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摘要：为克服交流电磁场检测技术对于深层缺陷检测的技术瓶颈，在传统交流电磁场检测技术的基础上，借助低频脉冲激励源实现电磁场的深层感应，开展了针对深层缺陷的脉冲交流电磁场深层缺陷检测技术的仿真研究。建立了脉冲交流电磁场深层缺陷检测有限元模型，分析了感应电磁场的渗透规律和缺陷对电磁场的扰动规律，提取了深层缺陷的脉冲响应信号，将响应信号的峰值沿扫描路径作图得到Bx、Bz信号特征。仿真结果表明，脉冲交流电磁场检测技术能够对深层缺陷进行检测，所得到的Bx、Bz缺陷特征信号符合交流电磁场的缺陷信号特征。
关键词：深层缺陷;脉冲激励;特征信号
0 引言
交流电磁场检测技术（Alternating Current Field Measurement，ACFM）是一种电磁无损检测技术，其原理如图1所示，基于法拉第电磁感应规律，激励探头在试件表面感应产生近似均匀分布的电流，若试件存在缺陷，则感应电流在缺陷处“绕行”，即向缺陷两端绕过和向缺陷下方绕过。在图1所示的坐标系中，向缺陷两端绕过的感应电流将引起空间Z方向的磁场Bz发生畸变，而向缺陷下方绕过的感应电流将引起空间X方向的磁场Bx发生畸变，对磁场畸变信号Bz、Bx进行检测即可实现对缺陷的检测，且Bz信号能够反映缺陷长度，Bx信号能够反映缺陷深度[1-2]。
交流电磁场检测技术的激励信号采用正弦交流信号，由于集肤效应的限制，感应电流集中在试件的表面和近表面，因此对表面缺陷具有较高的检测能力，而对于深层缺陷的检测存在技术瓶颈。低频脉冲激励技术与传统电磁无损检测技术的融合，特别是脉冲涡流检测技术和脉冲漏磁检测技术的快速发展，为深层缺陷的电磁检测提供了新的解决方案。
本文基于交流检测场检测技术，引入低频脉冲激励技术，开展了针对深层缺陷的脉冲交流电磁场检测技术仿真研究，基于时频联合分析技术对缺陷信号进行了特征分析，实现对表面缺陷和深层缺陷的识别。
1 脉冲交流电磁场深层缺陷检测技术原理
深层缺陷是指距离试件表面一定深度的内部缺陷，包括覆盖层下的缺陷、多层结构内部缺陷等。传统的电磁检测方法采用正弦交流信号作为激励，由于受到集肤效应的限制，难以在缺陷处感应产生电磁场。因此，对于深层缺陷而言，首先需要突破的技术瓶颈便是激励技术。
脉冲激励技术采用低频方波信号作为激励，如图2所示。方波信号在上升沿和下降沿会产生一个急剧变化的空间磁场，该磁场将在试件中产生感应电流。对于脉冲激励的感应机理方面，国内外学者一般从方波信号的傅里叶变化角度出发，认为组成方波信号的基波产生的感应电流渗透深度最大，并随着谐波次数的增加，感应电流的渗透深度减少。从基波信号的感应电流的渗透深度出发，脉冲激励信号的频率应当选用低频，但考虑到对表面以及近表面缺陷的检测灵敏度，频率又应适当提高，本文方波信号的频率采用100 Hz，即T为0.01 s，高电平V为5 V，占空比为50%。
在深层缺陷处产生感应电流时，与表面缺陷相同，深层缺陷将阻碍感应电流的穿过，将引起感应电流的扰动，如图3所示。在XY平面内，感应电流向缺陷的两端绕过，引起空间磁场Bz的畸变。在YZ平面内，感应电流向缺陷上方以及下方绕过，引起空间磁场Bx的畸变。需要注意的是，感应电流向缺陷上方绕过引起的磁场变化与感应电流向缺陷下方绕过引起的磁场变化方向相反，相互抵消。
2 有限元仿真
2.1 仿真模型
建立脉冲交流电磁场深层缺陷仿真模型，包括激励线圈、磁芯、含有深层缺陷的试件等，实体模型如图4（a）所示。仿真模型的各部分参数如表1所示，试件高度为10 mm，缺陷深度为7 mm，从无缺陷的试件表面进行检测相当于对埋深3 mm的缺陷进行检测。脉冲激励信号的加载采用电路与线圈耦合的方式实现，即利用CIRCU124单元创建独立的脉冲电压源，再通过CURR和EMF自由度实现与线圈单元的耦合，实现脉冲电压信号的加载，有限元模型如图4（b）所示。
2.2 仿真结果分析
2.2.1 深层缺陷对感应电流的扰动规律
图5所示为脉冲激励下深层缺陷对感应电流的扰动分布影响规律。在脉冲上升沿的初始阶段，如图5（a）、图5（b）所示，此时感应电流强度较小，仍集中在工件表面和近表面区域，深层缺陷处感应电流强度很弱，深层缺陷所引起的电流扰动基本可以忽略。随着时间的推移，感应电流快速向工件内部深层渗透，电流强度也随之快速增加，深层缺陷对感应电流的扰动也逐渐增强，如图5（c）、图5（d）所示。对于图5所示的深层缺陷，在t=0.75 ms时扰动电流的强度达到最大，如图5（e）所示。随后，电流强度开始减弱，图5（f）所示为t=2 ms时的电流分布，虽然深层缺陷仍然引起感应电流的扰动，但是此时强度已经减弱了，此时的感应电流是由直流信号所引起的。
2.2.2 脉冲激励下深层缺陷典型响应信号
提取缺陷上方X方向和Z方向的磁场强度信号作为缺陷的特征信号，典型的深层缺陷脉冲响应信号如图6所示。脉冲響应信号有两个典型的特征，即峰值Bp和峰值时间tp。峰值的大小由缺陷处扰动电流聚集的密度所决定，而峰值时间则是由感应电流由工件表面渗透到缺陷所在处的时间所决定的。
3 深层缺陷特征信号
激励探头在试件中感应产生的均匀电磁场不能覆盖整个缺陷区域，为使仿真更加符合实际的检测过程，本文在仿真时采用移动激励探头的方式，即将激励探头的中心位置在X方向上从-0.03 m处运动到0.03 m处，激励探头的运动步长为0.001 m，在激励探头的每个位置进行仿真计算并提取探头正下方距工件表面1 mm处的脉冲响应信号Bx和Bz。将Bx和Bz信号的时域峰值沿扫描路径作图得到确信信号特征，如图7所示。由图7可知，脉冲交流电磁场深层缺陷的Bx和Bz特征信号与传统ACFM表面缺陷的特征信号规律一致，可以用来表征缺陷的检出，且Bz特征信号的波峰与波谷之间的距离可以表征缺陷的长度[1]。
4 结论
本文以深层缺陷检测为研究对象，在交流电磁场检测技术的基础上引入低频脉冲激励技术，借助仿真分析的手段，开展脉冲交流电磁场深层缺陷检测机理的研究，得到以下结论：
（1）脉冲激励下试件中的感应电流由试件表面向深层渗透，能够实现对深层缺陷的检测。
（2）深层缺陷对感应电流的扰动规律基本与传统ACFM一致，深层缺陷的Bx、Bz特征信号与ACFM表面缺陷特征信号一致，Bz特征信号的波峰与波谷间距离为深层缺陷的长度。
[参考文献]
[1] 李伟.基于交流电磁场的缺陷智能可视化检测技术研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2007.
[2] 李伟，陈国明.U型ACFM激励探头的仿真分析[J].系统仿真学报，2007，19（14）：3131-3134.
收稿日期：2020-03-25
作者简介：孔庆晓（1992—），男，浙江乐清人，硕士，助教，从事电磁无损检测和有限元分析工作。
林李龙（1989—），男，浙江乐清人，二级实训指导师，从事机械创新设计和先进制造技术研究工作。
关键词：深层缺陷;脉冲激励;特征信号
0 引言
交流电磁场检测技术（Alternating Current Field Measurement，ACFM）是一种电磁无损检测技术，其原理如图1所示，基于法拉第电磁感应规律，激励探头在试件表面感应产生近似均匀分布的电流，若试件存在缺陷，则感应电流在缺陷处“绕行”，即向缺陷两端绕过和向缺陷下方绕过。在图1所示的坐标系中，向缺陷两端绕过的感应电流将引起空间Z方向的磁场Bz发生畸变，而向缺陷下方绕过的感应电流将引起空间X方向的磁场Bx发生畸变，对磁场畸变信号Bz、Bx进行检测即可实现对缺陷的检测，且Bz信号能够反映缺陷长度，Bx信号能够反映缺陷深度[1-2]。
交流电磁场检测技术的激励信号采用正弦交流信号，由于集肤效应的限制，感应电流集中在试件的表面和近表面，因此对表面缺陷具有较高的检测能力，而对于深层缺陷的检测存在技术瓶颈。低频脉冲激励技术与传统电磁无损检测技术的融合，特别是脉冲涡流检测技术和脉冲漏磁检测技术的快速发展，为深层缺陷的电磁检测提供了新的解决方案。
本文基于交流检测场检测技术，引入低频脉冲激励技术，开展了针对深层缺陷的脉冲交流电磁场检测技术仿真研究，基于时频联合分析技术对缺陷信号进行了特征分析，实现对表面缺陷和深层缺陷的识别。
1 脉冲交流电磁场深层缺陷检测技术原理
深层缺陷是指距离试件表面一定深度的内部缺陷，包括覆盖层下的缺陷、多层结构内部缺陷等。传统的电磁检测方法采用正弦交流信号作为激励，由于受到集肤效应的限制，难以在缺陷处感应产生电磁场。因此，对于深层缺陷而言，首先需要突破的技术瓶颈便是激励技术。
脉冲激励技术采用低频方波信号作为激励，如图2所示。方波信号在上升沿和下降沿会产生一个急剧变化的空间磁场，该磁场将在试件中产生感应电流。对于脉冲激励的感应机理方面，国内外学者一般从方波信号的傅里叶变化角度出发，认为组成方波信号的基波产生的感应电流渗透深度最大，并随着谐波次数的增加，感应电流的渗透深度减少。从基波信号的感应电流的渗透深度出发，脉冲激励信号的频率应当选用低频，但考虑到对表面以及近表面缺陷的检测灵敏度，频率又应适当提高，本文方波信号的频率采用100 Hz，即T为0.01 s，高电平V为5 V，占空比为50%。
在深层缺陷处产生感应电流时，与表面缺陷相同，深层缺陷将阻碍感应电流的穿过，将引起感应电流的扰动，如图3所示。在XY平面内，感应电流向缺陷的两端绕过，引起空间磁场Bz的畸变。在YZ平面内，感应电流向缺陷上方以及下方绕过，引起空间磁场Bx的畸变。需要注意的是，感应电流向缺陷上方绕过引起的磁场变化与感应电流向缺陷下方绕过引起的磁场变化方向相反，相互抵消。
2 有限元仿真
2.1 仿真模型
建立脉冲交流电磁场深层缺陷仿真模型，包括激励线圈、磁芯、含有深层缺陷的试件等，实体模型如图4（a）所示。仿真模型的各部分参数如表1所示，试件高度为10 mm，缺陷深度为7 mm，从无缺陷的试件表面进行检测相当于对埋深3 mm的缺陷进行检测。脉冲激励信号的加载采用电路与线圈耦合的方式实现，即利用CIRCU124单元创建独立的脉冲电压源，再通过CURR和EMF自由度实现与线圈单元的耦合，实现脉冲电压信号的加载，有限元模型如图4（b）所示。
2.2 仿真结果分析
2.2.1 深层缺陷对感应电流的扰动规律
图5所示为脉冲激励下深层缺陷对感应电流的扰动分布影响规律。在脉冲上升沿的初始阶段，如图5（a）、图5（b）所示，此时感应电流强度较小，仍集中在工件表面和近表面区域，深层缺陷处感应电流强度很弱，深层缺陷所引起的电流扰动基本可以忽略。随着时间的推移，感应电流快速向工件内部深层渗透，电流强度也随之快速增加，深层缺陷对感应电流的扰动也逐渐增强，如图5（c）、图5（d）所示。对于图5所示的深层缺陷，在t=0.75 ms时扰动电流的强度达到最大，如图5（e）所示。随后，电流强度开始减弱，图5（f）所示为t=2 ms时的电流分布，虽然深层缺陷仍然引起感应电流的扰动，但是此时强度已经减弱了，此时的感应电流是由直流信号所引起的。
2.2.2 脉冲激励下深层缺陷典型响应信号
提取缺陷上方X方向和Z方向的磁场强度信号作为缺陷的特征信号，典型的深层缺陷脉冲响应信号如图6所示。脉冲響应信号有两个典型的特征，即峰值Bp和峰值时间tp。峰值的大小由缺陷处扰动电流聚集的密度所决定，而峰值时间则是由感应电流由工件表面渗透到缺陷所在处的时间所决定的。
3 深层缺陷特征信号
激励探头在试件中感应产生的均匀电磁场不能覆盖整个缺陷区域，为使仿真更加符合实际的检测过程，本文在仿真时采用移动激励探头的方式，即将激励探头的中心位置在X方向上从-0.03 m处运动到0.03 m处，激励探头的运动步长为0.001 m，在激励探头的每个位置进行仿真计算并提取探头正下方距工件表面1 mm处的脉冲响应信号Bx和Bz。将Bx和Bz信号的时域峰值沿扫描路径作图得到确信信号特征，如图7所示。由图7可知，脉冲交流电磁场深层缺陷的Bx和Bz特征信号与传统ACFM表面缺陷的特征信号规律一致，可以用来表征缺陷的检出，且Bz特征信号的波峰与波谷之间的距离可以表征缺陷的长度[1]。
4 结论
本文以深层缺陷检测为研究对象，在交流电磁场检测技术的基础上引入低频脉冲激励技术，借助仿真分析的手段，开展脉冲交流电磁场深层缺陷检测机理的研究，得到以下结论：
（1）脉冲激励下试件中的感应电流由试件表面向深层渗透，能够实现对深层缺陷的检测。
（2）深层缺陷对感应电流的扰动规律基本与传统ACFM一致，深层缺陷的Bx、Bz特征信号与ACFM表面缺陷特征信号一致，Bz特征信号的波峰与波谷间距离为深层缺陷的长度。
[参考文献]
[1] 李伟.基于交流电磁场的缺陷智能可视化检测技术研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2007.
[2] 李伟，陈国明.U型ACFM激励探头的仿真分析[J].系统仿真学报，2007，19（14）：3131-3134.
收稿日期：2020-03-25
作者简介：孔庆晓（1992—），男，浙江乐清人，硕士，助教，从事电磁无损检测和有限元分析工作。
林李龙（1989—），男，浙江乐清人，二级实训指导师，从事机械创新设计和先进制造技术研究工作。