方 舟，許 鵬，徐中行

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 211106)

無損檢測包括多種檢測方法，如漏磁檢測、電渦流檢測、磁粉檢測和超聲檢測等[1]，其中漏磁檢測技術(shù)具有成本低、檢測速度快、非接觸、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。脈沖漏磁檢測技術(shù)使用頻譜豐富的脈沖方波信號作為激勵，可以得到不同深度的缺陷信息，因此被廣泛應(yīng)用于管道、軌道、電纜等鐵磁性構(gòu)件的檢測中[2-3]。CHUKWUNONSO等[3]采用脈沖漏磁對管道的上表面及深埋藏細(xì)裂紋進(jìn)行了檢測與定量評估。周德強(qiáng)等[4]在脈沖漏磁的基礎(chǔ)上提出了一種矩形線圈水平分量磁場分析的檢測方法。趙健等[5]根據(jù)鐵磁性構(gòu)件上下表面缺陷信號的特點(diǎn)，介紹了脈沖漏磁與脈沖磁阻檢測相結(jié)合的方法。

目前，利用漏磁檢測技術(shù)對缺陷位置進(jìn)行評估的研究較少，并且為了檢測到較大的信號，試驗(yàn)施加的激勵往往較大，很少有針對小激勵情況下缺陷漏磁信號的分析。筆者采用脈沖漏磁檢測技術(shù)區(qū)分鋼板的近表面及深埋藏缺陷,運(yùn)用ANSYS Maxwell軟件建立仿真模型，總結(jié)了不同參數(shù)條件下脈沖漏磁信號的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了缺陷信號的過沖和波動現(xiàn)象，并據(jù)此提出了兩種近表面和深埋藏缺陷的判別方法，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 脈沖漏磁檢測原理

1.1 基本原理

脈沖漏磁檢測原理如圖1所示，探頭主要由激勵線圈、磁芯、被測樣本和磁敏傳感器等組成。在檢測時，對磁芯施加脈沖激勵。當(dāng)樣本存在缺陷時，磁場會在缺陷附近產(chǎn)生畸變，部分磁力線穿出樣本表面進(jìn)入空氣形成漏磁場。在缺陷上方放置一個磁敏傳感器，便可以把漏磁場轉(zhuǎn)變成電壓信號[6-8]。

圖1 脈沖漏磁檢測原理示意

渦流效應(yīng)是漏磁檢測過程中不可忽視的影響因素。采用脈沖方波激勵時，在脈沖電壓快速上升和下降階段，樣本內(nèi)部的磁場會快速增加和衰減，由法拉利電磁感應(yīng)定律可知：快速變化的磁場會感生出快速變化的電場，從而形成電流，阻礙原磁場的變化[9]，這種在導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng),從而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流具有集膚效應(yīng)，主要分布于樣本的表面。

1.2 建模與仿真

脈沖漏磁仿真模型如圖2所示，采用ANSYS Maxwell軟件對脈沖漏磁模型進(jìn)行仿真。

圖2 脈沖漏磁仿真模型

圖3 測量點(diǎn)位置示意

0時刻向線圈施加脈沖方波激勵，激勵頻率為1 Hz，占空比為50%。激勵電壓大小、缺陷深度、缺陷位置以及磁芯相對磁導(dǎo)率將根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在圖3所示位置設(shè)置測量點(diǎn)，檢測該點(diǎn)處磁場垂直分量的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 激勵電壓對漏磁信號的影響

保持磁芯的相對磁導(dǎo)率為100，缺陷為深6 mm的上表面缺陷，激勵電壓U分別為10,15,20,25 V，仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)激勵電壓較小時，如圖4中U=10 V和U=15 V兩條曲線，漏磁信號在初始階段快速上升，達(dá)到峰值后逐漸回落，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這種現(xiàn)象稱為過沖。當(dāng)激勵電壓較大時，如圖4中U=20 V和U=25 V兩條曲線，漏磁信號在初始階段快速上升，隨后曲線略微下降或上升速率有所減緩，接著上升速率再次回升，最后曲線趨于平緩并達(dá)到穩(wěn)態(tài)。將這種信號上升過程中上升速率的變化稱為上升階段的波動現(xiàn)象?？梢钥吹诫S著激勵電壓的增大，漏磁信號的穩(wěn)態(tài)值也變大，過沖現(xiàn)象逐漸消失并轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙A段的波動現(xiàn)象。當(dāng)激勵電壓進(jìn)一步增大時，波動現(xiàn)象也逐漸變得不明顯。

圖4 不同激勵電壓下的漏磁信號

圖5 不同相對磁導(dǎo)率下的漏磁信號

2.2 磁芯相對磁導(dǎo)率對漏磁信號的影響

保持激勵電壓為10 V，缺陷為深6 mm的上表面缺陷，改變磁芯的相對磁導(dǎo)率μr分別為100,200,300,400，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看到，相對磁導(dǎo)率越大，漏磁信號穩(wěn)態(tài)值越大。相對磁導(dǎo)率較小時，施加激勵會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，隨著相對磁導(dǎo)率的增大，過沖現(xiàn)象逐漸消失并轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙A段的波動現(xiàn)象。當(dāng)磁導(dǎo)率進(jìn)一步增大，波動現(xiàn)象也逐漸變得不明顯。

2.3 缺陷深度對漏磁信號的影響

保持激勵電壓為10 V，相對磁導(dǎo)率為150，對缺陷深度d分別為2,4,6 mm的上表面缺陷及缺陷深度為2,5,7,9 mm的下表面缺陷進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看到，缺陷深度越深，漏磁信號越大。對于上表面缺陷，漏磁信號的曲線形狀基本一致，缺陷深度對過沖和波動現(xiàn)象沒有影響。對于下表面缺陷，無論缺陷深度多大，都不會出現(xiàn)過沖和波動現(xiàn)象。

圖6 不同缺陷深度下的漏磁信號

2.4 埋藏深度對漏磁信號的影響

保持激勵電壓為10 V，缺陷深度為6 mm，改變埋藏深度b，缺陷從上表面開始以1 mm步長向下移動至下表面。為了更精確地觀察上升階段曲線，仿真時間為0400 ms，并將仿真時間間隔縮短至2 ms。

首先考慮上表面出現(xiàn)過沖的情況，磁芯相對磁導(dǎo)率取100，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 上表面有過沖時不同埋藏深度缺陷的漏磁信號

圖8 上表面無過沖時不同埋藏深度缺陷的漏磁信號

考慮上表面沒有出現(xiàn)過沖的情況，磁芯相對磁導(dǎo)率取300，仿真結(jié)果如圖8所示?？梢婋S著缺陷埋藏深度的增加，漏磁信號逐漸減小，過沖和波動現(xiàn)象也逐漸變得不明顯直至消失。

3 表面缺陷的仿真結(jié)果

令l為缺陷中心到樣本上表面的距離?，F(xiàn)對上述仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納，提取出不同位置缺陷信號的典型特征。樣本中缺陷位置如圖9所示，根據(jù)缺陷位置將缺陷分為上表面缺陷、近表面缺陷(l≤7 mm)、深埋藏缺陷(l>7 mm)和下表面缺陷。

圖9 缺陷位置示意

3.1 上表面缺陷的漏磁信號

經(jīng)大量仿真，總結(jié)出兩種典型的上表面缺陷漏磁信號(見圖10)。圖中以激勵電壓10 V，深6 mm的上表面缺陷為例，藍(lán)色曲線的磁芯相對磁導(dǎo)率為100，紅色曲線的磁芯相對磁導(dǎo)率為400。當(dāng)線圈激勵電壓和磁芯相對磁導(dǎo)率較小時，曲線會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象；當(dāng)線圈的激勵電壓和磁芯的相對磁導(dǎo)率較大時，曲線會出現(xiàn)上升階段的波動現(xiàn)象。

圖10 深6 mm上表面缺陷的漏磁信號

3.2 近表面缺陷的漏磁信號

深2 mm近表面缺陷的漏磁信號如圖11所示，圖中激勵電壓為10 V，缺陷高度為6 mm，埋藏深度為2 mm，藍(lán)色曲線的磁芯相對磁導(dǎo)率為100，紅色曲線的磁芯相對磁導(dǎo)率為300。近表面缺陷和上表面缺陷類似，當(dāng)線圈激勵電壓和相對磁導(dǎo)率較小時，曲線出現(xiàn)過沖現(xiàn)象(圖11中藍(lán)色曲線)；當(dāng)線圈激勵電壓和相對磁導(dǎo)率較大時，曲線出現(xiàn)上升階段的波動現(xiàn)象(圖11中紅色曲線)。

圖11 深2 mm近表面缺陷的漏磁信號

3.3 深埋藏及下表面缺陷的漏磁信號

深埋藏及下表面缺陷的漏磁信號比較相近，無法進(jìn)一步區(qū)分。以激勵電壓為20 V，磁芯相對磁導(dǎo)率為300，深度為6 mm的缺陷為例，得到如圖12所示的深埋藏及下表面缺陷的漏磁信號，圖中藍(lán)色曲線為缺陷底部距離鋼板下表面1 mm的深埋藏缺陷，紅色曲線為下表面缺陷(見圖12)。從圖12可以看出，兩者都是從0開始以S型的曲線逐漸增加至穩(wěn)態(tài)，不會出現(xiàn)過沖和上升階段的波動現(xiàn)象。

圖12 深埋藏缺陷及下表面缺陷的漏磁信號

4 基于過沖和波動現(xiàn)象區(qū)分近表面與深埋藏缺陷

圖13 產(chǎn)生過沖時的磁場分布

當(dāng)激勵電壓和磁芯相對磁導(dǎo)率較小時，上表面及近表面缺陷的漏磁場會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。當(dāng)激勵電壓和磁芯的相對磁導(dǎo)率較大時，漏磁場會出現(xiàn)上升階段的波動現(xiàn)象。由于渦流效應(yīng)阻礙了原磁場的增大，所以渦流效應(yīng)引起的磁場在內(nèi)部與原磁場的方向相反。產(chǎn)生過沖時的磁場分布如圖13所示，假設(shè)施加激勵后樣本內(nèi)磁力線方向向右，則由渦流效應(yīng)產(chǎn)生一個向左的磁場，如圖13中黃線所示。由于磁力線是閉合的，所以雖然在樣本內(nèi)部由渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場方向與原漏磁場方向相反，但是在缺陷正上方兩者磁場方向相同，將兩者進(jìn)行疊加，會出現(xiàn)過沖和上升階段的波動現(xiàn)象。當(dāng)電壓穩(wěn)定后，磁通量不再發(fā)生改變，渦流效應(yīng)逐漸消失，磁感應(yīng)強(qiáng)度最終趨于穩(wěn)定[10]。

當(dāng)激勵電壓和相對磁導(dǎo)率都較小時，原漏磁場較小，渦流效應(yīng)產(chǎn)生的影響比較明顯，因此會產(chǎn)生過沖現(xiàn)象；當(dāng)激勵電壓和相對磁導(dǎo)率逐漸增大時，原漏磁場也逐漸增大，渦流效應(yīng)的影響相對減小，因此過沖現(xiàn)象逐漸消失，變?yōu)樯仙A段的波動現(xiàn)象。當(dāng)激勵電壓和相對磁導(dǎo)率足夠大時，上升階段的波動也將變得不明顯，憑目測很難觀察到。在以往的檢測過程中，為了使漏磁信號較大，所加激勵也比較大，因而渦流效應(yīng)的影響不夠明顯，沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象。由于渦流具有集膚效應(yīng)，所以只有上表面缺陷及近表面缺陷會受渦流效應(yīng)的影響，而深埋藏缺陷及下表面缺陷無論激勵大小都不會產(chǎn)生過沖和波動現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步研究過沖現(xiàn)象與激勵的關(guān)系，通過大量仿真，得到了缺陷深度改變時的激勵電壓-相對磁導(dǎo)率曲線(見圖14)。

圖14 產(chǎn)生過沖現(xiàn)象的激勵電壓-相對磁導(dǎo)率曲線

由圖14可以看出，曲線近似為反比例函數(shù)，并將區(qū)域劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)域。當(dāng)激勵電壓和相對磁導(dǎo)率位于區(qū)域Ⅰ時，上表面缺陷的漏磁信號會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象；位于區(qū)域Ⅱ時，上表面缺陷的漏磁信號不會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

總而言之，施加小激勵時上表面及近表面缺陷的漏磁信號會產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，激勵增大時過沖現(xiàn)象會消失并轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙A段的波動現(xiàn)象，隨著激勵的進(jìn)一步增大，波動現(xiàn)象變得不明顯。因此，當(dāng)激勵較小時，可以根據(jù)漏磁信號來區(qū)分近表面及深埋藏缺陷，當(dāng)曲線出現(xiàn)過沖現(xiàn)象或上升階段的波動現(xiàn)象時，缺陷為上表面缺陷或近表面缺陷；當(dāng)曲線未出現(xiàn)這兩種現(xiàn)象時，缺陷為遠(yuǎn)表面缺陷或下表面缺陷。該方法簡單直觀，但也存在激勵不能過大的局限性。

5 基于導(dǎo)數(shù)極值的近表面和深埋藏缺陷

當(dāng)激勵較大時，過沖和波動現(xiàn)象很不明顯，無法據(jù)此區(qū)分近表面及深埋藏缺陷，因此為了突出曲線特征，進(jìn)一步區(qū)分近表面及深埋藏缺陷，現(xiàn)運(yùn)用差分法對漏磁信號進(jìn)行求導(dǎo)。圖10中上表面缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)曲線如圖15所示，圖11中近表面缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)曲線如圖16所示。由圖15，16可知，這兩種缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)都有一個極小值。這是因?yàn)樵€中的過沖現(xiàn)象和上升階段的波動現(xiàn)象都可以理解成上升過程中某一階段上升速率的減緩，反映到導(dǎo)數(shù)中即為出現(xiàn)極小值。

圖15 上表面缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)曲線

圖16 近表面缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)曲線

圖17為對激勵電壓為50 V，相對磁導(dǎo)率為1 000，埋藏深度為2 mm，缺陷高度為6 mm的近表面缺陷漏磁信號的仿真及求導(dǎo)結(jié)果。由圖17可知，當(dāng)激勵較大時，上升階段波動現(xiàn)象變得不明顯，直接觀察漏磁信號難以判斷是否存在波動，但通過求導(dǎo)可以很明顯地看出其導(dǎo)數(shù)存在極小值。

圖17 大激勵下近表面缺陷漏磁信號及其導(dǎo)數(shù)曲線

圖18 深埋藏缺陷和下表面缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)曲線

對圖12求導(dǎo)后得到的曲線如圖18所示。深埋藏缺陷和下表面缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)始終為正值，曲線先遞增后遞減至趨于0，有一個極大值，無極小值。

經(jīng)過求導(dǎo)，漏磁信號的特征被進(jìn)一步放大，可以根據(jù)缺陷漏磁信號導(dǎo)數(shù)的特征來區(qū)分近表面和深埋藏缺陷：如漏磁信號的導(dǎo)數(shù)中有極小值，則為上表面缺陷或近表面缺陷；如漏磁信號的導(dǎo)數(shù)中有一個極大值、無極小值，則為深埋藏缺陷或下表面缺陷。運(yùn)用該方法評估缺陷位置不存在激勵大小的限制，可以有效地評估缺陷位置。

上文所述的兩種評估缺陷位置的方法各有優(yōu)勢，可以根據(jù)實(shí)際情況選取合適的方法。缺陷位置評估方法如圖19所示，當(dāng)漏磁場曲線能觀察到過沖和波動現(xiàn)象時，可以直接判斷出缺陷位于上表面或近表面。當(dāng)漏磁場曲線無法觀察到這兩種現(xiàn)象時，可以通過求導(dǎo)進(jìn)一步對近表面及深埋藏缺陷進(jìn)行判別。

圖19 缺陷位置評估方法

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。首先搭建脈沖漏磁檢測試驗(yàn)平臺(結(jié)構(gòu)框圖見圖20)，該平臺由U型檢測探頭、功率放大電路、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和基于LabVIEW軟件的虛擬儀器等構(gòu)成。工作時，平臺通過LabVIEW軟件編寫的虛擬儀器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)過功率放大電路后向勵磁線圈施加激勵；位于缺陷上方的霍爾傳感器將采集到的漏磁信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路傳回至虛擬儀器。

圖20 脈沖漏磁檢測試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)框圖

不同深度上表面缺陷的漏磁信號曲線如圖21所示。其所測缺陷寬為1 mm，深度分別為5,7,9,10 mm；激勵電壓為10 V。

圖21 不同深度上表面缺陷的漏磁信號曲線

當(dāng)缺陷位于上表面時，不同深度缺陷的檢測信號均會在開始時產(chǎn)生過沖，隨后逐漸減小并趨于穩(wěn)定;且隨著缺陷深度的增加，檢測結(jié)果的峰值和穩(wěn)態(tài)值都增大。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激勵較小時，上表面缺陷漏磁信號有過沖現(xiàn)象，與仿真結(jié)果一致。

另外,分別對寬為1 mm，深為7 mm的上表面缺陷和寬為1 mm，深為10 mm的下表面缺陷進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖22,23所示。

圖22 寬1 mm,深7 mm上表面缺陷的檢測結(jié)果及其導(dǎo)數(shù)曲線

圖23 寬1 mm,深10 mm下表面缺陷的檢測結(jié)果及其導(dǎo)數(shù)曲線

對比分析圖22,23可以看出，當(dāng)缺陷位于上表面時，激勵的上升沿和下降沿均會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，而當(dāng)缺陷位于下表面時，檢測結(jié)果會快速上升至穩(wěn)態(tài)，不會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。對上下表面的檢測結(jié)果分別進(jìn)行求導(dǎo)，在上升階段,上表面漏磁信號的導(dǎo)數(shù)會出現(xiàn)一個極小值點(diǎn)，而下表面漏磁信號的導(dǎo)數(shù)有一個極大值點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)了可以利用脈沖漏磁方法區(qū)分近表面及深埋藏缺陷。

7 結(jié)語

利用ANSYS Maxwell軟件搭建并仿真了考慮渦流效應(yīng)時的脈沖漏磁檢測模型，分析了不同參數(shù)對缺陷漏磁信號的影響，并總結(jié)出近表面及深埋藏缺陷的漏磁信號特征。隨后，提出了兩種通過脈沖漏磁信號區(qū)分近表面及深埋藏缺陷的方法,即基于過沖及波動現(xiàn)象區(qū)分近表面及深埋藏缺陷以及基于導(dǎo)數(shù)極值區(qū)分近表面及深埋藏缺陷的方法。當(dāng)對探頭施加小激勵時，由于渦流效應(yīng)的影響，上表面及淺埋藏缺陷的漏磁信號在上升至穩(wěn)態(tài)的過程中會出現(xiàn)過沖和波動現(xiàn)象；而由于集膚效應(yīng)，深埋藏及下表面缺陷的漏磁信號不會出現(xiàn)這兩種現(xiàn)象；當(dāng)施加激勵較大時，過沖及波動現(xiàn)象變得不明顯，因此需對漏磁信號求導(dǎo)來放大特征。在信號上升過程中，上表面及淺埋藏缺陷漏磁信號的導(dǎo)數(shù)會出現(xiàn)一個極小值，而深埋藏及下表面缺陷只有一個極大值，無極小值。最后，搭建了脈沖漏磁檢測試驗(yàn)平臺，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，證明了利用該兩種方法區(qū)分近表面及深埋藏缺陷的可行性。