磁電復合多功能傳感器的設計

李亞平，彭云超，淦 邦

(中國石化管道儲運有限公司科技研發(fā)中心,江蘇徐州 221008)

0 引言

管道對于保障國家能源供應具有重要意義。隨著管道使用時間的延長，由于腐蝕和應力作用，管道內部會出現(xiàn)各種類型的缺陷。因此，需要對管道進行定期的有效檢測，及時排除缺陷，以避免或減少管道破裂事故的發(fā)生。

目前，國內外已提出多種關于管道內壁的無損檢測系統(tǒng)，例如：漏磁檢測系統(tǒng)、電磁超聲檢測系統(tǒng)以及渦流檢測系統(tǒng)等[1]。由于管道內壁的結構比較復雜，缺陷形式多樣，現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)以及檢測探頭已無法滿足檢測需要，因此，如何研發(fā)一種新型的檢測系統(tǒng)，以解決上述問題，成為人們亟待解決的問題[2]。本文結合漏磁檢測和電磁超聲檢測兩種檢測方法的原理、適用條件和優(yōu)勢，設計一種新型適用于油氣管道無損檢測的磁電復合傳感器，重點介紹了復合傳感器的結構組成，研究了復合傳感器在磁場條件下有無缺陷的結果對比，為新型管道內檢測器的設計提供了新的解決方案。

1 磁電復合傳感器檢測原理及特點

漏磁檢測原理是利用鐵磁材料的高磁導率特性，通過測量鐵磁材料中磁導率變化來檢測缺陷[3-4]。管道漏磁檢測原理如圖1所示。圖中兩部分管壁為管道縱切向剖面圖，上管壁有缺陷下壁無缺陷。檢測時永磁鐵將待測管段磁化，在管壁完好沒有缺陷并且管壁材質均勻的情況下磁力線全部在管壁、永磁體、鋼刷和軟鐵構成磁回路中通過。若管壁上有缺陷存在，那么當管壁達到近飽和磁化狀態(tài)時經(jīng)過缺陷處的磁力線有一部分仍然會在磁回路中通過，但會有少量磁力線在缺陷處發(fā)生畸變繞過缺陷邊緣泄漏到管壁外，在周圍的空氣形成漏磁。傳感器經(jīng)過無缺陷的管壁時，因沒有漏磁通變化所以輸出電壓不變，經(jīng)過有缺陷的管壁時導致電壓變化達到探傷的目的[5]，并通過對漏磁信號的分析即可準確評價缺陷。

圖1 管道漏磁檢測原理圖

漏磁檢測系統(tǒng)中采用的磁敏傳感器，具有腐蝕敏感性高，適應高溫、寒冷以及水下等惡劣環(huán)境的優(yōu)點，但是采用磁敏傳感器只能檢測出管道內壁具有軸向長度、周向寬度以及徑向深度3個方向尺寸的體積型缺陷，而對于管道內壁上只在2個方向上延伸，在第3個方向尺度很小的裂紋，很難激發(fā)出足夠磁敏傳感器檢測的漏磁通，導致檢測結果不準確。此外，即使磁敏傳感器可以檢測到管道存在缺陷，但無法辨別是內壁缺陷還是外壁缺陷。由電磁感應定律可知：閉合金屬導體中的磁通發(fā)生變化時，就會在導體中產(chǎn)生閉合的感應電渦流，阻礙磁通量的變化。如圖2所示。

圖2 電渦流位移傳感器的工作原理

圖2中，傳感線圈由交流信號激勵，在產(chǎn)生焦耳熱的同時，又要產(chǎn)生磁滯損耗，它們造成交變磁場能量的損失，進而使傳感器的等效阻抗Ζ發(fā)生變化。影響阻抗Ζ的因素有被測導體的電導率σ、磁導率μ、線圈的激勵頻率f及傳感器與被測導體間的位移χ等，只要保證這些影響因素只有位移χ變化，其他都保持不變，則傳感器的等效阻抗Ζ將變成位移的一元函數(shù)，經(jīng)過線性化處理后用Ζ(χ)的變化就能很好地反映出χ的變化，實現(xiàn)測量位移χ的目的[6-7]。

渦流檢測系統(tǒng)是建立在電磁感應原理基礎上的一種無損檢測方法，具有傳感響應速度快、靈敏度高、非接觸和無需耦合介質等優(yōu)點，因而特別適用于對金屬管道內壁缺陷的檢測[8-9]。但傳統(tǒng)渦流檢測系統(tǒng)中的傳感器普遍存在一致性差、檢測信號易受提離等因素的影響、檢測效率與分辨率存在矛盾以及對檢測對象的適應性差等問題。

2 磁電復合傳感器結構

磁電復合傳感器組成結構如圖3所示，三軸漏磁數(shù)字傳感器經(jīng)過IIC通訊協(xié)議傳輸?shù)紸RM-STM32控制探頭系統(tǒng)，渦流線圈經(jīng)過控制系統(tǒng)提供的激勵，檢測的信號經(jīng)過渦流線圈接收電路進行接收，通過SPI協(xié)議傳輸給ARM-STM32控制探頭系統(tǒng)。由控制系統(tǒng)進行采集和存儲后，經(jīng)過數(shù)據(jù)輸出驅動器傳輸?shù)?.5 m外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖3 復合傳感器結構框圖

利用PCB打印渦流傳感器線圈，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工纏繞線圈，減少了線圈體積空間，增加了線圈的穩(wěn)定性及不易損性。

渦流線圈經(jīng)過激勵后，通過渦流傳感器線圈接收電路對渦流線圈產(chǎn)生的信號進行接收，接收電路圖如圖4所示。

圖4 渦流傳感器線圈接收電路結構圖

線圈的兩端分別接入INA,INB信號端，電路處理過程中，由LC振蕩激勵電路為渦流傳感器線圈提供激勵電壓，激勵頻率等參數(shù)，當渦流傳感器線圈檢測到管壁內壁缺陷時，發(fā)生阻抗變化，由電感值測量電路檢測到電感值，經(jīng)過寄存器和邏輯處理器處理后，進行閾值比較，轉成SPI通訊協(xié)議輸出信號，從而判斷管壁的缺陷情況。

數(shù)據(jù)采集存儲模塊如圖5所示，由SPI通訊協(xié)議輸出的CSB、SCLK、SDI、SDO信號經(jīng)過傳輸線傳輸?shù)絾纹瑱C采集系統(tǒng)，單片機主控選擇ARM-STM32系列芯片。其中，CLKIN表示外部時基時鐘輸入,CLDO外接一個15nF電容從引腳連接到GND，CSB表示可以將多個通道連接在相同的SPI總線上，SCLK表示SPI通訊協(xié)議時鐘輸入，SDI表示SPI數(shù)據(jù)輸入連接到SPI主機的MOSI，SDO表示SPI數(shù)據(jù)輸出連接到SPI主控的MISO。

圖5 數(shù)據(jù)采集存儲結構圖

傳感器檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過SPI協(xié)議，傳輸?shù)紸RM-STM32控制探頭系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含高精度時鐘模塊、穩(wěn)壓電源模塊、存儲模塊、總線協(xié)議模塊、FATFS文件管理模塊對傳感器數(shù)據(jù)進行采集和存儲，并通過顯示模塊顯示當前輸出信號。

3 實驗與結果分析

磁電復合傳感器安裝在探頭支撐架上，整個傳感器支撐架在整個檢測裝置中(如圖所示)，對鐵磁性材料進行檢測，對其內外壁缺陷進行檢測和辨別。磁電復合檢測探頭裝置如圖6所示。

圖6 磁電復合傳感器檢測裝置

圖6中，鐵磁性材料經(jīng)過磁鐵、鐵芯、鋼刷的磁化后，鐵磁性材料的整個內壁上達到了磁飽和，磁電復合傳感器對鐵磁性材料進行檢測，缺陷樣件如圖7所示。檢測結果如圖8所示。

圖7 缺陷樣板試件

(a)復合傳感器檢測橫向裂紋結果圖

圖8中MFL-X、Y、Z分別代表漏磁信號周向、軸向、徑向信號，當傳感器垂直于橫向裂紋檢測時，結果如圖8(a)所示，磁敏傳感器和渦流傳感器能夠同時檢測到橫向裂紋。當傳感器平行于縱向裂紋檢測時，結果如圖8(b)所示，磁敏傳感器不能檢測到縱向裂紋，渦流傳感器能夠檢測到縱向裂紋。

管道內檢測中，應用磁電復合傳感器能夠區(qū)分管道的內外壁缺陷，對此，在缺陷樣板試件上做了兩組實驗，將復合傳感器放在有缺陷的表面進行一次檢測，再將復合傳感器放在缺陷試件背面進行一次檢測， 具體如圖9所示，實驗結果如圖10所示。

圖9 復合傳感器測量管壁內外壁缺陷示意圖

(a)復合傳感器測量管道內壁缺陷結果圖

圖10(a)中，當傳感器測量管道內壁缺陷時，磁敏傳感器和渦流傳感器能夠同時測量到缺陷，當傳感器測量管道外壁缺陷時，2組渦流信號對同一缺陷具有相同的檢測特征，且2組渦流數(shù)據(jù)對同一缺陷的檢測具有相位差，符合機械結構的設計。漏磁檢測結果分為管壁3個方向的數(shù)據(jù)，分別為軸向、周向、徑向。其中漏磁傳感器對軸向、徑向方向反應較明顯，對周向方向反應較不明顯。

圖10(b)中，磁敏傳感器能夠測量到外壁缺陷，而渦流傳感器不能測量到外壁缺陷，磁敏傳感器能夠檢測出內外壁缺陷，渦流傳感器對內壁缺陷敏感，進而結合兩種檢測結果對內外壁缺陷進行辨別。

4 結論

通過實驗對比，驗證磁電復合傳感器適用于油氣管道無損檢測，當磁敏傳感器和渦流傳感器同時測量到管壁缺陷時，同時渦流傳感器檢測內壁缺陷時，辨別此缺陷為管壁內表面缺陷，當漏磁傳感器能檢測到管壁缺陷，而渦流傳感器沒有測量到管壁缺陷時，辨別此缺陷為管壁外表面缺陷，實驗結果表明該新型磁電復合傳感器在管道缺陷檢測過程中既能檢測缺陷又能辨別內外壁缺陷。通過對裂紋信號的觀察，對近表面裂紋缺陷有潛在檢出可能。