【文章內容簡介】 Bz出現高幅值的波峰和波谷， 由于 By 的數量級 小，因此在不需要特殊處理的情況下，探頭只需測量 Bx 和 Bz分量即可判定缺陷的存在 [20]。即 x 軸方向磁感應強度 Bx 和 Bz 軸方向磁感應強度Bz。前者反映了缺陷的深度信息，后者反映了缺陷的長度信息 。 南昌航空大學 2021 屆學士學位 論文 8 3 ACFM 檢測系統(tǒng)設計及調試 檢測系統(tǒng) 激 勵電 源探 頭被 檢試 樣信 號 處理 電 路信 號采 集 交流電 磁場檢測系統(tǒng)主要由激勵電源、探頭、 檢波 電路、數據采集組成。激勵電源給激勵線圈提供不同頻率的正弦交流電，激勵線圈在試件表面感應均勻的電場。檢測探頭拾取在激勵線圈下產生的感應磁場信號，通過 信號處理 電路得到比較明顯的缺陷信號， 對信號進行采集 。 交流電磁場檢測系統(tǒng)結構示意圖 。 激勵線圈的設計 為了獲得足夠大的均勻交變電場，采用大的激勵線圈或多個線圈并排的形式，加強激勵電場，合理選用磁芯。磁芯的損耗與工作頻率 f 和工作磁通密度Bm 相關。 f 升高或者 Bm 增大，損耗都會大幅度增加，至使磁芯發(fā)熱嚴重，這就要求磁芯電導率 p 大，以有效地抑制渦流損耗。為 了提高工作磁密 Bm，要求材料的飽和磁密 Bs 高，為了使磁芯能夠在比較寬的溫度范圍內具有良好的工作特性，磁芯材料的居里溫度 Tc 要求比較高。硅鋼片的加工工藝復雜，成本高，且受到材料性能的限制。高頻下常用的磁性材料有鐵氧體、坡莫合金、非晶與超微晶合金軟磁材料。 錳鋅（ MnZn）和鎳鋅（ NiZn）鐵氧體是兩類可有效地把磁芯損耗減小到最低程度的磁芯材料， NiZn 特別適合在頻率高于 1MHz 工作，因為它具有較高的體積電阻率，對于渦流損耗不太敏感。這些損耗與電源工作頻率的平方成比例增大。在頻率低于 1MHz時， MnZn材料的性 能明顯好一些。 MnZn的初始導磁率高于 NiZn，因而在達到磁飽和前將支持較高的磁通密度。其次， MnZn 工作溫度范圍寬。 選用矩形載流線圈和錳鋅鐵氧體磁芯組成 U型 ACFM 激勵探頭，能夠有效地減少磁通損失，將感應電磁場完全導入工件表面，在工件表面激勵出均勻感應電流，滿足 ACFM 檢測要求。 南昌航空大學 2021 屆學 士學位論文 9 AFBDECA 圖 為了本課題實際需要，采用 U形 MnZn 鐵氧體磁芯磁軛如圖 ，其中，A=30mm， B=25mm， C=5mm， D=20mm,E=5mm,F=20mm。激勵線圈采用直徑為 的漆包線，纏繞匝數為 150 匝。 檢測線圈的設計與制作 探測磁場的線圈是在一定形狀的骨架繞以特定匝數的漆包線而成，其形狀和尺寸應根據被測磁場分布和形態(tài)來選擇。工程上使用的最小探測線圈直徑為，大型線圈直徑可達 60mm。探測線圈形狀主要有圓柱形、環(huán)形、盤形三種。柱形線圈用于測量空間“點”磁場；環(huán)形線圈用于測量永磁樣品的磁通；盤形線圈用于測量狹縫磁場和電器元件空間漏磁通。根據需要， ACFM 要求能夠測量空間一點的磁場，球形探測線圈是一種最好的線圈，但是繞制線圈相當 困難，一般不采用。本課題采用的是一定體積的簡單的札形線圈。 探測線圈有一定的體積，它測量的是線圈內磁感應的平均值。磁場不可能達到絕對的均勻，因此，測量時會不可避免的引起誤差，所以設計盡可能小體積的檢測線圈來減小誤差。但是不足的是，會降低檢測靈敏度。所以因精心設計檢測線圈達到實驗要求。 文獻 [22]給出了如圖 圓柱形點線圈應滿足的幾何尺寸關系： 2DL = 2032t321521DD1DD1????????????）（）（=2t321521DD1DD1????????????）（）（ （ 31） 式中， D1為線圈內徑， D2為線圈外徑， L 為線圈長度。 南昌航空大學 2021 屆學士學位 論文 10 D 1D 2L 圖 “點”線圈 如果線圈的內徑非常小，由式（ 31）可得： 2DL = 203 = （ 32） 如果是比較薄的線圈，即 D1? D2? D0時，式（ 31）可寫成： 0DL = 23 = （ 33） 式中， D0線圈骨架的直徑。 在設計探測 Bz 方向的信號線圈時，本課題采用了截面形狀為正方形的線圈代替圓形線圈，對結果影響不大。線圈截面邊長 a1=2mm，長 L1=，以截面對角線長度近似替代式（ 33）中的 D0，01DL = =， 能滿足要求 。 在設計探測 Bx 方向信號的線圈時，考慮到圖 中矩形線圈由提離產生的感應電動勢變化量小于圖 中正方形線圈引起的。因此，在檢測 Bx 磁場強度時，提離干擾對矩形截面線圈影響小于對正方形截面線圈的影響 [23]。 CBAabdc adbCAc 圖 矩形線圈的提離 圖 正方形線圈的提離 減小提離的影響對 ACFM 是非常重要的，綜合考慮空間點磁場的測量要求和減少提離干擾的要求，探測線圈做成了截面形狀為矩形的線圈，截面邊長a=， b=，線圈長度 L=，以截面對角線長度近似替代式（ 33）南昌航空大學 2021 屆學 士學位論文 11 中的 D0，則0DL =22 ? =，滿足要求。 實際制作中，為了能同時在一個地方測到 Bz 方向和 Bx 方向的信號，將線圈設計成正交性。單獨由線圈所測得感應電動勢 非常微弱，為了加強感應電勢，加入 MnZn 鐵氧體磁芯，截面形狀為正方形，用 的漆包線在其上緊密均勻纏繞，作為探測 Bz 的線圈。外層用 纏繞，作為探測 Bx的線圈。探測線圈結構示意圖如圖 . 整個探頭模型如圖 所示。 磁軛檢測線圈線圈（b）探頭 圖 探測線圈結構示意圖 圖 U 型磁軛磁感應探頭 而制作探頭需要根據實際需要，還要考慮周圍的條件。在制作探頭是把輸出線焊好，因為銅線表面有保護膜，所以在焊接時 接頭時必須把保護膜除去，然后用萬用表測量兩接頭是否導通 。 本次交流電磁探頭性能測試主要研究激勵頻率，電流和線圈匝數對檢測結果的影響。由于檢測頻率高，電流大時，產生的磁場強度大，在金屬表面產生的感應電流密度大。隨著激勵頻率的降低，金屬表面感應電流滲透深度增加但是表面感應電流密度下降 [24～ 25]。因為探傷深度與表面檢測靈敏度相互矛盾，所以對材料探傷時，要選擇有較高靈敏度的頻率，合適的激勵電流。線圈匝數越多，在金屬表面產生的感應電流密度越大，從而可以使缺陷顯示的電壓變化值變大，感應電流信 號明顯，這樣可以更好的檢測應力集中。依據選定參數制作了幾個交流電磁探頭進行性能對比，找出最佳參數。制作的交流電磁探頭實物如下圖所示。在實驗中，主要是利用如下試塊對交流電磁探頭性能進行研究，實驗結果具體如下： 南昌航空大學 2021 屆學士學位 論文 12 圖 圖 圖 圖 交流電磁探頭在鋁 進行性能測試 人工 裂紋上掃查 圖 Bz方向電壓輸出（ 2mm深） 圖 Bx方向電壓輸出（ 2mm深） 圖 Bz方向電壓輸出（ ） 圖 Bx方向電壓輸出（ ） 通過過對交流電磁探頭性能測試，由圖分析得出結論： 在一定的激勵電流下，隨著激勵頻率的增加， Bx方向和 Bz方向的輸出電壓都在增加，說明隨著激勵頻率的增加，金屬板產生的感應電流場的密度也變大 ,有利于提高檢測靈敏度。為了得到較高的靈敏度，本課題采用了放置式 U型磁軛南昌航空大學 2021 屆學 士學位論文 13 交流電磁探頭，激勵線圈匝數為 150匝，線圈直徑為 ，檢測線圈匝數為 100匝，線圈直徑 。激勵頻率范圍 1KHz～ 3KHz，激勵電流范圍 1A～ 2A。 本次實驗所需的高靈敏度交流電磁探頭性能測試由于器材等各方面限制，檢測效果難于達到理論值，由上圖可看出，得到的輸出信號比較好，最終確定它能達到本論題中實驗所需的交流電磁探頭的高靈敏度。 南昌航空大學 2021 屆學士學位 論文 14 4 基于 ACFM 法的鋼板應力集中評價 基于 ACFM 法的鋼板應力集中 實驗，關鍵在于設計出較高靈敏度的交流電磁探頭，在拉伸試驗和彎曲試驗過程中，進行交流電磁檢測，實驗流程如下圖 ： 圖 實驗流程 實驗具體過程 試樣選材及加工：選擇拉伸性能好、易購買、實惠的 Q235 中低碳鋼作為鋼板材質，將其加工成無任何加工缺陷試樣，尺寸規(guī)格為長度 200mm、寬度 35mm、深度 2mm,如圖 。 1002003535 圖 設計和搭接一個 X 方向和 Z 方向的檢波電路，利用示波器反復調試，盡可能達到最佳檢波效果。 探頭設計：為了檢測鋼板表面，選擇 U 型磁軛放置式檢測線圈，正確設計滿足實驗的的激勵線圈，優(yōu)化設計能檢測 Bx方向和 Bz方向的信號的檢測線圈，制作線圈匝數不等，絲徑 的交流電磁探頭，用加工了人工裂紋的鋁試塊進行性能測試。 試樣型號 試樣尺寸 探頭制作 性能測試 試樣選材 探頭設計 拉伸實驗以及彎曲試驗 交流電磁檢測測 信號、數據分析 圖形、曲線處理 實驗結果研究 探尋研究結果 南昌航空大學 2021 屆學 士學位論文 15 拉伸試驗：將加工好的鋼板試樣 Q235 安裝到拉伸機上進行應力加載，同時，將交流電磁檢測探頭貼在加載鋼板試樣的一面，研究加載試樣應力集中分布情況，加載直到式樣拉斷為止，激勵頻率 f為 1KHz， 2KHz， 3KHz，激 勵電流 I為 1A,2A，分別觀察和記錄 f與 I組合下的 Bx 方向和 Bz方向輸出結果 。 彎曲試驗：將加工好的鋼板試樣 Q235 安裝在彎曲試驗機上進行應力加載，同時，將交流電磁檢測探頭貼在加載鋼板試樣的一面中心部位，研究加載試樣應力集中分布情況與交流電磁場的關系，激勵頻率 f 為 1KHz， ， 2KHz，激勵電流 I 為 1A,2A，分別觀察和記錄 f與 I 組合下的 Bx 方向和 Bz 方向輸出結果，同時，觀察及記錄卸載的輸出結果 。 應力集中評價：對記錄的數據以及試驗中得到的實驗圖，進行數據處理以及圖像分析，找出加載應力與交 流電磁場之間的關系，做出材料的可靠性評價。 本次開展 ACFM 法檢測應力集中實驗中，需要 進行拉伸實驗，彎曲實驗和交流電磁檢測，因而就需要一定的實驗設備： 高速雙極性電源 BP4610， 具體有WDWE100D 微機控制電子式萬能試驗機和三點彎曲試驗平臺， YJZ— 8/16 型智能數字應變儀數字示波器，數字萬用表，下面將分別介紹儀器的使用。 （ 1）本課題 選用高速雙極性電源 BP4610，它可以實現高電壓、大電流、恒定電流，可以滿足各種要求的技術規(guī)格。最大輸出電壓可以達到 60V，最大電流為 10A,電壓電 流四象限輸出?？蛇x擇恒定電壓 (CV)和恒定電流 (CC)運行，具有響應校正功能和電壓、電流限幅器、測量顯示功能。在試驗過程中，雙極性電源BP4610 可產生頻率和幅值均可調節(jié)的交流信號。 儀器如圖 所示。 圖 BP4610 外形 （ 2） WDW 系列 微機控制電子式萬能試驗機 主要用于金屬材料的拉伸、壓縮試驗，是科研單位、大專院校的必備設備。 最大加載力為 100 噸，可以滿足本次南昌航空大學 2021 屆學士學位 論文 16 實驗要求， 它的外形圖 如下： 圖 WDWE100D萬能試驗機 （ 3） YJZ8/16 型智能數字應變儀，是采用目前最 先進的微處理器芯片和Flash 存貯器的技術先進、方便實用的智能數字應變儀。主要特點是： A、簡明快捷的人機對話窗口，利用主機或 PC 雙向設置控制； B、先進的電子開關技術徹底解決了機械觸點諸多弊?。?C、靈活多樣的設置控制使得每個通道的三種橋型和五種量綱（應變、應力、重力、位移、溫度）變換變得任意自由； D、具有自動、手動兩種采集和平衡方式； E、 1 秒 12 小時采集控制時間間隔； F、理想實用的 PC 處理軟件 多點曲線實時顯示同時生成數據文件， σ — ε 曲線自動生成； 外形圖 如下： 圖 YJZ8/16外形