新型脈沖漏磁檢測法的表面缺陷檢測特征分析

潘 萌， 周德強(qiáng),3， 常 祥

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3.無錫國盛精密模具有限公司，江蘇 無錫 214024)

新型脈沖漏磁檢測法的表面缺陷檢測特征分析

潘 萌1,2， 周德強(qiáng)1,2,3， 常 祥1,2

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇無錫214122；3.無錫國盛精密模具有限公司，江蘇無錫214024)

針對脈沖漏磁檢測技術(shù)對不同方向的漏磁分量進(jìn)行分析時存在一定局限性的問題，基于脈沖漏磁(PMFL)檢測中的U型磁軛和脈沖渦流(PEC)檢測中的矩形空心激勵線圈，提出了脈沖聚磁(PMC)檢測方法。通過仿真和實驗分析了鐵磁性試件在脈沖漏磁和脈沖聚磁兩種檢測模式下，缺陷部位的響應(yīng)信號X，Y和Z3個分量的檢測效果。結(jié)果表明:脈沖聚磁檢測方法在進(jìn)行鐵磁性材料構(gòu)件的缺陷檢測時，激勵探頭對被測試件的3個方向的分量激勵效果更明顯，同時對于不同深度的表面缺陷，脈沖漏磁響應(yīng)信號的三維分量具有更高的檢測靈敏度。

脈沖漏磁； 脈沖聚磁； 鐵磁性材料； 缺陷檢測

0 引 言

作為電磁無損檢測瞬態(tài)檢測技術(shù)中的代表，脈沖渦流 (pulsed eddy current,PEC) 檢測技術(shù)以電磁感應(yīng)作為理論基礎(chǔ)，激勵采用一定頻率的脈沖方波，在感生磁場的作用下被測試件表面產(chǎn)生的脈沖響應(yīng)信號通過檢測元件進(jìn)行拾取，實現(xiàn)在線的動態(tài)檢測[1～3]。該脈沖響應(yīng)信號中含有較為豐富的頻譜，通過研究分析可以獲取關(guān)于被測缺陷的信息，但是由于受到滲透深度的限制，PEC檢測技術(shù)在對鐵磁性構(gòu)件的檢測過程中檢測深度受到限制[4]。

脈沖漏磁 (pulsed magnetic flux leakage,PMFL) 檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鐵磁性構(gòu)件的工作場合，可以實現(xiàn)對缺陷和腐蝕損傷部位的定位檢測[5,6]。但是隨著構(gòu)件在役時間的延長，受到外界條件的影響或者機(jī)械損傷所形成的裂紋或缺陷，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，因此,需要對缺陷在空間中的三維漏磁場分量的綜合分析才能更全面的定量評估缺陷的大小。而常規(guī)的脈沖漏磁檢測技術(shù)在對缺陷三維分量的分析效果還無法達(dá)到一個較為理想的狀態(tài)。

基于上述分析，結(jié)合PEC檢測中所用到的矩形空心激勵線圈和PMFL檢測中所用到的U型磁軛，提出了脈沖聚磁 (pulsed magnetic concentration,PMC) 檢測技術(shù)，在U型磁軛的作用下，矩形空心線圈兩端的磁場泄露大幅減少，被測試件的磁化效果得以加強(qiáng)，檢測元件拾取漏磁場強(qiáng)度的響應(yīng)值，通過對缺陷部位不同方向的漏磁場分量分析得出的線性結(jié)果更加顯著，因而，檢測靈敏度更高。

1 脈沖漏磁檢測原理[7～9]

在檢測探頭脈沖激勵的作用下，被測試件達(dá)到局部磁飽和的狀態(tài)，由于試件表面存在缺陷形成幾何體的不連續(xù)性，缺陷部位的磁場泄露到試件上方的空氣域中，此時磁場傳感器通過拾取漏磁場部位的磁場信號，實現(xiàn)對缺陷的定位檢測，通過對響應(yīng)信號中時域的信息進(jìn)行進(jìn)一步分析，實現(xiàn)對缺陷檢測深度的定量分析。

脈沖漏磁檢測在對缺陷進(jìn)行三維分量綜合分析時存在一定的非線性，因而，需要一種新的方法實現(xiàn)對缺陷的綜合分析。

PMC檢測在PEC和PMFL檢測方法基礎(chǔ)上對傳感器進(jìn)行改進(jìn)，在矩形空心激勵線圈外部添加U型磁軛，激勵線圈通入脈沖激勵信號，被測試件感生出一個變化的磁場，磁傳感器拾取漏磁場信號并轉(zhuǎn)化為電壓值，通過對響應(yīng)信號三個方向的磁場分量的分析得出的線性關(guān)系，為電磁檢測技術(shù)在鐵磁性構(gòu)件中的應(yīng)用提供了新思路和新方法。

2 2種模式下檢測效果仿真分析

2.1 2種激勵方式下傳感器結(jié)構(gòu)仿真分析

典型的PMFL傳感器主要包括2部分:1)對被測試件進(jìn)行磁化的激勵線圈；2)拾取漏磁響應(yīng)信號的檢測元件。圖1(a)所示為PMFL檢測結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)激勵線圈通入電流后，U型傳感器與試件之間形成閉合的磁回路，缺陷部位會形成漏磁場，如圖1(b)所示，可以看到缺陷上方的漏磁場形成的磁力線。缺陷部位的漏磁場信號通過檢測元件進(jìn)行拾取。

圖1 PMFL檢測仿真分析

圖2(a)所示為PMC檢測探頭的示意圖，在矩形空心線圈外部增加了連通的U型磁軛。相比于脈沖漏磁檢測中將激勵線圈繞制在U型磁芯部位激勵線圈自身的電感較大，PMC檢測采用矩形空心線圈，可以有效減小線圈電感，且磁軛磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率數(shù)值，可以約束激勵線圈兩端的漏磁場向外擴(kuò)散，所以矩形空心線圈兩端的磁場不會泄露到空氣中，在鐵磁性試件的局部實現(xiàn)更好的磁化，達(dá)到聚磁的效果。圖2(b)所示鐵磁性構(gòu)件磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線分布，從仿真結(jié)果中可以看出，激勵線圈對試件的滲透主要集中在試件的表面，但是在試件的表面具有較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度，且在缺陷部位也有較大的空間漏磁場產(chǎn)生。

圖2 PMC檢測仿真分析

對比PMFL和PMC仿真結(jié)果可以看出， PMFL檢測模式和PMC檢測模式下磁通密度模值的最大值分別為36.028，65.377 T，說明PMC檢測模式下，試件在激勵線圈的作用下感應(yīng)磁場較強(qiáng)，因而在缺陷部位的聚磁效果更明顯；從被測試件的截面可以看出，PMFL檢測模式下激勵線圈對試件的滲透較深，但PMC激勵模式使得激勵強(qiáng)度主要集中在試件表面。因此，對于表面缺陷的檢測PMC檢測具有一定的優(yōu)勢。

2.2 2種激勵模式下不同的檢測分量仿真分析

為了探究PMC傳感器工作模式的有效性，對PMFL和PMC傳感器進(jìn)行三維有限元仿真，提取了試件磁通密度3個方向分量的分布情況。

從圖3(a)所示，磁通密度X分量4個正、負(fù)峰值對稱分布在缺陷的四周，越靠近缺陷部位，磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值越小，在到達(dá)缺陷中心的位置時，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小衰減為零，由此說明了，感應(yīng)磁場在經(jīng)過缺陷部位時泄露到試件上方的空氣域中，形成了以缺陷為中心的空間漏磁場。

圖3(b)所示，磁通密度Y分量的分布主要集中在被測試件的缺陷部位，且在缺陷的中間部位達(dá)到峰值，隨著坐標(biāo)值遠(yuǎn)離缺陷，磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值也隨之減小，這意味著漏磁場Y分量在缺陷部位和非缺陷部位檢測信號的區(qū)分度更為明顯。

圖3(c)所示，磁通密度Z分量的峰值集中分布在缺陷的內(nèi)部，由此反映了激勵線圈對試件的滲透深度，說明磁感應(yīng)強(qiáng)度Z分量可以用于對試件表面缺陷深度的定量分析。

PMC檢測模式下試件磁通密度3個方向分量的分布情況如圖4所示。

圖3 PMFL傳感器三維有限元仿真模型示意圖

圖4 PMC傳感器三維有限元仿真模型示意圖

對比圖3和圖4可以看出，2種不同的激勵方式，對被測試件的磁化效果和磁通密度分布特征比較相似。提取3個方向上的磁通密度峰值得到表1，對比可以得出，在相同的激勵電流條件下，PMC激勵模式下的三維分量的磁通密度峰值更大，激勵效果更明顯。

表1 2種激勵模式下仿真結(jié)果磁通密度峰值 T

3 2種檢測方式實驗結(jié)果對比分析

繞制加工與仿真模型等比例的傳感器檢測探頭，2種檢測模式的激勵線圈均采用如表2所示的參數(shù)。

表2 激勵線圈參數(shù)

脈沖方波激勵信號經(jīng)過功率放大器輸入到傳感器的激勵線圈，缺陷部位的漏磁場信號分別通過Hall傳感器和GMR傳感器獲取，經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)行信號采集，采樣10個周期，取10個周期的缺陷信號進(jìn)行時域濾波處理。對帶有不同深度的表面缺陷進(jìn)行檢測，分別提取2種檢測模式下鐵磁性試件缺陷部位的漏磁場三維分量，檢測信號時域波形如圖5～圖7所示。

對不同深度缺陷的檢測信號進(jìn)行歸一化處理，提取特征量幅值如圖5(c)、圖6(c)和圖7(c)所示。對比得出，相對于 PMFL檢測模式，PMC檢測模式下的3個方向的漏磁場分量響應(yīng)對缺陷深度變化更為敏感，說明PMC檢測系統(tǒng)對缺陷的三維分量的檢測性能優(yōu)于PMFL檢測結(jié)構(gòu)，利于對表面缺陷深度的定量分析和評估。

圖5 2種檢測方式下X分量與缺陷深度之間的關(guān)系

圖6 2種檢測方式下Y分量與缺陷深度之間的關(guān)系

圖7 2種檢測方式下Z分量與缺陷深度之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

在對PMFL和PEC的檢測探頭的研究基礎(chǔ)上，將矩形空心激勵線圈與U型磁軛相結(jié)合，提出了脈沖聚磁(PMC)檢測傳感器。通過三維有限元仿真，分析鐵磁性構(gòu)件在脈沖漏磁和脈沖聚磁2種激勵模式下的激勵效果，結(jié)合實驗分析缺陷部位X，Y和Z3個分量的響應(yīng)信號與不同深度的表面缺陷之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論:

1)相對于PMFL檢測，PMC檢測模式下激勵探頭對被測試件的3個方向的分量激勵效果更明顯；

2)在對鐵磁性構(gòu)件的缺陷進(jìn)行檢測時，對于不同深度的表面缺陷，脈沖漏磁響應(yīng)信號的三維分量具有更高的檢測靈敏度。

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Analysisoncharacteristicsofsurfacedefectdetectionofnewtypeofpulsedmagneticfluxleakagedetectingmethod

PAN Meng1,2, ZHOU De-qiang1,2,3, CHANG Xiang1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China;2.KeyLaboratoryforAdvancedFoodManufacturingEquipmentTechnologyofJiangsuProvince,Wuxi214122,China;3.WuxiGSPrecisionToolCoLtd,Wuxi214024,China)

The technology of the pulsed magnetic flux leakage detection has certain sensitivity to detect different depths of surface defects,but for analysis on component of magnetic flux leakage in different directions,it has some limitation.Aiming at this problem,the U-shaped magnetic plate in pulsed magnetic flux leakage(PMFL) and the hollow rectangle exciting coil in pulsed eddy current(PEC) detection are put together and put forward a new method of the pulsed magnetic concentration(PMC).Based on the simulation and experiment,the analysis is carried out on the ferromagnetic specimen under these two kinds of detection method,namely the PMFL and PMC,and the testing result of theX,YandZcomponent of response signal from the defective parts is obtained.The result shows that the PMC testing method has a better inspective effect of the three direction component ferromagnetic material defect detection.while is carried out Furthermore,the PMC has more sensitivity of the 3D magnetic flux leakage response signal to different depth of surface defects.

pulsed magnetic flux leakage; pulsed magnetic concentration; ferromagnetic material; defect detection

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0032—04

TG 115

A

1000—9787(2017)12—0032—04

2016—11—14

潘 萌(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向為電磁無損檢測技術(shù)。