渦流效應(yīng)對脈沖漏磁檢測信號的影響

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(南京航空航天大學 多電飛機電氣系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點實驗室，南京 211106)

脈沖漏磁檢測技術(shù)(PMFL)結(jié)合了漏磁檢測技術(shù)[1]和脈沖渦流檢測技術(shù)[2]兩者的優(yōu)勢，使用頻譜豐富的脈沖方波信號作為激勵。相較于傳統(tǒng)漏磁檢測技術(shù)而言，其可以分別通過時域和頻域分析漏磁信號，得到不同深度的缺陷信息，因而廣泛應(yīng)用于鐵板、管道、軌道等導(dǎo)磁材料的缺陷檢測中[3-4]。

脈沖漏磁檢測探頭主要由磁芯、磁敏傳感器(如霍爾元件)和勵磁線圈組成，脈沖漏磁檢測原理示意如圖1所示。檢測時，勵磁線圈上加載脈沖方波電壓激勵，在被測樣本中形成脈沖磁場，當樣本存在缺陷時，缺陷附近的磁場會發(fā)生畸變，一部分磁場將穿出樣本表面形成漏磁場，使用磁敏傳感器可以檢測出這部分漏磁場并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號[5-7]，從而實現(xiàn)對缺陷的檢測。

圖1 脈沖漏磁檢測原理示意

由于采用了脈沖方波激勵，樣本中的磁場強度會隨時間而改變，尤其是在激勵信號上升沿和下降沿處的變化最明顯。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當閉合回路內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，導(dǎo)體中將感應(yīng)出電動勢，形成電流而阻礙磁通變化[8]。所以當磁場變化時，樣本中將會感應(yīng)出渦流阻礙原磁場的變化，進而影響漏磁場的變化。渦流具有趨膚效應(yīng)，渦流密度衰減到其表面值的1/e時的透入深度稱為趨膚深度[9]，其表達式為

(1)

式中：δ為趨膚深度;f為激勵頻率;μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率。

可以看出，趨膚深度會隨著激勵頻率的增大而減小，所以檢測表面缺陷時往往采用高頻信號，而檢測內(nèi)部缺陷時采用低頻信號。

筆者采用脈沖漏磁檢測技術(shù)，對表面加工有矩形槽缺陷的鋼板樣本進行檢測。為了研究渦流效應(yīng)對漏磁場的影響，使用有限元分析軟件ANSYS Maxwell建立脈沖漏磁檢測的仿真模型,并觀察瞬態(tài)磁場與渦流的分布情況，分析渦流效應(yīng)對漏磁場的影響?；谠囼灆z測結(jié)果，對比分析了缺陷深度對脈沖漏磁檢測信號兩種特征值的影響。

圖2 脈沖漏磁檢測二維仿真模型示意

1 有限元仿真模型的建立

為了對比分析仿真與試驗結(jié)果，在仿真模型中設(shè)置與試驗系統(tǒng)相同的參數(shù)。選擇瞬態(tài)場作為求解類型，使用有限元分析軟件建立了脈沖漏磁檢測的二維仿真模型(見圖2)。鋼板長150 mm，高11 mm，表面有寬1 mm,深5 mm的缺陷；磁芯長74 mm，高33 mm，磁極寬14 mm；上下線圈截面的長寬分別為40 mm和5 mm。設(shè)置仿真邊界條件為氣球邊界，表示磁場是一個開域，在無限遠處磁場強度為零。設(shè)置線圈材料為銅；磁芯材料為鐵氧體，相對磁導(dǎo)率為150，電導(dǎo)率為0.01 S·m-1；鋼板樣本材料為45鋼，電導(dǎo)率為4×106S·m-1，初始磁化特性曲線(B-H曲線)如圖3所示(B為磁感應(yīng)強度，H為磁場強度)。

圖3 45鋼初始磁化特性曲線

ANSYS Maxwell軟件具有自適應(yīng)的網(wǎng)格剖分功能，但是其初始網(wǎng)格較為粗糙，為了提高仿真分析結(jié)果的精確度，需對檢測模型進行手動剖分。如圖2所示，在缺陷正上方建立長10 mm，寬5 mm的加密區(qū)進行單獨加密剖分以提高漏磁場計算的精度。選擇基于內(nèi)部的剖分方式，設(shè)置線圈、磁芯、鋼板、加密區(qū)和空氣域剖分網(wǎng)格的最大邊長分別為2，2，1，0.1，5 mm，仿真模型剖分結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，主磁場回路與漏磁場回路所經(jīng)過區(qū)域的網(wǎng)格剖分非常精細，有利于精確計算磁場大小與分布情況。設(shè)置激勵線圈匝數(shù)為600，將上下線圈設(shè)置成一個繞組，并在繞組上施加10 V的階躍電壓激勵，線圈的電阻、電感與所施加的激勵參數(shù)設(shè)置如圖5所示。設(shè)置仿真的總時長為250 ms，時間步長為5 ms。

圖4 仿真模型剖分結(jié)果

圖5 線圈的電阻、電感與所施加的激勵參數(shù)設(shè)置

2 仿真結(jié)果分析

2.1 渦流對激勵的影響

在仿真中使用階躍電壓作為漏磁檢測的激勵源，0時刻激勵電壓階躍上升，激勵電流快速增大，此時缺陷處的漏磁場也將迅速變大，與使用脈沖激勵信號時漏磁場的變化情況相同。隨著磁場強度的快速上升，被測鋼板樣本中感應(yīng)出了電渦流，阻礙了磁路中瞬態(tài)磁場的迅速變化。

通過建立考慮渦流效應(yīng)和不考慮渦流效應(yīng)兩組仿真模型，對比分析了感生電渦流對勵磁電流的影響，每隔5 ms記錄一次仿真結(jié)果，所描繪的激勵電流波形如圖6所示。仿真結(jié)果顯示了在開始階段考慮渦流效應(yīng)模型的激勵電流上升得更快，這是由于在0時刻激勵電壓發(fā)生突變，樣本內(nèi)部的激勵磁場強度也快速增大，從而引起了很強的渦流效應(yīng)。根據(jù)電路理論分析可知,渦流回路的等效電感較大，使得整個電路的等效阻抗在0時刻瞬間相對于沒有渦流效應(yīng)時的等效阻抗偏小，所以在0時刻后的一小段時間內(nèi)，考慮渦流效應(yīng)模型的激勵電流增大較快。同時，因為渦流的產(chǎn)生阻礙了激勵磁場的變化，所以相比較而言，考慮渦流效應(yīng)模型中的磁場到達穩(wěn)態(tài)的時間更長，而不考慮渦流效應(yīng)模型的激勵電流將先達到穩(wěn)態(tài)。

圖6 激勵電流波形

2.2 鋼板內(nèi)部磁場和渦流分布

由仿真得到鋼板內(nèi)磁感應(yīng)強度在不同時刻(10,30,50,150,200 ms)的分布如圖7所示。開始階段(10,30 ms)磁場變化非常明顯，并且磁場集中分布在鋼板樣本的上表面，在缺陷下方材料連續(xù)處的磁感應(yīng)強度最大。隨著激勵電流趨于穩(wěn)定(150,200 ms)，磁場變化減緩，呈現(xiàn)外擴的趨勢，并逐漸分布在整個鋼板樣本內(nèi)部，進入穩(wěn)態(tài)。

圖7 不同時刻鋼板內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布

圖8 不同時刻鋼板內(nèi)部渦流的分布

由仿真分析結(jié)果得到不同時刻鋼板內(nèi)部渦流的分布如圖8所示。由于渦流只存在于磁場產(chǎn)生變化的區(qū)域，所以渦流分布與圖7中磁場的分布相似。開始時(5 ms)渦流集中分布在鋼板樣本的上表面，并且越靠近表面處渦流密度越大，隨后由于磁場的擴散，渦流的分布范圍也隨之增大。在20 ms前，由于激勵電流快速上升，磁場變化劇烈，因而感生渦流逐漸增強；隨著時間的推移，勵磁電流的上升速率減小，磁場變化減緩，渦流隨之減?。辉?00 ms時，激勵電流和磁場趨于穩(wěn)定，渦流幾乎完全消失。

2.3 渦流效應(yīng)對漏磁場的影響

仿真分析鋼板樣本中渦流效應(yīng)對缺陷漏磁場的影響，缺陷正上方1 mm處漏磁感應(yīng)強度隨時間的變化如圖9所示。考慮渦流效應(yīng)模型的缺陷處漏磁場在0時刻后一段時間內(nèi)存在明顯的過沖信號，隨后緩慢下降趨于穩(wěn)定，而不考慮渦流效應(yīng)模型的漏磁場隨時間單調(diào)上升至穩(wěn)態(tài)值的情況。這是由于鋼板樣本內(nèi)部的感生渦流阻礙了原磁場的變化，所以鋼板內(nèi)部磁阻增大，通過鋼板的磁場相對減小，漏磁場有所增強；隨著渦流減小并逐漸消失，鋼板的磁阻也逐漸減小，通過鋼板的磁場有所增強，漏磁場隨之減小。仿真結(jié)果表明，漏磁檢測信號在該模型條件下存在一個大約100 ms的過沖現(xiàn)象，之后趨于穩(wěn)定。

圖9 缺陷正上方1 mm處漏磁感應(yīng)強度隨時間的變化

圖10 不同磁場激勵情況下漏磁信號隨時間的變化

為了分析不同大小的磁場激勵對脈沖漏磁信號的影響，分別改變激勵磁芯的相對磁導(dǎo)率μr和激勵電壓U，仿真分析不同磁場激勵情況下漏磁信號隨時間的變化如圖10所示。其中，圖10(a)的激勵電壓U為10 V，磁芯μr分別為150，300，450，600；圖10(b)的磁芯μr為150，激勵電壓U分別為10，20，30，40 V。仿真結(jié)果表明，當激勵磁場相對較弱時(μr較小或U較小)，漏磁信號波形在激勵信號0時刻后存在短暫的過沖現(xiàn)象，隨后緩慢下降至穩(wěn)態(tài)，且穩(wěn)態(tài)值較小;而當激勵磁場相對較強時(μr較大或U較大)，脈沖漏磁信號單調(diào)上升。因為鋼板內(nèi)感生渦流的存在增大了漏磁場的變化率，所以在開始階段信號上升較快，之后一段時間內(nèi)上升速率先減小后增大，最后緩慢達到穩(wěn)態(tài)，且穩(wěn)態(tài)值也更大。通過對仿真結(jié)果的分析表明，在磁場激勵較小的情況下，渦流效應(yīng)對漏磁信號的影響較大，漏磁信號先上升后下降直至穩(wěn)態(tài)，存在過沖現(xiàn)象；而在磁場激勵較大的情況下，漏磁場本身更強，渦流效應(yīng)對漏磁信號的影響較小，漏磁信號單調(diào)上升直至穩(wěn)態(tài)，不存在過沖現(xiàn)象，并且漏磁信號的穩(wěn)態(tài)值隨著激勵磁場的增大而增大。

圖11 脈沖漏磁檢測試驗平臺組成

3 試驗結(jié)果分析

搭建了脈沖漏磁檢測試驗平臺，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的虛擬儀器組成(見圖11)。通過LabVIEW編寫的虛擬儀器程序與數(shù)據(jù)采集模塊進行通信，發(fā)出的脈沖電壓信號經(jīng)功率放大電路放大后施加在勵磁線圈上，同時霍爾傳感器將采集到的漏磁場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過去偏置和濾波后傳輸?shù)教摂M儀器上以便存儲與分析。勵磁探頭采用的磁芯材料相對磁導(dǎo)率μr為150，激勵電壓為10 V，其他參數(shù)均與仿真參數(shù)一致。被測鋼板樣本表面加工凹槽模擬裂紋缺陷，缺陷寬度為1 mm，深度分別為2，5，7 mm。

以缺陷中心線為0 mm位置，探頭沿著垂直于缺陷延伸方向從-10 mm移動到+10 mm，每隔0.5 mm檢測一次，保存漏磁檢測信號。在0.5 mm位置處檢測得到的3種不同深度缺陷的漏磁場信號波形如圖12所示。由圖12可知，3種不同深度缺陷的漏磁場在一開始都存在過沖信號，隨后緩慢下降到穩(wěn)態(tài)，并且缺陷深度越大，檢測信號的峰值越大，穩(wěn)態(tài)值也越大。試驗結(jié)果表明，當激勵磁場較弱時，漏磁檢測信號存在過沖現(xiàn)象，與仿真結(jié)果一致。

圖12 0.5 mm位置處的3種不同深度缺陷的漏磁場信號波形

圖13 漏磁檢測信號特征值與位置關(guān)系曲線

從檢測信號波形可以看出，漏磁信號的峰值和穩(wěn)態(tài)值受缺陷深度影響明顯，因而將峰值和穩(wěn)態(tài)值作為評估缺陷參數(shù)的兩個特征值，分別繪制出漏磁信號的峰值和穩(wěn)態(tài)值隨檢測位置變化的曲線(見圖13)?？梢钥闯觯瑑蓚€特征值隨檢測位置變化的趨勢一致，相比于穩(wěn)態(tài)值信號而言，峰值信號的變化幅度更大，且隨著缺陷深度的增加，漏磁信號特征值隨檢測位置變化曲線的峰-谷值逐漸增大。

分析圖13中兩種特征值信號的峰-谷值與缺陷深度之間的變化關(guān)系(見圖14)。在所檢測的缺陷深度范圍內(nèi)，兩種特征信號的峰-谷值隨著缺陷深度的變大均成比例地增大。穩(wěn)態(tài)值信號幾乎呈線性增大，變化幅值相對較小。而峰值信號的變化幅值較大，更有利于對缺陷進行量化評估，并且在深度較小時變化斜率更大，對深度的分辨率就更高。因為脈沖漏磁檢測時鋼板內(nèi)感生的渦流主要集中在上表面區(qū)域，所以較淺處缺陷對渦流的影響更大，漏磁信號的變化幅值也更大。因而,當激勵磁場較小時，基于脈沖漏磁信號的峰值特征更有利于缺陷深度的量化評估。

圖14 兩種特征信號的峰-谷值與缺陷深度的關(guān)系

4 結(jié)語

當激勵磁場較小時，渦流效應(yīng)對漏磁場的影響較大，漏磁信號存在過沖現(xiàn)象；當激勵磁場較大時，渦流效應(yīng)對漏磁場的影響較小，漏磁信號單調(diào)上升至穩(wěn)態(tài)，不存在過沖現(xiàn)象。搭建了脈沖漏磁檢測試驗平臺進行檢測試驗，試驗結(jié)果和仿真分析結(jié)果相一致。研究了當激勵磁場較小時應(yīng)用漏磁信號的峰值和穩(wěn)態(tài)值作為特征值量化評估缺陷深度的方法，對比分析表明，基于脈沖漏磁信號峰值特征的缺陷深度量化評估具有更高的精度。

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