。β是裂纹与X轴正方向所成夹角，L裂纹、W、h1分别为裂纹的长、宽、高。L试件、W试件、h试件分别是试件的长、宽、高。d是磁芯之间的间距，h2是激励探头的提离（探头正下方为矩形缺陷）。试件选择为铝材质，磁芯为Zn-Mn铁氧体磁芯，线圈为铜线。其具体参数见下表：

图4 模型边界条件

图5 有限元模型

表1 旋转交流电磁场仿真模型参数

根据ACFM检测原理，当无缺陷时，Bz信号值位0，Bx信号值维持在一个固定的数值无变化。当出现裂纹时，Bz信号曲线出现极性相反的峰值表达缺陷长度，Bx曲线出现极小值对应着缺陷深度[8-10]，此时出现的峰值即为磁场畸变量。因此在裂纹两端，可测量其磁场分量畸变值来研究其与裂纹方向的线性关系。

对于旋转磁场交流电检测，激励探头设计的关键是，在探头可以在中心处形成强度均匀、方向一致的涡流场，否则不均匀的磁场区域会干扰磁场的畸变量，给检测结果带来很大的影响。经过仿真计算，该均匀区域的大小主要受传感器物理尺寸、线圈布置间隔等因素的影响，趋势为该匀强区域的大小随着上述量尺寸的增大而增大。例如同方向线圈间距在60mm左右，可在中心形成长度为15mm的匀强磁场区域，即该传感器可在中心处形成15*15mm匀强磁场区域。

图6（a）～图6（e）为正交旋转磁场传感器激励下，随着时间变化，试件表面的涡流场分布，T为激励的周期。由图6结果可以明显看出，本文的建立的RACFM（旋转磁场交流电检测）激励探头能在工件表面感应产生随时间作周期性旋转的电场，即得到的感应磁场方向也是呈周期性变化的，且该区域中心处的涡流场方向一致，且经过计算后该磁场的大小一致。

为了减少其他干扰因素（例如提离、磁场区域的均匀性等）的影响，对有裂纹和无裂纹的模型进行仿真，研究磁场相对变化量ΔBi和涡流角度θ的关系。其中ΔBi为：

图6 不同时刻铝板表面涡流分布

式中，Bcrack为带裂纹模型磁场值，Bno为无裂纹时磁场值，涡流角度θ为试件表面中心处形成的涡流与X轴正方向所成夹角，θ随时间发生周期性改变，由于其具有对称性，本文只取0-180°进行研究。

对无裂纹模型进行仿真，研究Bx、Bz随着涡流方向改变的关系，如图7所示。

图7 无裂纹信号特征

因为旋转磁场存在对称性，仅仿真半个周期内的涡流方向，减小计算工作量。从图中可以看出，在没有裂纹的试件上面产生随时间旋转的涡流场，Bx峰值大小也随之改变，在T/4（涡流角度定义沿X轴正方向为0°，此时涡流角度90°）时取得磁场信号最大值，Bz值维持在0附近。所以，在没有裂纹的时候，Bx信号值的大小并不是维持一定值不变，说明该旋转磁场对于Bx信号存在一定的干扰，该信号不能很好地表达裂纹方向信息，为避免产生对检测的影响，选取Bz为信号特征，仿真研究ΔBz和涡流角度θ的关系。仿真裂纹角度为0°、45°、90°情况下，Z向相对磁场畸变值随涡流角度变化量，是结果更有说服力，如图8所示。

图8 不同角度裂纹信号特征

如图所示，随着涡流角度的变化，三条曲线均在对应的角度取得了最大值与最小值，且存在一定的规律，与无裂纹的仿真结果对照显示，Bz信号特征可用，下面分析其随着涡流方向变化的增加规律。

结果显示，对于0°裂纹，随着涡流角度变化，其在T/4（涡流角度90°）涡流方向时，取得最大磁场畸变值。其在0和T/2（涡流角度0°和180°）涡流方向时，取得最小磁场畸变值。即在涡流方向垂直于裂纹方向时，有最大磁场畸变值，涡流方向平行于裂纹方向时，有最小磁场畸变值，符合ACFM检测原理；对于45°方向裂纹，随着涡流角度变化，其在3T/8（涡流角度135°）涡流方向时，取得最大磁场畸变值。其在T/8（涡流角度45°）涡流方向时，取得最小磁场畸变值，符合ACFM检测原理；对于90°裂纹，随着涡流角度变化，其在0和T/2（涡流角度0°和180°）涡流方向时，取得最大磁场畸变值；其在T/4（涡流角度90°）涡流方向时，取得最小磁场畸变值，符合ACFM检测原理。即随着涡流方向改变，磁场畸变值ΔBz总在涡流方向垂直于裂纹方向时达到最大，由此可以对裂纹的方向进行判断。

即在检测过程中，此传感器可以产生旋转的磁场检测任意方向的裂纹，通过记录磁场畸变信号最大值的时刻，根据旋转磁场的周期，得到此时涡流的方向，而根据以上分析所得的规律，此时涡流的方向垂直于裂纹的方向，于是可以判断裂纹的方向。

3 结束语

本文设计了新型正交激励下的旋转磁场涡流传感器。通过有限元仿真计算对传感器的涡流场进行了可视化处理，验证传感器可以在探头中心处形成方向一致、强度大小相同的旋转磁场区域，通过提取试件裂纹附近的磁场畸变值，验证此传感器可以用于裂纹的定向判断。