摘要：现代制造业快速发展，工业零部件缺陷检测作为确保产品质量的关键环节，其重要性不言而喻[1]。无损检测技术能够在不破坏被检测对象的前提下，实现对材料内部及表面缺陷的精确检测[2]。目前，无损检测常规方法包括超声检测、射线检测、磁粉检测、涡流检测等。其中，涡流检测以

现代制造业快速发展，工业零部件缺陷检测作为确保产品质量的关键环节，其重要性不言而喻[1]。无损检测技术能够在不破坏被检测对象的前提下，实现对材料内部及表面缺陷的精确检测[2]。目前，无损检测常规方法包括超声检测、射线检测、磁粉检测、涡流检测等。其中，涡流检测以检测速度快、灵敏度高、非接触式检测等特点，在金属材料的缺陷检测中展现出广阔的应用前景[3-4]。尽管涡流检测技术具有诸多优点，但在实际应用中仍面临诸多挑战与局限性。一方面，涡流检测的结果往往需要复杂的信号分析处理，检测结果直观性不足，难以直接用于缺陷的定性与定量评估；另一方面，针对铁磁性材料，涡流检测需考虑磁化状态的影响，增加了检测的复杂性与成本。此外，涡流检测在缺陷定性与定量方面的精度有限，特别是在处理小型或复杂形状缺陷时，存在局限性。同时，检测线圈的选择与设置对检测结果具有显著影响，需根据具体材料特性进行定制化选择[5]。

文章利用涡流检测技术中涡流磁场的特性，通过仿真分析与试验验证实现了裂纹缺陷的定量检测，可用于检测飞机和航天器的关键部件，以及汽车零部件、机械设备、金属管道等产品，以期为推动涡流检测技术在工业领域的广泛应用提供参考与借鉴。

传统的涡流检测方法将涡流产生的交流磁场再次感应到激励线圈中，从而形成反作用电流，通过测量反作用电流的变化获得涡流的变化情况，进而判断导体中是否存在缺陷[6]。文章在传统涡流检测原理的基础上，通过在被测物体表面施加交变电磁场，测量其产生的交变磁场来分析和诊断材料内部的缺陷情况。

根据电磁感应原理，当通有交变电流的线圈靠近被测金属时，交变电场产生的交变磁场会在金属表面感应出电流，当被测金属表面没有缺陷时，会产生均匀的磁场和电流分布；当被测金属表面有缺陷时，电阻率的变化会对电流分布产生影响，从而造成电流线在缺陷边缘处发生偏转和汇聚，进而扰乱磁场分布。感应涡流磁场检测原理示意如图1所示，缺陷造成了电流偏转，在电流最密集处z方向的磁感应强度分量Bz产生峰值，为缺陷检测提供了依据。通过研究Bz的变化曲线，可以对缺陷的长度、深度和位置等信息进行分析。

图 1 感应涡流磁场检测原理示意

使用COMSOL软件进行仿真建模，得到的结果可以为后续的实物搭建提供参考。假设激励电流在截面上均匀分布，电流密度可视为恒定值。采用U形宽磁芯缠绕多圈漆包线，试件选用铝合金材料，并在其表面开设多条长度、宽度和深度不同的缺陷，仿真模型结构示意如图2所示。线圈与传感器的间距设置为1 mm，在避免与试件摩擦的同时能保证较好的检测效果。

图 2 仿真模型结构示意

文章采用U形宽磁芯进行了线圈电流、磁芯的磁感应强度以及试件表面电流的仿真模拟，无缺陷及含裂纹的仿真结果如图3所示。由图3可知，线圈正下方的试件表面形成了范围较大的均匀平行激励电流，与普通U形磁芯相比，U形宽磁芯具有更广泛的激励范围，效果更好。使用1 kHz频率的正弦激励信号对线圈进行通电，持续移动线圈和探头进行单方向扫描，求解探头位置处的磁感应强度在z方向上的分布。当工件表面存在裂纹缺陷时，电流密度在缺陷处发生偏转，缺陷左右两侧的偏转最为显著，且偏转方向不相同，符合检测技术的原理。因此，可以通过此特性来确定缺陷的位置和尺寸等信息。

图 3 无缺陷及含裂纹的仿真结果

沿缺陷延伸方向由左至右进行扫描，不同裂纹的尺寸示意及扫描结果如图4所示。

图 4 不同试件的裂纹尺寸示意及磁感应强度Bz曲线

由图4可知，试件左右边缘处的Bz呈现出峰值，且左边缘为极大值，右边缘为极小值；缺陷两端位置也对应z方向磁感应强度的峰值，缺陷左端为极小值，缺陷右端为极大值，以上现象完全符合检测的机理。试件2中缺陷深度分别为2，3，4 mm时，相应缺陷两端处的z方向磁感应强度峰值随深度增加而增大。

试验结果表明，缺陷两端位置与z方向磁感应强度信号峰值位置对应，可以定量分析缺陷长度；缺陷深度也会影响磁感应强度的大小，深度越深，磁感应强度越强。

文章设计了一种将线圈缠绕在U形锰锌铁氧体磁芯上的探头。线圈与TMR传感器距工件表面1 mm，漆包线直径为0.15 mm，匝数为300匝。传感器用于检测工件表面法向的磁感应强度大小。探头的内部结构和实物如图5所示，模型各部件尺寸如表1所示。

图 5 探头的内部结构和实物

Table 1. 模型各部件尺寸

试验系统由激励部分、检测部分、运动控制部分和上位机数据处理部分组成，系统结构框图如图6所示。

图 6 试验系统结构框图

在激励部分，信号发生模块采用ICL8038型芯片作为信号源。该芯片具有广泛的频率范围，可以从0.001 Hz到300 kHz自由调节，并且输出的正弦波失真度较低，仅为1%。信号发生模块通过两个运算放大器控制正弦信号的直流偏置和振幅，可以实现频率在100 Hz到30 kHz之间的调节。功率放大模块采用TDA2030型芯片对正弦信号进行放大。TDA2030功放芯片可在±6 V至±22 V的电源电压下工作，输出功率较高。

检测部分采用了TMR2584型线性磁传感器，该传感器采用了推挽式惠斯通全桥结构设计，内含4个非屏蔽高灵敏度的TMR传感器元件，能够感应垂直于芯片表面的磁场。

传感器输出的是微弱差分信号，系统采用AD620型芯片放大信号。然后，通过采样获取电压数据，并产生脉冲信号控制步进电机运动。同时，通过串口将电压数据和相应的坐标数据发送至上位机，以便进行数据处理。探头运动采用 CoreXY结构，通过两个步进电机分别驱动两组滑轮和皮带，共同控制探头在x轴和y轴上的运动，从而实现高效、精确的二维平面定位，该结构使探头能够准确快速地定位至所需位置。试验平台实物如图7所示。

图 7 试验平台实物

为了验证仿真模型的精确性，文章依据所构建的仿真模型，精确加工出了对应的铝合金试件。试件采用CNC数控机床技术制造，试件实物如图8所示。

图 8 被测铝合金试件实物

试验过程中，由于采样频率高、数据量大，数据中不可避免地会出现显著偏离正常范围的误差点。为有效抑制并消除误差点的不良影响，采用高斯滤波对原始数据进行预处理。铝合金试件裂纹尺寸示意及磁感应强度Bz曲线如图9所示。

图 9 铝合金试件同深度裂纹尺寸示意及磁感应强度Bz曲线

对比图9结果与仿真结果，观察到两者结果基本一致，测量结果分别为19.435 1，19.366 4 mm。测量结果满足精度需求，同时验证了检测系统的可行性。

为验证缺陷深度与z方向磁感应强度的相互关系，文章进行了如下试验。鉴于趋肤效应对感应电流分布的显著影响，即电流密度随深度的增加而逐渐衰减，笔者实际设置了深度分别为2，3，4 mm的3种缺陷，同时确保所有缺陷在长度与宽度上保持一致，均为10 mm×2 mm。试验结果如图10所示。

图 10 铝合金试件不同深度裂纹尺寸示意及磁感应强度Bz曲线

可见，图10所示数据与先前的仿真结果呈现出高度的一致性，进一步验证了试验方法的有效性与准确性。通过仪器测量获取的3个缺陷的长度值分别为9.901 5，9.835 4，9.825 5 mm，反映了测量系统的高分辨率与稳定性。由于实际加工过程中的工艺限制，缺陷边缘未能形成理想的直角，而是呈现出圆弧过渡形态。这解释了为何实测的缺陷宽度略小于预设的10 mm，但测量结果满足精度需求。文章试验还实现了对缺陷深度的定量评估，分析图形中所示缺陷特征的极值变化趋势（由缺陷引起的磁感应强度峰值从左到右分别为0.3215 86，0.381 215，0.451 251 T）可知，在相同裂纹长度的情况下，随着裂纹深度的增加，磁感应强度峰值呈现逐渐增大的趋势。

文章探讨了基于感应涡流磁场的裂纹缺陷检测方法，通过理论建模与试验验证，系统地分析了涡流检测在裂纹缺陷检测中的应用与效果。通过仿真揭示裂纹所引发的电磁特性变化规律，实现了对缺陷长度的定量评估。获取的磁感应强度Bz在一定范围内与表面裂纹深度呈正比关系；缺陷深度影响Bz的大小，深度越深，Bz越大。并且，通过试验验证了理论模型的有效性。试验结果表明，涡流检测能够准确识别并量化导体表面的裂纹缺陷，且测量结果精度高。

来源：博儿爱科学