基于微磁理论的镀层工件裂纹检测仪

镀层工件是指在钢材料表面镀有如铬、镍、锌等金属的工件，镀层厚度约为20～80μm。这些金属的磁导率近于1，不适于采用磁粉探伤；其镀层覆盖在铁磁工件表面，也不适于电涡流探伤和超声探伤方法。笔者在国家自然科学基金资助项目研究中，运用微磁检测技术对这种工件裂纹进行了检测，取得了满意的效果。

1 裂纹微磁检测原理

由材料的微观磁特性可知：(1)当外加机械应力时，会使材料中的晶格组织发生变化。在损伤区边缘出现附加磁极，产生磁荷聚集，形成磁场，材料对外显示磁性。缺陷不再扩展，其缺陷磁场强度保持不变。(2)当材料内部存在裂纹、夹杂等缺陷时，也会破坏原来的晶格，形成累计磁场，对外显磁性。

因此在内应力集中或缺陷集中的地方，金属导磁率下降，形成一内部磁源。这一内部磁源向金属表面传递，形成泄漏磁场，其切向分量最大，法向分量具有从正过零到负的变化过程。

金属构件缺陷的存在，就一定产生磁畴固定结点，形成内部磁场。这种磁场十分微弱，按微磁学原理称为微磁点，其检测过程称为微磁检测。

2 裂纹磁畴结点磁荷变异

裂纹磁畴结点磁场按静态磁场的特点向材料表面传递。设裂纹呈V形，宽度为2b，深度为d，长度为L，铁磁材料相对磁导率为μr(如图1所示)。当磁场通过两种介质分界面时，磁感应强度的法向分量是连续的。因此磁场由铁磁区(区域1)进入空气(由于铬与空气的导磁率都近似为1，可认为是一个区域，记为区域2)有：

式中n为法线方向，M1、M2为磁化强度，M2=0，δs为磁荷面密度，它是由μ0M1法线分量在两种不同介质分界面上的不连续形成的，表明磁荷分布在边界处会发生变异，即出现正负峰，检测这一变异就可以发现裂纹。而变异的峰值、位置等特性就反应了裂纹的形状和尺寸。因此磁荷变异理论就形成了裂纹检测的基础。

由文献［5］，对如图2所示V形裂纹，磁偶极子在测试点P处产生的磁场其垂直分量为：

3 裂纹特征提取

由式(2)作出的模拟裂纹微磁水平、垂直分量的波形如图3所示。

由图可见：

(1)裂纹磁场垂直分量Hy具有正峰和负峰值，峰—峰值随裂纹的深度增加而增大（峰—峰间的变化梯度增大）。当梯度大于某一阈值时，存在裂纹。

(2)裂纹水平分量具有单峰，峰值随裂纹深度增加而增大。磁场的二次梯度反映了磁场变化的程度。只有在磁场变化非常剧烈的地方，二次梯度的峰值才会很突出。当二次梯度大于某一阈值时，裂纹存在，且随着裂纹深度增加，二次梯度增大。

根据上述特点可提取裂纹特征（图4）。图4(a)为实际检测的信号，(b)为二次梯度信号。由图可见，二次梯度大的信号可判断为裂纹信号。

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4 裂纹检测系统组成

仪器系统由传感装置、自适应扫描装置、采样控制器、信号预处理器、计算机、驱动装置等组成，如图5所示。

磁传感装置由磁阻传感器等组成。磁阻传感器利用半导体磁阻效应制作，其灵敏度较高，可检测小于10-7T的微弱磁场，因而可直接检测缺陷泄漏的微磁信号，并将磁信号转换为电信号。采样控制器由圆光栅、A/D转换器等组成，实现空域等距采样；自适应扫描装置由触觉传感器、调节机构、自适应控制器等组成，自动调节控制磁传感器与工件表面的贴合度。计算机为586SX级别的PC/104，板上包含了DMA控制器、中断控制器、定时器；外部接口包括一个双向并行口、两个RS232串行口等。存储器为电子盘DOC(32MB)。显示器为320×240场致发光显示屏，在强光下可正常显示。

磁传感装置在驱动装置带动下，沿工件表面运动，测取缺陷磁信号，并转化为电信号输出到信号预处理器；信号预处理器对信号进行放大、滤波，再经采样控制器变成数字信号，送计算机；计算机对上述各部分实施控制，同时对接收的信号进行数字滤波、信号分析、裂纹特征提取、定量计算、显示记录，实现裂纹微磁定量检测。驱动装置受控于计算机，它的两个输出驱动轴分别接采样控制器和磁传感装置，使之联动。在强变化环境磁场干扰时，计算机控制复位电路消除强变化环境磁场干扰。

5 软件设计

主程序流程如图6所示，采用智能化设计。检测开始，启动探测头扫描，检测信号经放大、滤波预处理后，进入信号采集，将信号转换为数字信号，送计算机进行平滑滤波，然后转换为信号变化二次梯度数据；随后根据裂纹信号特征，首先寻找二次梯度变化峰值点，然后判断各个峰值是否≥阀值，凡二次梯度峰值≥阀值的信号，均可判断为裂纹；对判断为裂纹的信号数据进行记录、显示。

6 结论

根据上述原理研制的智能微磁裂纹检测仪，可检出微米级裂纹，实现了裂纹定量检测，检测工艺简便，工效高。

参考文献
［1］中华人民共和国国家军用标准GJB2028-94磁粉检验(5.1)［S］.国防科学技术工业委员会，1995.
［2］李国栋.当代磁学［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，1999.
［3］姜寿，亭李卫.凝聚态磁性物理［M］.北京：科学出版社，2003.
［4］徐章遂，等.铁磁材料组合型裂纹缺陷漏磁数学模型［J］.兵器材料工程与科学，2001，(3)：3-6.
［5］徐章遂，马爱文.基于模糊模式识别的裂纹漏磁信号定量分析［J］.中国机械工程，1998，(6)：41-43.(end)