CN112964777B - 一种表面裂纹走向的双激励检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面裂纹走向的双激励检测方法，利用双激励传感器在待测件表面形成随时间旋转的电涡流场，沿着固定的检测路径扫查经过待测件缺陷位置，提取待测件表面XY两轴磁场畸变信息，利用表面磁场畸变幅值大小判断裂纹的走向。本发明所述检测方法解决了单一检测磁场传感器二维栅格扫查与阵列探头扫查相比检测时间倍增的问题，实现了一次性扫查完成裂纹检测及走向判断，大大提高了检测效率。

Description

一种表面裂纹走向的双激励检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种表面裂纹走向判定的双激励检测方法，用于非铁磁性导电材料表面任意方向裂纹的检测和方向的识别。

背景技术

交流电磁场检测技术(Alternating current field measurement,ACFM)具有缺陷定量不校核、对检测环境要求不高的优点。现有技术采用旋转交流电磁场的检测方法，通过控制正交双激励的幅值和相位，在待测件表面形成任意方向的感应电流，确保任意方向裂纹的检测灵敏度。Hamia等[1]利用十字交叉的导线做激励源，形成方向可控的伪旋转磁场，在磁场最大畸变幅值状态下的感应电流方向推断裂纹的走向，该方法需要手动调节激励幅值，形成“伪”旋转磁场，利用最大畸变状态下的涡流方向反推裂纹方向，降低了检测效率。Yang Guang等[2]在旋转交流电磁场激励下，利用单一巨磁阻(Giant MagnetoResistance,GMR)接收磁场传感器进行二维栅格扫查，根据C扫图像中波峰波谷连线与扫查路径的夹角判断裂纹的走向，由于生成C扫图像必须做二维栅格扫查，故检测时间成倍增加。叶朝锋[3]采用差分测量的方式来降低背景磁场的影响，GMR阵列可以更直观高效地实现缺陷的检测和走向的判定，但是双激励交流电磁场阵列检测需要复杂的激励和后处理方案。

综上，目前利用交流电磁场检测非铁磁性导电材料待测件表面裂纹的技术，存在以下问题：

1.当利用阵列探头获取B_z特征的C扫图时,需要复杂的激励和后处理方案，例如需要对背景磁场进行补偿；

2.当利用单一接收磁场传感器时，需进行二维栅格扫描，检测效率很低。

因此，需要有一种能够一次扫查实现裂纹的检测和方向的判定的技术手段以解决上述问题。

参考文献：

[1]HAMIA R,CORDIER C,DOLABDJIAN C,et al.Eddy-current non-destructivetesting system for the determination of crack orientation[J].NDT&EInternational,2014,61:24-28.

[2]YANG G,DIB G,UDPA L,et al.Rotating Field EC-GMR Sensor for CrackDetection at Fastener Site in Layered Structures[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(1):463-470.

[3]YE C F,HUANG Y,UDPA L,et al.Differential sensor measurement withrotating current excitation for evaluating multilayer structures[J].IEEESensors Journal,2016,16(3):782-789.

发明内容

本发明的目的是为了解决现有非铁磁性导电材料表面裂纹交流电磁场检测效率低、处理复杂的缺点，而提出的一种表面裂纹走向的双激励检测方法。

(一)方法原理与仿真

图2为检测过程示意图，在待测件表面建立二维直角坐标系，扫查路径始终沿着X轴正向，定义斜裂纹与X轴正向夹角为β，定义涡流与X轴正向夹角为α。采用旋转交流电磁场激励双U探头，在待测件表面形成随时间旋转的感应电流场，两轴线圈的激励如下式：

I_x＝I₀sin(ωt+θ)

I_y＝I₀sin(ωt+θ+90°)

式中ω＝2πf，f为激励频率I₀为激励幅值，θ为初相位。

根据麦克斯韦方程组，激励双U型探头XY在待测件表面产生的感应电流密度分别为J_ex和J_ey，表达式如下：

式中，H_p为感应磁场总强度，k为工件表面感应磁场强度值与感应磁场总强度值的比率。d为趋肤层厚度，z为法向方向的位置参数。所以根据矢量合成定理，待测件表面的感应电流总密度J_e可以由上述两个正交的电流密度J_ex、J_ey矢量迭加而成，合成电流的幅值大小||J_e||和方向θ_J分别为：

由此，旋转交流电磁场激励下，检测过程中z为定值，所以均匀感应电流在待测件表面随时间发生周期性旋转，其旋转周期与激励电流周期相等，同时旋转磁场幅值大小不变。

由于施加的是正弦激励，所以待测件表面的感应磁场也是正弦信号。当待测件表面没有裂纹缺陷出现时，根据交流电磁场检测原理，待测件表面的感应磁场没有发生变化，提取的感应正弦信号的幅值大小不发生变化，所以提取的磁场信号是一条平稳的直线，可以判断没有裂纹的产生，而在实际检测时，采用允许出现的最小深度裂纹引起的磁场电压来判断是否为裂纹畸变信号，即裂纹有无的判断。当待测件表面出现裂纹缺陷时，由于裂纹缺陷中空气与待测件电导率的差别，感应电流围绕裂纹端点和底部发生畸变，引起表面电磁场扰动，探头扫查到缺陷区域，正弦信号幅值大小会出现变化，取感应磁场的峰峰值，绘制其与扫查路径的函数图像，则幅值随路径变化的图像呈现典型的波谷特征。所以，本发明在实际的扫查的过程中，利用以上的检测原理扫查步骤为：由于本发明提出的检测方法属于线扫描，根据双激励探头激励磁场覆盖区域，将待检测试件分为平行的待检测区域，沿着固定的方向扫查一次，拾取试件表面的磁场信息，利用磁场特征有无变化即可判断裂纹是否存在。所以本发明提出的检测方法相比较前人的二维栅格扫查的工作，不需要获取试件每一个点的磁场幅值，进一步提高了检测工作的效率。

取XY平面上磁场特征的波谷值作为畸变信号，如下式所示：

ΔB_xm＝B_{x min}-B₀

ΔB_ym＝B_{y min}-B₀

式中，B_{x min}、B_{y min}为横向、纵向磁场波谷信号最小幅值，B₀为不存在裂纹时的磁场信号幅值。

旋转交流电磁场激励下，均匀感应电流在待测件表面随时间发生周期性旋转，不同方向的电流会引起不同程度的磁场畸变，分析旋转磁场激励下裂纹走向改变对磁场畸变幅值的影响，从以下两个方向考虑，如图3所示：

1.待测件表面的磁场扰动大小取决于感应电流方向α与裂纹方向β的夹角大小。根据旋转交流电磁场检测原理，激励探头可以在待测件表面产生方向随时间发生旋转，幅值大小不发生改变的电磁场。根据矢量合成定理，工件表面感应电流总密度J_e可以分解为垂直于裂纹方向的电流密度分量J_e1和平行于裂纹方向的电流密度分量J_e2。垂直于裂纹方向的感应电流引起裂纹长度方向的畸变场，平行于裂纹方向的感应电流引起裂纹宽度方向上的畸变场。与裂纹长度方向引起的畸变幅值相比，宽度方向上的畸变幅值可以忽略不计。

2.由于传感器存在磁场敏感轴，此时传感器拾取到的磁场畸变值取决于裂纹角度的大小。当感应电流方向垂直于特征轴，也就是磁通密度方向沿着敏感轴的方向时，磁场幅值才能被全部提取到。所以此时的电流密度分量J_e1引起的磁场畸变并不能全部被磁场特征Bx和By提取到。

根据旋转交流电磁场检测原理，特征检测横向裂纹时有最大畸变幅值，即裂纹角度β＝0°、α＝90°时，设此时的畸变幅值为B′_xm。同理,对于B_y特征检测纵向裂纹时，由最大畸变幅值，即β＝90°、α＝0°时，设此时的畸变幅值为B′_ym。以涡流方向夹角α为变量，建立任意方向角度裂纹的X向畸变幅值ΔB_xm(α)与B′_xm、Y向畸变幅值ΔB_ym(α)与B′_ym的对应关系如下：

采用数据仿真，模拟裂纹角度β＝0°、45°、90°的检测，获得磁场分量B_x、B_y畸变幅值与感应电流方向的变化图像，见图4：

(1)对于B_x，图4-a所示，当β＝0°时，B_x畸变幅值较大，磁场畸变信息能够全部被拾取到，此时检测灵敏度高；当β＝90°时，磁场扰动信息由于与磁场敏感轴存在夹角，B_x畸变幅值相对较小，容易漏检。

(2)对于B_y，图4-b所示，当β＝0°时，磁场扰动信息由于与磁场敏感轴存在夹角，B_y畸变幅值相对较小，容易漏检；当β＝90°时，B_y畸变幅值较大，磁场畸变信息能够全部被拾取到，此时检测灵敏度高。

由此可知，在旋转磁场激励下，对于任意方向的裂纹，当电流方向垂直于裂纹时，有最大畸变幅值，但是由于裂纹与扫查路径存在一定的夹角时，单一特征还是会出现丢失特征的情况。而磁场分量Bx特征和By特征检测不同方向裂纹时，两特征的磁场畸变幅值可以达到互补以防止出现漏检的情况。提取不同方向裂纹的最大畸变幅值信号ΔB_xm、ΔB_ym，绘制裂纹角度与最大畸变幅值信号的图像，图5所示，可以看出随着β从0～90°变化，ΔB_xm逐渐降低至接近于0，ΔB_ym逐渐增加，二者趋势相反。另外，从图中可以看出对于横向(裂纹角度β＝0°)和纵向裂纹(裂纹角度β＝90°)，裂纹畸变特征值相等，即ΔB_xm，β＝0。＝ΔB_ym，β＝90°，也就是前文定义的B′_xm＝B′_ym。

由以上可知，旋转磁场激励下，任意方向裂纹的畸变幅值B_x、B_y均为裂纹角度β的函数，所以可利用XY方向上的畸变特征幅值用于裂纹的定向特征，定义旋转磁场下裂纹方向计算公式为：

β＝arc tan(ΔB_ym/ΔB_xm)

(二)检测方法

在发现上述规律的基础上，本发明提出一种表面裂纹走向的双激励检测方法，具体如下：

1、裂纹有无的检测判断

在实际检测过程中，探头移动、提离距离变化等会引起磁场信号的变化，从而对裂纹的检测以及方向判定工作造成一定的干扰。由于裂纹深度对检测灵敏度影响较大，即裂纹深度越大，检测信号越大，所以在进行裂纹定向工作之前，首先需要判断试件表面是否存在裂纹。为了区别无裂纹与有裂纹的两种情况，本发明通过检测阈值以区别有无裂纹两种情况。根据ACFM检测技术的正演模型理论，双U型线圈下磁场幅值随探头移动的表达公式如下：

式中，d为裂纹深度，β为潜在裂纹的走向与扫查路径的夹角，和分别是E_inc，x(x，0)、E_inc，y(x，0)的一维傅里叶变换，E_inc，x(α，0)、E_inc，y(α，0)是裂纹区域x、y方向上的电场分量，X是x对应的空间频率分量；

当裂纹宽度为b时，结合漏磁原理，根据公式推导和展开，上述公式(1)、(2)展开后如下：

其中，f为激励频率，μ为试件磁导率，σ是试件电导率，b为裂纹宽度。

结合上文的裂纹方向判断公式，可得任意方向裂纹检测时，其电压变化幅值公式：

式中，d为裂纹深度，β为裂纹的走向与扫查路径的夹角，b为裂纹宽度。

此时，根据实施所述表面裂纹走向的双激励检测方法的检测设备确定检测参数，d取在检测过程中所述待测件允许出现的最小裂纹深度，将检测参数和最小裂纹深度代入上述ACFM正演模型，计算在检测过程中允许出现的最小裂纹深度引起的磁场幅值B_min＝B_{x min}+B_{y min}，当检测过程中出现小于B_min的幅值变化，则认为此时的信号变化是由噪声干扰导致的。当检测过程中出现大于B_min的幅值变化，则认为此时的信号变化是由裂纹信号引起的，此时可以对该裂纹信号走向分析计算。

2、裂纹走向的检测

对正交放置的双U型激励线圈通相位差90°的正弦激励，在待测件表面产生均匀的感应电流场，以待测件为中心建立坐标系，扫查路径始终沿着X轴正向，斜裂纹与X轴正向夹角为β，涡流与X轴正向夹角为α；采用正交放置的双轴检测传感器，测量平面磁场分量X、Y特征幅值大小，用于裂纹的检测和方向的判定，任意方向裂纹的畸变幅值B_x、B_y均为裂纹角度β的函数，任意方向裂纹的磁场畸变幅值与随感应电流方向变化的表达式如下：

从而通过所述传感器获得的ΔB_xm、ΔB_ym，得到裂纹角度β：

β＝arctan(ΔB_ym/ΔB_xm)。

进一步的，所述提取待测件表面XY两轴磁场畸变信息ΔB_xm、ΔB_ym，为提取所述待测试件表面上方提离为1mm处的磁场幅值变化信息。

进一步的，所述检测方法适用于不锈钢待测件。

进一步的，由于采用测量磁场分量Bx和By作为检测特征，本发明采用两片DFN8封装的TMR2905D磁场传感器垂直放置，芯片大小为3mm×3mm×0.75mm，间隔为5mm。

进一步的，待测件表面的感应电流围绕裂纹的端点聚集，从而形成畸变磁场。所以当裂纹长度较长时，远离裂纹端点的区域没有明显扰动，单一磁场传感器检测时容易发生漏检的现象。因此本发明提出的裂纹定向方法适用于待测件表面微小裂纹的检测，通常裂纹长度小于20mm时，检测效果优异。

进一步的，由于二次磁场的信号十分微弱，为避免噪声信号的干扰，测量平面磁场分量X、Y特征幅值大小时，采用由硬件中的前置放大模块、数据采集卡及上位机Labview中相关器形成锁相放大功能，滤除与检测信号无关的噪声信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、由于单一磁场特征幅值无法满足任意方向裂纹的检测，本发明通过采集X、Y轴磁场特征，利用两轴磁场分量随裂纹角度变化的关系，能够检测处任意方向的裂纹，使得任意方向裂纹均有相同的检测灵敏度。该特征的利用使得检测效率的提高有了依据，同时降低了系统复杂度。

2、由于裂纹与特征轴X、Y夹角的不一致会导致特征幅值大小不同。所以本专利推理了旋转磁场激励下X、Y方向上磁场波谷特征大小的变化规律，利用磁场分量特征ΔB_xm、ΔB_ym值大小与裂纹纹方向β的函数关系，计算裂纹方向，可以扫查一次试件表面拾取畸变信息，实现裂纹缺陷的检出和方向的判定，不需要进行表面二维栅格扫查，极大的提高了检测效率。

3、Hamia的定向方法每检测一个任意方向裂纹，至少需要通过控制激励幅值大小的方法，形成0～180°的感应电流场，继而通过感应电流的方向判断裂纹的走向。由于本文的定向方法采用旋转磁场激励，在待测件表面产生随时间旋转的感应电磁场，不需要人为的控制激励幅值大小产生旋转感应电磁场，极大提高检测效率。

附图说明

图1为本发明所述方法的步骤流程图；

图2为本发明所述方法的扫查路径布设示意图；

图3为本发明所述方法的感应电流分解示意图；

图4为本发明所述方法获得的磁场畸变特征随感应电流方向变化图，图4-a为Bx畸变幅值，,4-b为By畸变幅值；

图5是检测磁场畸变幅值随裂纹方向变化图；

图6是本发明所述方法的扫查方向布设示意图。

图中标记：

1-激励线圈，

2-U型铁氧体磁芯，

3-TMR高精度磁场传感器

4-带裂纹缺陷待测件

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

以304奥氏体不锈钢待测件为例，根据检测实际需求，本发明以该待测件中允许出现的最小深度裂纹为深度1mm为例，分析该允许出现的最小深度裂纹最小电压值。将激励参数和裂纹尺寸参数代入ACFM模型，采用有限元分析的计算方法，得出对于1mm深度的裂纹，其最低畸变幅值B_min＝ΔB_{x min}+ΔB_{y min}＝0.12Gs，V_min＝0.46V，所以当试件表面两轴磁场信号畸变之和低于0.12Gs时，则认为此时试件表面不存在裂纹缺陷。图6为所述304奥氏体不锈钢待测件，以缺陷尺寸为(长×宽×高)15×0.5×5mm为例，在待测件表面过裂纹中心扫查，以裂纹方向为参考，在0～90°范围内设置7条扫查路径，间隔15°，实际扫查过程中，将探头沿着路径扫查经过裂纹上方，探头方向不变，模拟裂纹角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的检测。将检测探头沿着水平方向匀速扫查经过待测件上方，每个方向扫查多次获得均值数据，以减小人为因素导致的误差。利用两轴的磁场波谷特征用于裂纹的检测和方向的判断，具体检测结果如表1所示。

表1.实测裂纹角度

表1记录了不同扫查路径下的检测结果、裂纹计算误差和检测灵敏度。从表中可以看出：

对于Bx特征，裂纹角度从0°至90°变化，磁场分量特征B_xm呈逐渐减小的趋势，当裂纹角度接近90°时，Bx特征幅值接近于0，明显不能满足检测需求。

对于By特征，磁场分量特征B_ym则以相反的趋势变化，呈现增长的趋势，当裂纹角度接近90°时，By特征幅值增长到最大值。与仿真趋势一致。

所以利用两个特征可以用于任意方向裂纹的检测。下面引入检测灵敏度的概念对检测结果进行评价。由于单特征并不能满足任意方向裂纹的检测，所以本发明利用B_r特征来表示任意方向裂纹的检测结果，检测灵敏度由下式计算：

B_r＝B_x+B_y

可以从表1中看出，利用两轴特征可以实现裂纹方向的检测，通过ΔB_xm、ΔB_ym、β＝arc tan(ΔB_ym/ΔB_xm)，实现了裂纹方向的判定，且对于不同方向的裂纹，均具有相同的检测灵敏度。由此，本发明所述裂纹走向的检测方法可以精确的计算裂纹与扫查路径的夹角，实现裂纹方向的判定。

本发明提供了基于交流电磁场检测原理判定表面裂纹走向的方法，首先采用正交双激励探头，施加相位相差90°的正弦交流激励，在待测件表面产生方向随时间旋转的均匀涡流场，检测传感器选用正交放置的高精度隧道效应磁阻(Tunnel MagnetoresistanceResistance,TMR)磁场传感器，拾取XY方向的磁场畸变特征波谷幅值作为定向特征，计算结果即为裂纹与扫查路径所成夹角。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种表面裂纹走向的双激励检测方法，利用双激励传感器在待测件表面形成随时间旋转的涡流场，利用表面磁场畸变幅值大小判断裂纹的走向，其特征在于：

在待测件表面建立二维直角坐标系，双激励传感器的扫查路径始终沿着x轴正向，提取待测件表面x、y两轴磁场畸变信息ΔB_xm、ΔB_ym，在所述利用表面磁场畸变幅值大小判断裂纹的走向之前，还包括裂纹有无的检测判断，具体如下：

根据ACFM检测技术的正演模型理论，双U型线圈下x、y方向磁场幅值随探头移动的表达公式如下：

式中，d为裂纹深度，β为潜在裂纹的走向与扫查路径的夹角，和分别是E_inc，x(X,0)和E_inc，y(X,0)的一维傅里叶变换，E_inc，x(X,0)和E_inc，y(X,0)是裂纹区域x、y方向上的电场分量，X是所述待测件表面二维直角坐标系x方向对应的空间频率分量；

根据实施所述表面裂纹走向的双激励检测方法的检测设备确定检测参数，当d取在检测过程中待测件允许出现的最小裂纹深度时，将检测参数和最小裂纹深度代入上述ACFM正演模型，用将正演模型和有限元分析结合的方法计算在检测过程中允许出现的最小裂纹深度引起的磁场电压B_rmin＝B_xmin+B_ymin；

当检测过程中出现大于B_rmin的幅值变化时，再利用表面磁场畸变幅值大小判断裂纹的走向，旋转磁场下裂纹方向为：

β＝arctan(ΔB_ym/ΔB_xm)

其中，β为裂纹与x轴正向夹角，ΔB_xm＝B_xmin-B₀，ΔB_ym＝B_ymin-B₀，B₀为不存在裂纹时的磁场信号幅值，B_xmin、B_ymin为对应坐标分量的磁场波谷信号最小幅值。

2.如权利要求1所述的一种表面裂纹走向的双激励检测方法，其特征在于，所述提取待测件表面x、y两轴磁场畸变信息ΔB_xm、ΔB_ym，为提取所述待测试件表面上方提离为1mm处的磁场幅值变化信息。

3.如权利要求1所述的一种表面裂纹走向的双激励检测方法，其特征在于，所述检测方法适用于不锈钢待测件。

4.如权利要求2所述的一种表面裂纹走向的双激励检测方法，其特征在于，所述方法适用于长度小于等于20mm的裂纹的走向检测。

5.如权利要求1-4任一所述的一种表面裂纹走向的双激励检测方法，其特征在于，测量B_xmin、B_ymin时，采用锁相放大的信号处理方法，以滤除信号中的噪声信号。