Page 44 - 无损检测2024年第八期

余志武，等：

金属表面裂纹的氮 - 空位色心漏磁检测

图 5 NV 色心量子磁传感器漏磁检测探头实物
微波天线，光纤跳线以及含 NV 色心的金刚石组 金刚石NV色心磁传感器的灵敏度主要受限于
成。其中螺旋微波天线的作用是将微波板卡发射 噪声，因此使用噪声谱密度曲线表征其灵敏度大
的微波信号辐射到 NV 色心上，完成对 NV 色心的 小。 在 400 kHz 的采样率下，采集 10 s 的金刚石
量子操控，光纤跳线的作用主要是辐射和收集光。 NV色心磁传感器的测量数据，计算并得到噪声谱
光纤跳线的中间固定的是一颗尺寸为 200 μm× 密度曲线，其结果如图7所示，可以看出该磁传感
200 μm×70 μm（长 × 宽 × 高）的金刚石，其中的 器的灵敏度为6 nT · Hz -1 。
NV 色心浓度为 1~2 ppm（百万分之一）。

3 检测试验

3.1 灵敏度测试
在进行金属裂纹检测之前，先对金刚石NV色
心量子传感器的灵敏度进行表征。在实验室地磁场
的环境下搭建试验平台（见图6），开始测试灵敏度。

图 7 金刚石 NV 色心磁传感器噪声谱密度曲线
3.2 裂纹深度检测试验
裂纹深度检测试验中，保持裂纹的轴向位置、
宽度和长度不变，加工的缺陷深度分别为0. 1，0. 2，
0. 5，1 mm，加工的金属板材料为灰铸铁（HT150，
磁导率为100~400），在无附着物时，探头距被测钢
图 6 氮-空位色心漏磁检测试验平台构成 板5 mm，各裂纹的具体尺寸如表1所示。
表1 各裂纹的具体尺寸 mm
序号
项目
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
长度 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
宽度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
深度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.1 0.2 0.5 1.0

不同深度裂纹的漏磁检测结果如图8所示。在 为-20， -40， -60， -190 mV。分析以上结果可知，
没有裂纹时，输出电压在 0 mV左右；1~4 号裂纹 随着裂纹的深度增加，输出的电压幅值也在增加。
深度为 0. 2 mm，裂纹间距为 10 mm，对应输出电 其主要原因是深度是决定漏磁场大小的主要因素，
压约为-50 mV；5~7号裂纹深度为0. 5 mm，裂纹 深度增加时，对应的漏磁场强度增加，表现形式为输
间距为20 mm，输出电压超过-50 mV；8~10号裂 出的电压幅值也相应增加。1~15号裂纹的半宽高
纹对应深度为0. 5 mm，裂纹间距为30 mm，输出电 也大致一样，表明裂纹的宽度是一致的，与实际情况
压接近-100 mV；11~14 号裂纹深度分别为 0. 1， 相符。12号裂纹与1~4号裂纹物理尺寸是一样的，
0. 2，0. 5，1 mm，裂纹间距为40 mm，输出电压分别 其输出电压相对较小，原因是系统的灵敏度较高，对

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2024 年 第 46 卷 第 8 期
无损检测