交流电磁检测技术在大型游乐设施重要焊缝快速检测中的应用研究

程远 任丽丽

摘 要： 本文针对大型游乐设施存在的安全问题，为提高游乐设施检测技术，消除安全隐患，交流电磁检测技术在涡流无损检测的基础上提出，重点对影响交流电磁场检测灵敏度的相关因素及阵列式交流检测系统进行了研究。

关键词： 交流电磁检测；检测灵敏度；阵列交流检测

0 绪论

我国大型游乐设施存在设计和制造“先天不足”、维护和保养“后期失调”、长期“带病运行”和超期服役现象严重等安全隐患。大型游乐设施作为关乎民众生命安全的特种设备，必须将这些潜在的危险扼杀在摇篮里。而提高游乐设施检测技术、保证游乐设施的安全运行至关重要。

交流电磁检测技术，英文名Alternating Current Field Measurement，简称ACFM，是一种在涡流检测和漏磁检测基础上发展起来的新兴的无损检测方法，是通过检测工件表面由裂纹引起的磁场扰动来实现对金属构件损伤的早期评定。ACFM的优点有无须接触、无须标定受提离效应影响小、检测速度快、精度高、对裂纹缺陷的检测定性定量一次完成等，在覆盖有防腐涂层的结构表面裂纹检测领域有广阔的应用前景。

1.交流电磁场检测技术理论基础

ACFM技术的基本原理是在激励线圈中通以均匀的交变电流，由电生磁、磁生电的原理在工件表面形成电、磁交替的场，在正常情况下，工件周围的电磁场是均匀分布的，但当工件有缺陷存在时，电磁场的分布则会在缺陷处发生畸变，通过电磁场的这种扰动量来评定缺陷。其根本原因是工件在缺陷处的电阻率相对基体材料发生了变化，进而扰动了感应电磁场，使得电磁场在缺陷的两边和底部分布較密。检测探头通过采集电磁场的扰动量，利用数字转化技术对采集到的信息进行分析处理，根据扰动量与缺陷参数之间的关系，实现对缺陷的定性和定量分析。ACFM技术不需要与工件直接接触就可完成缺陷检测，而且该检测方法对线圈与工件间的距离不敏感，这样既可减少对工件表面覆盖物的清理，另一方面检测前通过准确的理论模型和数学模型，建立缺陷分布和尺寸与场分布的对应关系，在不需要试块标定的情况下，就可实现检测的自动化。

2.影响交流电磁场检测灵敏度的相关因素

缺陷检测的灵敏度是指畸变磁场信号的幅值与无缺陷时磁场信号的比值定义为缺陷检测的灵敏度。扰动电磁检测的分布特征与试件、裂纹参数有一定的对应关系。但是在实际检测过程中，还要考虑其他影响检测灵敏度的相关因素，如检测频率、提离高度以及工件材料特性等因素。

2.1激励频率对检测灵敏度的影响

在交流电磁检测中，扰动磁场的信号非常微弱，需要通过选择合适的频率，提高检测信号的灵敏度。通过有限元仿真分析可知，当激励频率较小时，激励线圈的检测灵敏度不能发挥到最佳状态，但是频率过高，对检测灵敏度的提高并没有帮助。因此在设计交流检测激励线圈时，选择恰当的电流激励频率有助于提高检测灵敏度。

2.2激励电流大小对检测灵敏度的影响

在交流电磁检测过程中，激励电流的大小是能够改变和控制的因素之一，仿真分析的结果表明，当激励电流变化时，灵敏度有所变化，但变化的范围很小。电流的大小的波动对检测灵敏度的影响较小，因此电源选择的范围较广。

2.3提离对检测灵敏度的影响

提离即为探头与工件表面的距离，在涡流检测技术中，提离对检测信号有着明显的影响。通过仿真分析可知，在提离成倍增加时，交流电磁场的检测灵敏度虽然发生变化，但不甚敏感。

2.4材料对检测灵敏度的影响

无论是铁磁性材料低碳钢还是非铁磁性材料铝，这两种材料的Bx和Bz的灵敏度都随着激励电流频率的增加而减小，且铁磁性材料低碳钢对激励电流频率的敏感性大于非铁磁性材料铝。

3.阵列交流电磁场检测探头的设计

为了提高检测效率，增大检测的覆盖面，一方面是增加激励线圈的体积，另一方面还可通过并列多个线圈来形成足够大的磁场。通常把多个线圈并列排放的探测线圈组称为阵列探头。阵列探头的探测线圈是按照一定的方式进行排列的，一次能够覆盖的区域为一个矩形区域，不是一个点，因此加大了单次检测的范围。阵列式探头的优点是无需进行多次的重复扫描便可实现大范围、高速度的测量，并且在检测精度和分辨率方面并不比单只传感器差，因此在提高检测速度的同时也保证了检测的精度和可靠性。在恶劣的检测环境，检测的目标检测人员难以靠近，需要长期实时监测检测情况时，阵列探头的极大优势就显现了出来。阵列探头的结构形式可根据检测对象的形状进行灵活多变的设计，尤其是针对一些复杂的检测零件，同时具有克服和消除提离小型的优势，因此运用的领域极其广泛。

激励线圈的作用是在通具有一定变化规律的交变电流后，在被检测工件的表面产生均匀交变的感应电磁场。而由于裂纹的存在激励线圈在工件中产生了涡流，这一涡流的存在对周围的磁场产生了影响，使得线圈的阻抗增加了一个Z的增量。裂纹的存在与否决定了涡流的存在与否，由此裂纹被检测了出来。激励线圈作为磁场形成的源头，对它的要求就是产生持久有效的电磁场，而且在导体中传播时衰减量小或是不衰减，但是几乎没有能够做到完全不衰减的激励线圈。同时激励线圈的形状对工件表面电磁场的分布也有着直接的影响。因此有必要通过对激励线圈形状的合理设计来缓减电磁场的衰减。研究表明，条件相同时，在导体中感应电磁场的衰减率方面，矩形线圈要比传统涡流激励线圈衰减的慢的多。因此矩形线圈在测量深度较大的裂纹时有着更大的优势，即矩形线圈的测量深度更深。

4.总结

本文分析了各因素对检测灵敏度及激励磁场分布特征的影响，得出以下结论：

（1）选取合适的激励频率既保证了检测灵敏度，又不会造成资源的浪费；电流大小的波动对检测灵敏度的影响较小；提离对交流检测技术的影响较低；铁磁性材料的检测灵敏度要比非铁磁性材料的灵敏度高。

（2）无论是从检测的覆盖面还是检测深度方面，矩形线圈要比圆形和条纹状线圈都表现出良好的优势，交流电磁场检测系统中推荐采用阵列式矩形激励线圈。

参考文献

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