D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.06.022 第25卷第6期 北京科。技大学学报 Vol.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 基于漏磁的表面裂纹识别及评估 刘美全徐章遂 军械工程学院控制工程系无损检测技术研究所，石家庄050003 摘要通过建立工件表面两条相互平行槽形裂纹的磁偶极子模型，研究了裂纹漏磁信号 之间的相互作用关系，根据漏磁信号的峰值特性对裂纹的几何参数进行了定量评估.通过漏 磁信号振幅随两裂纹的深度比和裂纹间距的关系计算了其中较小裂纹的深度.实际检测结 果表明，综合利用两个邻接裂纹的漏磁信号进行评估的矢量轨迹法对相邻裂纹的定量评估 具有较好的可视效果，该方法简单易行，能够快速准确地对裂纹进行估计， 关键词无损检测：漏磁检测；裂纹；邻接槽；矢量轨迹 分类号TP391 漏磁检测的基本原理是利用磁源对被检材 时深讨相邻裂纹深度的评估方法， 料进行局部磁化，材料表面出现裂纹或坑点等缺 陷时，使局部区域磁导率降低，磁阻增加，磁化场 1相邻裂纹的磁偶极子模型 的能量将有一部分从此区域外泄出来，形成可检 假定矩形槽裂纹侧面磁荷密度均匀分布1， 测的漏磁信号，漏磁检测的目的就是根据可检测 磁荷密度不受两平行裂纹的相互作用和裂纹间 的磁场信号确定裂纹、夹杂等缺陷的是否存在以 距离的变化而变化，由此得出下面的两平行矩形 及其位置和大小.对于表面裂纹的识别和定量计 槽缺陷的磁偶极子模型， 算，目前国内在这方面的研究很快并已有实用的 图1是两个平行矩形槽缺陷的磁偶极子模 检测仪器1，但都是在不考虑裂纹相互影响的 型.定义H,H,H,H分别为每个裂纹侧面上磁 情况下对局部单裂纹的评估，因为两条相邻裂纹 荷产生的磁场，则点P(xy)处的总磁场强度H可以 的漏磁场完全不同于单独裂纹的漏磁场，而且实 由下式计算： 际测量中得到的漏磁强度确实是多个裂纹漏磁 H=H+H++H (1) 相互作用的综合磁场强度，因此，研究相邻裂纹 在上述磁偶极子模型中，采用直角坐标系， 的识别和评估对裂纹的精确识别具有非常重要 原点0位于邻近裂纹距离的中心，x轴和y轴方向 的意义，为了便于研究，在材料表面制作两条相 如图1，z轴平行于裂纹长度方向.缺陷漏磁的切 互平行的槽型裂纹来模拟两条相互邻近的表面 线和法线分量分别记为B,B,由下式给出： 裂纹. 史帝文伯格等人用磁传感器对邻近槽型裂 &=是如+8a 纹周围的漏磁场进行测量，并使用变化的测量系 tan 7 d(x+s) d(x-2b2-S) (xis)rd)tan (26,-s)(yrd,) 数对圆柱形活塞表面的邻近裂纹深度进行了估 tan1 d(x-s) 计.然而，并没有对漏磁特别是在考虑裂纹间距 (x-s+0+d) (2) 影响的情况下的基本关系进行明确阐述， Bn红t20-nor*ad (x+2b,+s+y (x+.5+y2 本文研究的目的是阐明漏磁、裂纹间距、裂 纹形状和提离高度之间相互作用的基本关系，同 h气等-h (3) 式中，假设裂纹侧面的单元磁荷量为g,d和d为 收稿日期2002-12-25 刘美全男，33岁，硕士 裂纹深度，2b,和2b,为两个裂纹的宽度，2s为两个 *国家自然基金资助项目(No.50175109)第 5 卷 第 期 2 6 3 年 1 月 200 2 北 京 科 技 大 学 学 报 O J u 扭a l o 珑 f i e 招 v i y t o S f e i e o e e a . ’e d l c o h n IO gy B e i j i n g V b l . 5 o 2 N . 6 ec D 。 2 0 3 0 基 于漏磁 的表面裂纹识别及评估 刘 美 全 徐章遂 军械 工程学 院控 制工 程 系无 损检测 技术 研究所 , 石 家庄 0 5 0 003 摘 要 通 过建 立工 件表面 两条 相 互平行 槽形 裂纹 的磁 偶极 子模 型 , 研 究 了裂纹 漏磁 信 号 之 间的相 互作用 关 系 , 根据 漏磁 信号 的峰值 特性 对 裂纹 的几何 参数 进行 了 定量评 估 . 通 过漏 磁信 号振 幅随 两裂 纹的 深度 比 和裂 纹 间距 的关系 计算 了其 中较 小裂 纹 的深 度 . 实 际检 测结 果表 明 , 综合 利用 两个 邻接裂 纹 的漏磁 信 号进行 评估 的矢 量轨 迹法 对相邻 裂 纹 的定量 评估 具有 较好 的可视 效 果 , 该 方法 简单 易行 , 能够 快速准 确地 对裂 纹进 行估 计 . 关键 词 无损 检测 ; 漏 磁检测 ; 裂 纹 ; 邻接槽 ; 矢量轨 迹 分类 号 T P 3 91 漏 磁 检 测 的基 本 原 理 是利 用 磁 源 对 被 检 材 料进 行局 部磁 化 , 材料 表 面 出现 裂 纹或坑 点 等缺 陷时 , 使 局部 区域 磁 导率 降低 , 磁 阻增加 , 磁 化场 的 能量将 有一 部分 从此 区域 外 泄 出来 , 形成 可检 测 的漏 磁 信号 . 漏 磁检 测 的 目的就 是根据 可 检测 的磁场 信 号确 定裂 纹 、 夹杂 等缺 陷的是否 存 在 以 及其位 置 和大 小 . 对 于表 面裂 纹 的识别和 定 量计 算 , 目前 国内在这 方 面 的研 究 很快 并 己 有实 用 的 检测 仪 器 〔’川 , 但都 是在 不 考 虑裂 纹相 互 影 响 的 情况 下对 局部 单裂 纹 的评估 . 因 为两 条相 邻 裂纹 的漏 磁场 完全 不 同于单 独裂 纹 的漏磁 场 , 而 且实 际测 量 中得 到 的漏 磁 强 度 确 实是 多 个裂 纹漏 磁 相 互作 用 的综 合磁 场 强度 , 因 此 , 研 究相 邻 裂纹 的识 别和 评 估 对 裂纹 的精 确 识别 具 有 非 常 重要 的意义 , 为 了便 于研 究 , 在 材 料表 面制 作 两 条相 互 平行 的槽 型 裂纹 来 模 拟 两 条相 互 邻 近 的表 面 裂 纹 . 史 帝 文伯 格 等 人 用 磁 传 感 器 对 邻 近 槽 型 裂 纹 周 围的漏 磁场进 行 测量 , 并 使用 变化 的测 量 系 数 对 圆 柱形 活 塞 表 面 的邻 近 裂 纹深 度 进 行 了估 计周 . 然 而 , 并 没有 对漏 磁特 别是 在考 虑裂 纹 间距 影 响 的情 况 下 的基 本关 系进 行 明确 阐述 . 本 文研 究 的 目的是 阐 明漏 磁 、 裂 纹 间距 、 裂 纹形状 和提 离 高度 之 间相互 作用 的基 本关 系 , 同 时探 讨相 邻裂 纹 深 度 的评估 方 法 . 1 相 邻 裂 纹 的磁 偶 极子 模 型 假 定矩 形槽 裂 纹侧 面磁 荷 密度 均 匀分 布`6一 81 , 磁 荷 密 度 不 受两 平 行 裂 纹 的相 互 作 用 和 裂纹 间 距 离的变化 而变 化 , 由此得 出下 面 的两平 行 矩形 槽 缺 陷 的磁偶 极 子 模 型 . 图 l 是 两个 平 行矩 形槽 缺 陷 的磁偶 极 子模 型 , 定义私 , 从 , 从 , 从 分别 为 每个 裂 纹侧 面 上磁 荷 产 生的磁 场 , 则 点尸(x 户处 的总磁场 强度 H 可 以 由下 式计 算 : H 二 私+ 从+ 从+ 从 ( l) 在 上述 磁 偶 极子 模 型 中 , 采 用 直 角坐 标 系 , 原 点口 位 于 邻近 裂 纹 距 离 的 中 心 , x 轴和夕轴 方 向 如 图 1 , : 轴 平行 于 裂纹 长 度方 向 . 缺 陷漏 磁 的切 线 和 法 线分 量分 别 记 为及 , 尽 , 由下 式给 出 : ` 一 去〔atn 一 ’ dl (大十Z b l +s ) x( + Z b : +s ) 2 +y 勺汗 d : ) t a l l 一 l t an 一 1 试x( +s ) x( +s ) ,勺妙娜 , ) 一 la n 一 1 厂粤毕)~ ] 林一 占少酬 U片“ 2 少 丑 。 二 李f 研兀 - Z b 、+ s ) 2+ , (x + Z b 、+ 1【1 - 7 一丁百 伏十石 d , ) 2 b : +s ) ,少 成x( 一 2 b 2 一 s ) x( 一 2 b 2 一 s ) 2十洲沙 +姚) 一 I n 斗竿黔 + ( 2 ) 加嘴黯碧 一 , n鱼恶蒜碧 “ ` , , 收稿 日期 2 0 02 一 12 se 2 5 刘美全 男 , 3 岁 , 硕 士 式 中 , 假 设裂 纹侧 面 的单元 磁荷 量 为士q , 试和试为 裂 纹深 度 , Zb , 和 2瓦为两 个裂 纹 的 宽度 , 2s 为两 个 * 国家 自然基 金资助 项 目( N 以 501 75 109 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 06. 022