基于交错阵列和双向激励的裂纹角度定量弱磁检测

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Quantitative weak magnetic detection of crack angle based on staggered Array and bidirectional excitation

　　

摘要

铁磁部件中裂纹的方向是分析裂纹产生、评估裂纹扩展速率和预测剩余使用寿命的关键参数。本文提出了一种基于双向激励和错位传感器阵列的弱磁检测方法，用于定量识别裂纹角度。仿真结果表明，所提出的探针在传感器阵列区域产生了超过1700 A·m^?1的均匀激励磁场，为裂纹检测提供了有效的场条件。随着裂纹角度的变化，x方向和y方向信号的三轴磁畸变量和峰值位置表现出单调或对称的模式，与裂纹角度有清晰的对应关系。利用这些特性，开发了一种裂纹角度确定方法，该方法结合了角度范围分类、特殊角度识别和分区计算。通过仿真和实验验证，该方法在0–90°范围内的识别误差在7.6°以内，显示出良好的可行性和准确性。本研究为基于弱磁激励的裂纹角度识别提供了新的见解和理论基础。

引言

由于铁磁材料具有优异的机械性能和塑性，它们被广泛应用于关键工程领域，包括石油和天然气管道、铁路轨道以及桥梁结构。在长期使用过程中，这些部件会受到腐蚀介质、交变载荷和环境因素的共同影响，容易产生裂纹和腐蚀[1][2]。特别是，裂纹的起始和扩展会显著削弱结构的完整性，加速故障过程，甚至导致灾难性事故[3][4]。因此，有效检测和定量评估铁磁部件中的裂纹对于确保结构安全和防止事故具有重要意义。

目前，常用的无损检测技术包括微波检测[5]、直流电位降（DCPD）[6]、飞行时间衍射（TOFD）[7]和电磁检测方法[8][9]。每种方法都有其优缺点。其中，电磁检测因其高灵敏度、易于操作和强大的适用性而成为最重要的裂纹检测工具之一。在电磁检测领域，确定裂纹方向不仅是断裂行为分析的核心，也是追踪裂纹起源、评估扩展速率和预测部件剩余使用寿命的关键。因此，研究人员不断探索基于电磁原理的裂纹方向定量识别方法。Zhou等人[10]使用线性传感器阵列来捕获磁记忆测试中的磁通量泄漏场分布，以识别裂纹方向；Gong等人[11]设计了圆形单轴传感器阵列，并根据信号时序关系实现了角度量化；Wu等人[12]使用矩形传感器阵列分析了脉冲磁通量泄漏信号与裂纹角度之间的相关性。此外，为了克服单方向磁化可能导致的漏检问题，一些研究集中在改进激励方法上。Qiu等人[13]比较了涡流检测中不同方向裂纹的正交磁化和切向磁化的检测性能；Yan等人[14]开发了一种旋转交流电磁场检测方法，根据磁场分量的特性实现了角度量化；Xiao等人[15]提出了一种使用多频平衡电磁技术的裂纹分割识别策略，结合了磁通量泄漏和涡流场的扰动特性。尽管这些进展显著提高了裂纹方向的识别能力，但仍需要开发更高效且可在现场应用的检测解决方案，以满足实际工程需求。

弱磁激励检测是一种新型的无损检测方法，它通过施加低强度磁场来实现铁磁部件的局部磁化。这种技术增强了缺陷位置的磁信号，提高了检测的信噪比[16]。Yang等人[17]通过仿真和实验证明，弱磁激励可以显著增强磁记忆信号并提高系统的检测灵敏度；He等人[18]进一步建立了缺陷磁信号特性与其尺寸之间的定量关系。Zhang等人[19][20][21]将这种方法应用于钢丝绳损伤检测，并证明了磁信号与复杂损伤状态之间的强相关性。上述研究主要集中在腐蚀等体积缺陷上。关于裂纹检测，He等人[22]发现弱磁激励可以增强应力诱导的磁信号，表明其对于检测类似裂纹的缺陷具有潜力；Qiu等人[23]在弱磁激励下实现了螺栓孔裂纹的动态监测，并有效预测了裂纹起始位置。这些研究表明了弱磁激励出色的裂纹检测能力；然而，系统地研究该方法在裂纹方向确定方面的应用仍存在不足。

本文提出了一种基于双向激励和错位传感器阵列的裂纹方向定量识别方法。建立了仿真模型，系统分析了不同方向裂纹的磁场分布和信号特性。提取与裂纹角度相关的参数后，开发了实验系统来验证该方法的可行性和准确性。这项工作为将弱磁激励应用于裂纹方向识别提供了新的视角。

章节片段

双向弱磁激励检测的理论分析

双向弱磁激励检测的原理如图1所示。检测探针由十字形磁轭、激励线圈和传感器阵列组成。通过向线圈通电来施加激励磁场，十字形磁轭的磁通集中效应用于实现样品的增强局部磁化。通过错位的单轴传感器阵列捕获裂纹处的空间磁场信息

模型和参数设置

在有限元软件COMSOL中建立了双向弱磁激励检测的仿真模型，如图4所示。该模型包括十字形磁轭、激励线圈、测试样品、空气域和无限元素域。测试样品由20#钢制成，磁轭由硅钢制成；相关材料属性列于表1中。激励线圈共有1092匝，线径为0.41毫米。

实验

实验检测系统如图14所示，主要包括激励探针、直流电源、信号处理模块和计算机。使用TMR传感器获取磁信号，其他所有参数与仿真模型保持一致。

图15显示了30°裂纹的三轴磁场信号的基线归一化分布。同方向传感器（1×和3×，2Y和4Y）的磁场曲线表现出

结论

为了解决铁磁部件中裂纹方向定量识别的需求，本文提出了一种基于双向激励和错位传感器阵列的弱磁检测方法。通过全面的仿真和实验研究，得出了以下结论：

(1)

所设计的双向激励探针可以在传感器阵列中产生强度超过1700 A·m^?1的均匀弱磁激励场

CRediT作者贡献声明

杨晓辉：验证、方法论、研究、概念化。陈一鹏：写作——原始草稿、软件、方法论、研究、概念化。蒋家龙：可视化、方法论、研究、概念化。朱思航：可视化、方法论、研究。李帅：软件、研究。唐丽萍：软件、概念化。葛亮：资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了自然科学基金（编号51974273）和四川省自然科学基金（编号2022NSFSC1116）的支持。

杨晓辉|陈一鹏|蒋家龙|朱思航|李帅|唐丽萍|葛亮中国成都市新都大道8号，西南石油大学机械与电气工程学院，610500