基于脈沖漏磁的表面缺陷判別

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、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。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裂紋進行了檢測與定量評估。周德強等[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，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)對缺陷位置進行評估的研究較少，并且為了檢測到較大的信號，試驗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，最后通過試驗驗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行仿真。

圖2 脈沖漏磁仿真模型

圖3 測量點位置示意

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)需要進行調(diào)整。在圖3所示位置設(shè)置測量點，檢測該點處磁場垂直分量的磁感應(yīng)強度。

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，達到峰值后逐漸回落，最終達到穩(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。可以看到隨著激勵電壓的增大，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。可見隨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。現(xiàn)對上述仿真結(jié)果進行總結(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，進一步區(qū)分近表面及深埋藏缺陷，現(xiàn)運用差分法對漏磁信號進行求導(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。這是因為原曲線中的過沖現(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)進一步對近表面及深埋藏缺陷進行判別。

圖19 缺陷位置評估方法

6 試驗結(jié)果分析

通過試驗對仿真結(jié)果進行驗證。首先搭建脈沖漏磁檢測試驗平臺(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，而下表面漏磁信號的導(dǎo)數(shù)有一個極大值點。試驗結(jié)果驗證了仿真結(jié)果，進一步證實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平臺，通過試驗驗證了仿真結(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。