扰动磁场检测机理的理论分析与试验研究

扰动磁场检测技术(简称ACFM)是交流电场在工件中感应出均匀的交变电流，材料中的缺陷、裂纹、疲劳损伤将改变其周围感应电流的分布，从而改变其表面感应磁场的分布，通过检测工件表面由缺陷引起的磁场扰动，从而实现对缺陷的评定。采用理论分析与试验研究相结合的方法，对扰动磁场定量检测技术的理论机理及相关规律进行研究；从电磁场理论、金属电子及传输理论和试验数据分析研究扰动磁场定量检测技术的理论机理，揭示扰动检测信号的分布特征与试件裂纹缺陷及疲劳损伤状况的对应关系；试验研究综合评价激励和检测线圈结构因素、激励和检测电流特征因素、检测过程因素和试件特征因素对检测结果和检测灵敏度的影响，揭示扰动磁场检测灵敏度与相关检测因素的对应规律；研究扰动磁场检测信号的特征提取技术及检测结果的成像显示技术。建立扰动磁场定量检测的数学模型，为扰动磁场检测技术的广泛应用奠定基础，为设备的安全评估和寿命预测提供新的思路。

扰动磁场检测技术(简称ACFM)是交流电场在工件中感应出均匀的交变电流，材料表面的裂纹、疲劳损伤将改变其周围感应电流的分布和感应电流的大小，从而改变其表面感应磁场的分布。通过检测工件表面由裂纹、损伤引起的磁场扰动，从而实现对裂纹及损伤状况的评定。本项目采用理论仿真分析、试验研究相结合的方法，对扰动磁场定量检测技术的理论机理及相关规律进行了研究。 .依据电磁场理论和ANSYS有限元仿真软件，仿真分析了裂纹特征与检测信号之间的关系。针对不同属性的金属材料，建立了“激励式”矩形线圈和矩形槽裂纹的三维有限元仿真模型。理论仿真分析表明，在相同裂纹长度条件下，Bx的灵敏度随缺陷深度的增加而增加，Bz的峰值高度随缺陷深度的增加而增加，Bz的峰值间距不变；在裂纹深度不变条件下，Bx的灵敏度随裂纹长度的增加而减小，Bz的峰值间距与裂纹长度成正比。Bx的灵敏度可以用于反映裂纹的深度信息，Bz的峰值间距又体现了缺陷的长度信息。建立了依据Bz峰值间距反演裂纹长度的线性反演算法，建立了依据Bz的峰值间距和Bx灵敏度反演裂纹深度的二元函数反演算法。理论和试验表明，铁磁性材料的最佳检测频率为6kHz，非铁磁性材料的最佳检测频率为20kHz。.从试验方面研究了扰动磁场定量检测技术的理论机理，揭示检测信号的分布特征与试件裂纹及疲劳损伤状况的对应关系，研究结果与仿真分析结果相一致。采用研制的交流电磁场检测仪，对不同材料多种试件进行检测研究。典型的人工试件有带矩形槽裂纹的铝板、铝合金板、碳素钢板。典型的自然裂纹钢结构件有空压缩罐、压力容器、油气管道。检测结果与其它检测方法(如超声检测、磁粉检测)检测结果完全一致。.激励频率对检测灵敏度有重要影响，激励频率的改变不会影响Bz峰值间距，但会影响大小和强弱，设计采用了最佳的检测频率；检测信号及背景值都随提离高度的增加而减小，但该方法受提离效应的影响较小。提离效应对检测裂纹长度的定量评价没有影响，对深度的定量评价需要加以修正。激励电流越大，检测信号越强，但耗电多易损坏电子元件。检测传感器可选用线圈和磁敏传感器。和涡流检测相比，激励部分和检测部分相分离，提高了检测空间分辨率，方便使用阵列式传感器。材料特征对检测信号的影响非常明显，在转换检测试件材料时，应改变信号调理电路的放大系数。试件结构特征对检测信号具有明显的影响，要对裂反演算法进行修正。一般裂纹距离边