裂纹检测中的电流微扰信号特征解析

在对导电材料进行无损检测时，理解探测信号与缺陷之间的物理关联是实现精准表征的基石。当采用基于电流微扰原理的检测技术时，探测器沿不同路径扫查裂纹会产生截然不同的信号响应。这里，我们以一个理想化的模型为基础——假设裂纹沿 y 轴方向延伸，而未受扰的激励电流沿 ε 方向垂直于裂纹平面——来深入剖析两种典型扫查模式下的信号特征。

1. 垂直于裂纹的 ε 方向扫查

第一种扫查方式是让探测器沿着平行于电流（ε 方向）、同时垂直于裂纹走向的轨迹移动。这种路径旨在捕捉电流绕过裂纹障碍时产生的扰动场。

如图1(a)所示，当探测器从裂纹中心的一侧向另一侧移动时，典型的信号曲线呈现出一种“一主两副”的形态：一个显著的中央主峰，以及对称分布在两侧、符号相反的两个次级小峰。这个信号形态的物理意义在于，当探测器远离裂纹中心时，它感应到的是电流绕行的前奏和余波；而当它接近并越过裂纹中心时，电流扰动达到最剧烈的区域。

有趣的是，主峰的极性（正或负）取决于扫查路径位于裂纹中心的哪一侧。这种对称反转的特性为定位裂纹中心线提供了依据。一个特殊的临界情况是：如果裂纹是严格垂直于构件表面的，并且扫查路径恰好通过裂纹中心，那么在任何 ε 位置上理论上都只会得到一个零信号。这为判断裂纹的垂直度提供了间接线索。

图1 计算所得的电流微扰信号。(a) ε方向扫查；(b) y方向扫查。数据源自一个长0.4 mm、深0.10 mm的垂直表面切槽。

2. 平行于裂纹的 y 方向扫查

第二种扫查方式，也是在工程实践中更为常用的一种，是让探测器沿着平行于裂纹长度（y 方向）的路径移动。这种扫查直接“描绘”了裂纹本身。

如图1(b)所示，y 方向扫查的信号特征极为鲜明：一个符号相反的双峰信号。当探测器恰好位于裂纹中心（y = 0）时，信号读数为零。随着探测器沿 y 轴移向裂纹两端，信号幅度先是达到一个峰值，穿过零点后，在另一端达到一个极性相反的峰值。其信号幅度在探头直接处于裂纹正上方时（即 z = 0）达到最大。

这种独特的双峰形态使得 y 扫查成为裂纹定量表征的有力工具。大量的经验数据与理论模型验证了以下两个关键的线性关系（如图2所示）：

• 峰-峰距离与裂纹长度：信号曲线上两个峰值点之间的水平距离，与裂纹的实际长度存在近似的线性关系。这为精确测量裂纹长度提供了直接依据。
• 信号幅度与裂纹面积：信号峰值的相对幅度，则与裂纹的开裂面积（长度与深度的乘积）近似成正比。这使得评估裂纹的严重程度成为可能。

要精准地捕捉这些信号特征，并将其转化为可靠的裂纹尺寸数据，对扫查设备、参数设置及数据解读能力均提出了极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在，它确保了从微弱信号中提取出最大化的有效信息。

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图2 y方向扫查中，信号特征与裂纹参数的关联

信号的本质与应用拓展

需要明确的是，这些信号特征是由电流在导电界面（即裂纹面）上被迫改变路径而引起的，因此它反映的是裂纹所造成的几何不连续性，而与裂纹是否闭合或内部填充状态（如氧化物）的关联度较低。

上述分析为理解更复杂的检测场景奠定了基础。例如，在航空、航天领域常见的双层构件紧固件孔检测中，需要探测的是底层结构中可能萌生的微小裂纹（如图3所示）。此时，检测信号会受到层间界面、紧固件电导率差异以及复杂几何边界的多重影响。然而，其底层的分析逻辑依然离不开对 ε 向和 y 向信号分量的正确辨识与剥离。只有深刻理解了这些基础信号形态，才能在复杂的信号环境中准确地进行失效分析与质量控制。

图3 双层构件紧固件孔的底层裂纹探测示意图