楊理踐，朱 明，高松巍

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

在漏磁檢測(cè)方法中，鐵磁性材料的內(nèi)外傷檢測(cè)是其難點(diǎn)和重點(diǎn)。在傳統(tǒng)檢測(cè)中，通過(guò)信號(hào)幅值來(lái)判別淺的表面與深的背面缺陷是不準(zhǔn)確的。近年來(lái)國(guó)外率先提出的把脈沖渦流檢測(cè)與漏磁檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)［1］兼具兩種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)。脈沖激勵(lì)信號(hào)中豐富的頻率成分，為區(qū)分鐵磁性材料的表面和背面缺陷提供了檢測(cè)前景［2］。

脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)采用脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)中同時(shí)含有高頻和低頻成分。在檢測(cè)中，高頻成分對(duì)檢測(cè)對(duì)象的表面缺陷敏感，低頻成分對(duì)檢測(cè)對(duì)象的表面下缺陷敏感，易于實(shí)現(xiàn)鐵磁性材料內(nèi)外缺陷的區(qū)分。脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)具有較深的檢測(cè)深度，受提離距離影響小。

筆者采用脈沖漏磁檢測(cè)方法，針對(duì)鐵磁性材料Q235材質(zhì)10mm厚鋼板，利用MOSFET管斬波低壓大電流電源，產(chǎn)生周期性大電流低壓的脈沖激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行勵(lì)磁，通過(guò)霍爾傳感器拾取漏磁信號(hào)，利用Labview軟件程序保存信號(hào)波形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鋼板缺陷的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)表面和背面缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用信號(hào)峰值、信號(hào)峰值時(shí)間和差分信號(hào)過(guò)零時(shí)間區(qū)分缺陷深度，并依據(jù)脈沖信號(hào)勵(lì)磁時(shí)缺陷漏磁場(chǎng)電壓信號(hào)谷值特征，實(shí)現(xiàn)鋼板表面和背面缺陷的區(qū)分。

1 檢測(cè)原理

脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)是漏磁檢測(cè)技術(shù)的一種，其對(duì)鐵磁性材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的過(guò)程為：對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行磁化，使缺陷處產(chǎn)生足夠的漏磁場(chǎng)，利用傳感器拾取漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，把磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行分析，確定缺陷的相關(guān)信息。

脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)采用脈沖信號(hào)進(jìn)行勵(lì)磁，通常采用周期性的電壓方波作為脈沖信號(hào)［3］。脈沖漏磁檢測(cè)使用U型結(jié)構(gòu)的探頭，對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行磁化并拾取缺陷處的漏磁場(chǎng)。探頭由高磁導(dǎo)率的U型磁芯、纏繞在磁芯上的激勵(lì)線圈以及固定在U型骨架中間用于測(cè)量漏磁場(chǎng)的傳感器構(gòu)成，其檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)原理

當(dāng)探頭對(duì)鋼板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，脈沖激勵(lì)信號(hào)通入激勵(lì)線圈內(nèi)，線圈產(chǎn)生的磁化場(chǎng)的磁力線被磁芯導(dǎo)入鋼板中。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象存在缺陷時(shí)，會(huì)在檢測(cè)表面形成一定的漏磁場(chǎng)，對(duì)漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)分析有關(guān)缺陷的信息。

在周期的矩形方波電壓信號(hào)的激勵(lì)下，矩形方波電壓信號(hào)的上升沿和下降沿產(chǎn)生的瞬變電流會(huì)在激勵(lì)線圈中產(chǎn)生瞬變的磁化場(chǎng)。磁場(chǎng)會(huì)在鋼板表面感應(yīng)出瞬變的渦流，產(chǎn)生集膚效應(yīng)［4］。對(duì)于激勵(lì)信號(hào)中最大幅值的基頻信號(hào)，垂直入射時(shí)滲透深度δ如下所示［5］：

式中f為信號(hào)頻率；μ為金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；σ為金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率。在不同磁化強(qiáng)度下，鋼板的磁導(dǎo)率是不同的，由B－H 曲線確定。脈沖漏磁檢測(cè)是局部磁化，對(duì)檢測(cè)鋼板表面局部的磁化強(qiáng)度越大，則磁導(dǎo)率也越大。由式（1）可知，越大的磁導(dǎo)率，由于集膚效應(yīng)，磁場(chǎng)的滲透深度越淺，即渦流場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)表面及近表面缺陷檢測(cè)結(jié)果影響較大。

國(guó)內(nèi)的脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)多采用DDS或者單片機(jī)產(chǎn)生矩形方波電壓信號(hào)［6］，經(jīng)過(guò)功率放大驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈。激勵(lì)電流的大小是影響磁化場(chǎng)的重要因素，由于模擬元件自身性質(zhì)的限制，依靠模擬芯片產(chǎn)生的激勵(lì)電流強(qiáng)度小，對(duì)較厚鋼板的背面缺陷檢測(cè)分辨力不高。采用對(duì)低壓大電流電源進(jìn)行斬波的方法產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，可以提高激勵(lì)電流的強(qiáng)度，使缺陷漏磁信號(hào)的幅值變化明顯，在U型磁芯中間安置高靈敏度的霍爾傳感器，得到與缺陷尺寸相關(guān)的線性感應(yīng)電壓信號(hào)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要由激勵(lì)源、探頭（由磁化器和霍爾傳感器組成）、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和PC機(jī)等組成，如圖2所示。

圖2 脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

為使勵(lì)磁強(qiáng)度達(dá)到檢測(cè)10mm厚鋼板背面20%深度的缺陷，激勵(lì)源產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)是采用信號(hào)發(fā)生器控制大功率 MOSFET管關(guān)斷，斬波（12 V／50A／600W）低壓大電流電源得到的周期性方波大電流低電壓信號(hào)。激勵(lì)線圈一端接在MOSFET管漏極，一端接在電源上。MOSFET管的關(guān)斷，使激勵(lì)線圈上產(chǎn)生周期性方波電壓激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)的頻率為20Hz，占空比為50%，幅值為12V。

探頭是脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)中的核心部分，針對(duì)10mm厚的鋼板試件，通過(guò)試驗(yàn)研究，為檢測(cè)鋼板背面20%深度缺陷，采用的是基頻為20Hz的方波電壓信號(hào)，故選用適于低頻工作的硅鋼片作為磁芯，其尺寸規(guī)格為12.5mm×25mm×30mm。為通過(guò)足夠強(qiáng)度的激勵(lì)電流，選用0.75mm直徑的漆包線，纏繞在硅鋼片上200匝，探頭實(shí)物照片見(jiàn)圖3。

圖3 探頭實(shí)物照片

傳感器選用型號(hào)為SS94A1F的高靈敏度霍爾元件，靈敏度為25±5mV／GS，固定在U型骨架的中間，與檢測(cè)面平行，緊貼在檢測(cè)面，檢測(cè)與鋼板表面垂直，缺陷漏磁場(chǎng)法向磁感應(yīng)強(qiáng)度。

信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器拾獲的信號(hào)進(jìn)行差分放大、濾除高頻噪聲。信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

霍爾傳感器拾取缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度后輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，在10V的供電電壓下，檢測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)，霍爾傳感器輸出恒定的直流5V電壓。為使缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)更明顯，電路中使輸出信號(hào)與直流電壓5V相減，再放大4倍到數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓范圍內(nèi)。放大的信號(hào)經(jīng)過(guò)截止頻率約為20kHz的二階低通濾波器，輸送到數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊采用的是NI公司的16位型號(hào)為PCI－1716數(shù)據(jù)采集卡，其最高采樣頻率為250kHz，檢測(cè)時(shí)選取了100kHz的采樣頻率。

圖5 Labview數(shù)據(jù)采集程序框圖

在PC機(jī)中，基于Labview軟件，依據(jù)PCI－1716數(shù)據(jù)采集卡提供的子VI接口，編寫了上位機(jī)程序，程序主要分為三個(gè)功能：① 缺陷漏磁信號(hào)波形和同步采樣波形的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。②缺陷漏磁信號(hào)電壓峰值和電壓谷值的同步采樣。③超過(guò)缺陷深度閾值的報(bào)警。Labview數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖5所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)時(shí)，程序界面中實(shí)時(shí)地顯示缺陷漏磁信號(hào)電壓波形，同時(shí)保存信號(hào)波形幅值數(shù)據(jù)。在程序中通過(guò)截取固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，選取其中的電壓峰值和谷值，并使每段數(shù)據(jù)的電壓峰值點(diǎn)相連、電壓谷值點(diǎn)相連，構(gòu)成電壓峰值同步采樣曲線和電壓谷值同步采樣曲線。界面窗口中顯示同步采樣的曲線，同時(shí)保存同步采樣數(shù)據(jù)。在程序中對(duì)曲線的閾值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)同步采樣的電壓峰值或電壓谷值超過(guò)閾值時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，警示燈發(fā)光，并停止檢測(cè)。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)刻有不同深度矩形溝槽的Q235材質(zhì)鋼板進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼板尺寸為360mm（長(zhǎng)）×200mm（寬）×10mm（厚），上面刻有寬為2mm，長(zhǎng)為20mm，深度分別為2，4，6mm的矩形溝槽。當(dāng)矩形溝槽開口向上時(shí)，用探頭在有矩形槽的面上檢測(cè)，此時(shí)檢測(cè)的是表面缺陷；翻轉(zhuǎn)鋼板，使矩形溝槽開口向下，在無(wú)缺陷面檢測(cè)時(shí)，稱之為檢測(cè)鋼板背面缺陷。

如前所述，斬波電源電壓得到的脈沖激勵(lì)信號(hào)頻率為20Hz，占空比為50%，幅值為12V，激勵(lì)信號(hào)的波形如圖6所示。

圖6 脈沖激勵(lì)信號(hào)

由于線圈是感性負(fù)載，當(dāng)MOSFET管對(duì)直流電源電壓斬波時(shí)，如圖6所示，在激勵(lì)信號(hào)的下降沿處，產(chǎn)生了變化極快的反向尖峰電壓，幅值達(dá)64V，表明激勵(lì)信號(hào)下降沿處會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的集膚效應(yīng)。

已知鋼板上矩形溝槽位置情況下，使探頭沿著矩形溝槽軸向垂直的方向移動(dòng)，找到漏磁信號(hào)幅值最大處，通過(guò)Labview采集程序存儲(chǔ)此處漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)。根據(jù)存儲(chǔ)的周期漏磁信號(hào)幅值數(shù)據(jù)，提取不同深度矩形溝槽漏磁場(chǎng)一個(gè)周期電壓信號(hào)幅值如圖7所示。

圖7中縱坐標(biāo)為信號(hào)電壓幅值，橫坐標(biāo)為信號(hào)采樣時(shí)間，0，2，4，6mm代表矩形溝槽深度。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 信號(hào)峰值和谷值

由圖7（a）可見(jiàn)，無(wú)缺陷處電壓信號(hào)與表面矩形溝槽處電壓信號(hào)不同，無(wú)缺陷處電壓信號(hào)峰值小于有缺陷處，且谷值深度比有缺陷處小。通過(guò)比較不同深度表面矩形溝槽處電壓信號(hào)可知，隨著表面溝槽深度的增加，其電壓信號(hào)峰值隨之增加，電壓信號(hào)谷值幅度也增大，且表面矩形溝槽處電壓信號(hào)谷值幅度明顯大于無(wú)缺陷處信號(hào)。

由圖7（b）可見(jiàn)，無(wú)缺陷處電壓信號(hào)與背面矩形溝槽處電壓信號(hào)不同，無(wú)缺陷處電壓信號(hào)峰值小于有缺陷處。通過(guò)比較不同深度背面矩形溝槽處電壓信號(hào)可知，隨著背面矩形溝槽深度的增加，其電壓信號(hào)峰值隨之增加。背面矩形溝槽處電壓信號(hào)谷值隨深度不同而不同，但不同深度溝槽之間的谷值差別較小，背面矩形溝槽處信號(hào)谷值與無(wú)缺陷處信號(hào)的差別也很小，在圖中很難區(qū)分。

圖7中電壓信號(hào)谷值是由圖6所示激勵(lì)信號(hào)中下降沿反向尖峰電壓引起的，反向尖峰電壓變化陡峭，信號(hào)幅值可達(dá)64V。在對(duì)鐵磁性鋼板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由式（1）可知，幅值極大的信號(hào)電壓產(chǎn)生的集膚效應(yīng)使磁場(chǎng)滲透深度非常有限：① 對(duì)表面矩形溝槽的檢測(cè)結(jié)果影響較大，如圖7（a）所示，表面矩形溝槽處漏磁信號(hào)具有很大幅度的谷值。② 對(duì)鋼板背面溝槽的檢測(cè)結(jié)果影響較小，如圖7（b）所示，背面矩形溝槽處電壓信號(hào)谷值變化不大，不同深度背面矩形溝槽處信號(hào)的谷值區(qū)別也不大。由于在鋼板上反復(fù)檢測(cè)使鋼板磁化，故在每次檢測(cè)前，都對(duì)鋼板進(jìn)行退磁，使其剩磁強(qiáng)度保持在較小的范圍內(nèi)，但是相對(duì)不同深度背面溝槽處微小的谷值變化還是造成了一定的干擾，故用谷值幅度區(qū)分背面缺陷是不可靠的。

3.2.2 信號(hào)峰值時(shí)間

在檢測(cè)中，對(duì)缺陷信號(hào)電壓峰值時(shí)間進(jìn)行了提?。◤闹芷陔妷盒盘?hào)起始到信號(hào)電壓峰值的時(shí)間段稱之為峰值時(shí)間）。

如圖7（a）所示，表面矩形溝槽處的周期漏磁信號(hào)中，無(wú)缺陷處信號(hào)峰值時(shí)間為21.63ms，深度為2，4，6mm的表面矩形溝槽處信號(hào)峰值時(shí)間分別為22.09，22.05和21.85ms。通過(guò)比較可知：無(wú)缺陷處信號(hào)峰值時(shí)間要小于表面矩形溝槽處信號(hào)的峰值時(shí)間，表面矩形溝槽深度越深，其電壓信號(hào)峰值時(shí)間越短。

如圖7（b）所示，背面矩形溝槽處周期漏磁信號(hào)中，無(wú)缺陷處信號(hào)峰值時(shí)間為21.63ms，深度為2，4，6mm的背面矩形溝槽處信號(hào)峰值時(shí)間分別為23.16，23.41，23.94ms。通過(guò)比較可知：無(wú)傷處信號(hào)峰值時(shí)間要小于背面矩形溝槽處信號(hào)峰值時(shí)間，背面矩形溝槽深度越深，其電壓峰值時(shí)間越長(zhǎng)。

3.2.3 信號(hào)過(guò)零時(shí)間

根據(jù)圖7中采集的數(shù)據(jù)，使表面矩形溝槽處電壓信號(hào)和背面矩形溝槽處電壓信號(hào)分別與無(wú)缺陷處的電壓信號(hào)作差，得到的不同類型、不同深度矩形溝槽處差分信號(hào)如圖8所示。

過(guò)零時(shí)間是指漏磁場(chǎng)有缺陷處漏磁電壓信號(hào)與無(wú)缺陷處電壓信號(hào)作差得到的差分信號(hào)，其電壓幅值為0V時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間。

由圖8（a）可知，深度為2，4，6mm 的表面矩形溝槽處電壓信號(hào)過(guò)零時(shí)間分別為24.82，24.78，24.75ms。通過(guò)比較可知：鋼板表面矩形溝槽深度越深，其漏磁場(chǎng)電壓信號(hào)的過(guò)零時(shí)間越短，但區(qū)別不明顯。

由圖8（b）可知，深度為2，4，6mm的背面矩形溝槽處電壓信號(hào)過(guò)零時(shí)間分別為25.28，26.48，29.37ms。通過(guò)比較可知：鋼板背面矩形溝槽深度越深，其漏磁場(chǎng)電壓信號(hào)的過(guò)零時(shí)間越長(zhǎng)，并且不同深度的背面矩形溝槽處信號(hào)區(qū)分較明顯。

3.2.4 表面?zhèn)c背面?zhèn)膮^(qū)分

如圖7所示，背面矩形溝槽處電壓信號(hào)谷值與無(wú)缺陷處區(qū)別不大，表面矩形溝槽處電壓信號(hào)電壓谷值幅度都遠(yuǎn)大于無(wú)缺陷處信號(hào)的，故可用電壓信號(hào)谷值特征區(qū)分表面溝槽與背面溝槽缺陷?？赏ㄟ^(guò)信號(hào)谷值對(duì)缺陷進(jìn)行判斷，區(qū)分出是表面還是背面缺陷，再通過(guò)其他參數(shù)特征去區(qū)分缺陷深度。用如圖6所示的激勵(lì)信號(hào)，在試驗(yàn)鋼板上，檢測(cè)寬為2mm，長(zhǎng)為20mm，深度為2mm鋼板表面矩形溝槽和深度為4mm的鋼板背面矩形溝槽，驗(yàn)證信號(hào)谷值區(qū)分的有效性，檢測(cè)路徑上電壓信號(hào)峰值和谷值同步采樣曲線如圖9所示。

圖9中縱軸為電壓信號(hào)幅值，橫軸為信號(hào)在檢測(cè)過(guò)程中的同步采樣時(shí)間，2，4分別代表的是深度為2mm的表面矩形溝槽、深度為4mm的背面矩形溝槽處信號(hào)。圖9中的數(shù)據(jù)采集過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)數(shù)據(jù)采集程序，開啟脈沖激勵(lì)源，關(guān)閉脈沖源，停止數(shù)據(jù)采集程序。已知檢測(cè)的矩形溝槽位置，使探頭在鋼板表面水平移動(dòng)，移動(dòng)方向與矩形溝槽軸向垂直，沿溝槽左側(cè)無(wú)缺陷處，經(jīng)過(guò)溝槽，到達(dá)溝槽右側(cè)無(wú)缺陷處。圖9所示為程序保存記錄的檢測(cè)路徑上傳感器輸出信號(hào)的峰值、谷值同步采樣曲線。

圖9（a）中所示2mm深表面矩形溝槽處信號(hào)谷值可達(dá)－1.74V；圖9（b）中所示，4mm深背面矩形溝槽缺陷信號(hào)谷值幾乎不變，為0.0156V。鋼板上下表面缺陷信號(hào)谷值不同的原因是：激勵(lì)信號(hào)中下降沿處瞬間幅值極大的反向尖峰電壓，產(chǎn)生的集膚效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)中鐵磁性鋼板的表面缺陷處漏磁場(chǎng)信號(hào)影響很大，使表面溝槽缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生很大的谷值幅度，而對(duì)背面溝槽缺陷處影響很小，背面矩形溝槽信號(hào)谷值幾乎不變且幅度明顯小于表面的。綜上所述，在圖9中通過(guò)缺陷電壓信號(hào)谷值同步采樣曲線可清晰區(qū)分出鋼板上淺表面矩形溝槽和深背面矩形溝槽的信號(hào)。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)和分析得出：漏磁信號(hào)峰值、峰值時(shí)間、差分信號(hào)過(guò)零時(shí)間反映出缺陷的不同深度；采用斬波大電流電源提供大電流激勵(lì)信號(hào)的脈沖漏磁檢測(cè)法，對(duì)10mm厚Q235鋼板的表面和背面缺陷都具有很好的檢測(cè)效果；檢測(cè)中鋼板上下表面缺陷信號(hào)的谷值區(qū)別很大，利用谷值同步曲線實(shí)現(xiàn)了兩種缺陷的區(qū)分，對(duì)工業(yè)檢測(cè)具有實(shí)際的參考價(jià)值。

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