大提離漏磁無損檢測方法

唐 健，王榮彪，康宜華

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

金屬零部件在交變載荷作用下，其中微小的裂紋容易延伸擴(kuò)展，造成零部件的斷裂失效，嚴(yán)重危害相關(guān)人員的生命和財產(chǎn)安全。因此重要的零部件需要在出廠前或服役中進(jìn)行檢測[1]。漏磁檢測是一種廣泛應(yīng)用于鋼管、鉆桿、儲油罐、汽車零部件等鐵磁性材料的無損檢測方法。相較于其他方法，其具有靈敏度高、無需耦合劑、操作方便、檢測成本低以及易于自動化等優(yōu)勢，對鐵磁性工件表面和內(nèi)部的裂紋、孔洞等缺陷的檢測效果顯著[2]。在漏磁檢測中，探頭與待檢測工件表面之間的距離稱為提離值，是漏磁檢測中最重要的工藝參數(shù)之一。通常為了保護(hù)傳感器或提高檢測穩(wěn)定性，檢測時始終會保持一定的提離值[3]，但缺陷的漏磁場會隨提離值的增大而迅速衰減[4]，無法有效地檢測微小裂紋或在處于復(fù)雜電磁環(huán)境下的裂紋。筆者首先辨析了探頭、傳感器和敏感元件的概念，對提離值的定義進(jìn)行了討論；然后分析了實現(xiàn)大提離漏磁檢測的關(guān)鍵要素；最后對國內(nèi)外的研究成果進(jìn)行了歸納總結(jié)，以期為進(jìn)一步開展相關(guān)研究及工程應(yīng)用提供參考。

1 漏磁檢測中的提離值

1.1 提離值定義

“提離值”源自渦流檢測、漏磁檢測等電磁無損檢測方法中的提離效應(yīng)，即缺陷產(chǎn)生的擾動磁場在空氣中傳遞迅速衰減，同時導(dǎo)致傳感器在不同高度檢測到的信號差異較大。

漏磁檢測提離值定義如圖1所示。通常敏感元件和封裝外殼構(gòu)成的傳感器可以直接測量漏磁場，如傳感器A，也可以在傳感器底部增加匯集磁場的傳遞介質(zhì)構(gòu)成靈敏度更高的傳感器，如傳感器B。如果考慮到傳感器耐磨、耐高溫、防止工件劃傷等目的，需要保持傳感器與工件之間一定的提離值，即圖1中的d1，此時提離值定義中的“傳感器”應(yīng)該理解為具有獨(dú)立功能和封裝結(jié)構(gòu)的傳感器。但是，當(dāng)以“提離效應(yīng)”討論提離值時，無論是貼片電感還是霍爾元件，傳感器外層的封裝結(jié)構(gòu)并不影響提離效應(yīng)，實際的提離值仍為敏感元件與工件之間的距離，即圖1中的d2，而非傳感器底面與工件之間的距離d1，此時提離值定義中的“傳感器”應(yīng)該理解為敏感元件。下文介紹的諸多大提離檢測方法，也討論的是敏感元件到工件的距離。

1.2 提離值的影響

漏磁場水平分量與提離值的函數(shù)關(guān)系如圖2所示[5]，可見，漏磁場隨提離值的增大呈負(fù)指數(shù)級衰減。因此當(dāng)提離值較大時，漏磁場信號會大幅衰減，降低信噪比。另一方面，提離值也會影響漏磁信號的穩(wěn)定性[6]。由圖2可以看出，當(dāng)提離值較小時，提離值變動Δl導(dǎo)致漏磁場變動ΔB1，而當(dāng)提離值較大時，漏磁場變動為ΔB2，可以明顯看出，ΔB1>ΔB2。也就是說當(dāng)?shù)吞犭x時，探頭對提離值的變化更加敏感，更加不穩(wěn)定；而高提離時，探頭對提離值的變動更不敏感，信號更加穩(wěn)定。

在高精度漏磁檢測中，傳感器零提離可以獲得最佳的檢測靈敏度，但會磨損傳感器，而且對于軸承套圈、凸輪軸等表面精密加工的零件而言，傳感器直接接觸掃查還可能會劃傷精加工面。同時，微小提離檢測會使機(jī)械抖動噪聲信號明顯，信號不穩(wěn)定。因此大提離漏磁檢測的信號增強(qiáng)方法一直以來是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。

1.3 大提離檢測的要素

將無損檢測的傳感過程簡化為如圖3所示的系統(tǒng)模型。首先待檢測工件產(chǎn)生信源(如光、超聲波、磁場、電場、熱場等),信源經(jīng)過傳輸介質(zhì)的傳導(dǎo)，擴(kuò)散至傳感器所在的區(qū)域，傳感器將特定的物理信號轉(zhuǎn)化為方便傳輸、識別、存儲的電信號，從而完成信號的拾取和轉(zhuǎn)換。

圖3 無損檢測傳感的系統(tǒng)模型

提離值主要在電磁無損檢測領(lǐng)域中使用，通常都在毫米和亞毫米尺度。而光學(xué)檢測和熱成像檢測卻可以實現(xiàn)分米級甚至米級的遠(yuǎn)距離檢測，主要原因是光學(xué)檢測通過打光使被檢測特征產(chǎn)生足夠強(qiáng)和對比度足夠高的可見光反射；熱成像檢測是通過加熱使檢測對象的熱場分布不均且對外產(chǎn)生紅外輻射，無論是可見光還是紅外輻射都是一種電磁波，電磁波在空氣中傳播能量集中，衰減很小，通過足夠高分辨率的相機(jī)或紅外相機(jī)就可以捕捉到圖像特征。

總之，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無損檢測，首先需要信源的強(qiáng)度和信噪比足夠高，這是整個檢測過程的基礎(chǔ)；其次需要傳輸介質(zhì)協(xié)助信源的傳遞，避免信源在介質(zhì)中衰減；最后需要高靈敏度的傳感器對信號進(jìn)行拾取和轉(zhuǎn)換。

2 大提離漏磁檢測方法

2.1 調(diào)整信源

信源是檢測的基礎(chǔ)，對于漏磁檢測來說，大提離檢測要求信源的強(qiáng)度和信噪比足夠高。通常來說，缺陷的漏磁場隨磁化場強(qiáng)度的增大而增大，最后趨于飽和，因此常規(guī)的漏磁檢測要求在飽和磁化或近飽和磁化狀態(tài)下進(jìn)行[7]。

除了飽和磁化之外，SUN等[7]研究發(fā)現(xiàn)，漏磁場不僅和磁化場、缺陷尺寸有關(guān)，還和缺陷附近的背景磁場有關(guān)，背景磁場會抑制漏磁場的傳播范圍和強(qiáng)度，導(dǎo)致大磁化反而不一定得到大的漏磁場。這就是所謂的磁壓縮效應(yīng)，基于此，孫燕華等[8]提出了一種基于磁真空泄漏原理的漏磁無損檢測新方法(見圖4)，該方法使用磁屏蔽罩大幅降低背景磁場，促使工件中的磁場向上方的傳感器泄漏，擴(kuò)大了漏磁場的擴(kuò)散范圍，顯著提高了磁敏元件在大提離值下的檢測靈敏度。

圖4 磁真空漏磁檢測方法示意

SUN[9]的另一個研究提出了基于磁場擾動的大提離檢測方法。磁場擾動漏磁法與常規(guī)漏磁法對比如圖5所示，常規(guī)的漏磁檢測中只有一個缺陷漏磁場R1，漏磁場的擴(kuò)散半徑僅為r1。在磁場擾動方法中，在傳感器上方增加一個附加磁源R2，磁源R2的磁場影響范圍為r2，磁源R2會與磁源R1相互作用，在r1和r2的范圍內(nèi)磁場產(chǎn)生相互擾動。這樣通過兩個磁源的相互擾動作用，就可以在磁源R2附近檢測到缺陷信號。顯然這樣布置的傳感器可以有很大的提離值，從而實現(xiàn)了基于磁場擾動的大提離檢測。

圖5 磁場擾動漏磁法與常規(guī)漏磁法對比

2.2 改變傳遞介質(zhì)

漏磁場被傳感器拾取需要經(jīng)過提離空間的傳遞，而在常規(guī)的漏磁檢測中漏磁場通過空氣傳播到傳感器時已經(jīng)經(jīng)過了大幅度衰減。因此如何改變傳遞介質(zhì)避免漏磁場在空氣中的衰減一直是大提離漏磁檢測的重點(diǎn)研究內(nèi)容，許多學(xué)者都在這個領(lǐng)域提出了大提離的檢測方法。

WU等[10]在研究井口鉆桿漏磁檢測中提出了使用聚磁鐵芯的方法實現(xiàn)大提離檢測。聚磁鐵芯大提離檢測原理如圖6所示。因為空氣的相對磁導(dǎo)率接近于1，磁阻很大，漏磁場在空氣中傳播時衰減迅速，故使用傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈進(jìn)行信號拾取，靈敏度較差，而鐵磁性材料的相對磁導(dǎo)率通常是空氣的成百上千倍，因此對空氣中的漏磁通就有聚集的作用。在大提離情況下，聚磁鐵芯將低處的漏磁場匯聚到鐵芯中(見圖6)。感應(yīng)線圈纏繞在聚磁鐵芯上，制成大提離傳感器(見圖7)，感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量也就相應(yīng)增大，從而實現(xiàn)大提離漏磁檢測。

圖6 聚磁鐵芯大提離檢測原理示意

圖7 聚磁鐵芯式大提離傳感器實物

MA等[11]為了提高鉆桿漏磁檢測信噪比也提出了一種聚磁方法，由高相對磁導(dǎo)率的材料制成的雙“L”型聚磁裝置(見圖8)，漏磁場泄漏到空氣后由聚磁裝置匯聚，引導(dǎo)至包含磁傳感器的測量通路中。研究發(fā)現(xiàn)，使用該形式的聚磁裝置可以降低測量回路中的磁阻，有效提高了漏磁場的信噪比，也相應(yīng)地降低了對提離值的要求。

圖8 鉆桿漏磁檢測聚磁裝置結(jié)構(gòu)示意

LEE等[12]提出了一種通過磁導(dǎo)管傳遞漏磁場的大提離檢測方法，其原理如圖9所示。該方法在磁傳感器的下方放置磁導(dǎo)管(細(xì)長桿狀的鐵芯)，使漏磁場的磁感線通過磁導(dǎo)管傳遞至高處的磁傳感器。其整個磁場的傳遞過程基于磁疇的動力學(xué)模型，外部的磁化會使磁導(dǎo)管內(nèi)部的磁疇重新分布，使磁疇變大，且方向與外部磁化場逐漸趨近。但是由于磁疇壁不能在位錯、晶結(jié)或裂紋處移動，即使在x方向上施加漏磁場，磁柱邊界處的磁疇壁也不會重新分布。而在z方向的磁化下，磁疇壁容易沿著z方向重新定位，從而使磁柱產(chǎn)生磁各向異性。因此細(xì)長的磁導(dǎo)管就可以有效地將漏磁場傳遞至高處的磁傳感器，實現(xiàn)了大提離的檢測。

圖9 磁導(dǎo)管傳遞漏磁場原理示意

此外LEE等[13]還提出了一種磁透鏡檢測方式，該方法也是基于聚磁鐵芯的原理，使用放置在橡膠或塑料磨具中的磁流體形成“磁透鏡”，并在磁透鏡表面陣列放置霍爾傳感器。與矩形磁透鏡相比，圓形的磁透鏡消除了邊緣效應(yīng)，并且可以陣列更多的傳感器以增強(qiáng)空間分辨率。與鐵氧體或者硅鋼等材料制作的聚磁體相比，采用磁流體的磁透鏡方式在實現(xiàn)聚磁效果的同時還避免了鐵磁性材料剩余磁化強(qiáng)度和磁滯效應(yīng)對聚磁效果產(chǎn)生的不利影響。

2.3 采用高靈敏度傳感器

對于漏磁檢測而言，大提離會導(dǎo)致傳感器拾取到的漏磁信號幅值降低，信號淹沒在噪聲中，容易產(chǎn)生漏檢。傳感器的噪聲通常由傳感器內(nèi)部的電路特性和電磁環(huán)境造成，與提離值關(guān)系不大[14-15]，而缺陷的漏磁場信號隨提離值迅速衰減。因此提高傳感器的靈敏度就可以提高缺陷大提離檢測的信噪比。

近年來，高靈敏度磁傳感器發(fā)展迅猛，尤其是以各向異性磁敏電阻(AMR)[16]、巨磁電阻(GMR)[17]以及隧道磁敏電阻(TMR)[18-19]等為代表的磁敏電阻開始廣泛應(yīng)用于精密漏磁檢測中微弱磁場的檢測。與傳統(tǒng)的霍爾傳感器相比，新型磁敏電阻傳感器具有靈敏度更高、分辨率更高等特點(diǎn)，適合在大提離下拾取微弱的漏磁場信號，不同磁傳感器技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。

此外，新的傳感器設(shè)計也有助于靈敏度的提升或信噪比的增強(qiáng)。JIN等[20]對比研究了基于MTJ(磁隧道結(jié))的單TMR傳感器和全橋惠斯通電橋式TMR傳感器，全橋式惠斯通電橋TMR連接方式如圖11所示。相較于單TMR傳感器而言，雖然全橋惠斯通電橋式TMR傳感器靈敏度較低，但是惠斯通電橋有效抑制了傳感器的白噪聲，因此獲得了較高的信噪比。試驗結(jié)果表明，在4～20 cm的提離范圍內(nèi)，全橋式TMR傳感器在更大的提離值下可以獲得與單TMR相同的信噪比。

圖11 全橋式惠斯通電橋TMR連接方式示意

WU等[21]提出了一種差分漏磁檢測方法，差分式漏磁檢測傳感器配置(雙傳感器差分配置)如圖12所示。該方法通過優(yōu)化雙傳感器差分間距，可以提高檢測靈敏度，此外檢測信號幾乎不受背景磁場和機(jī)械振動的影響，具有良好的信號穩(wěn)定性。

圖12 差分式漏磁檢測傳感器配置示意

另外WANG等[22]提出了一種交直流互擾的大提離漏磁檢測方法，交直流互擾漏磁檢測原理如圖13所示。缺陷在磁化作用下產(chǎn)生漏磁場，該方法的新傳感器由感應(yīng)線圈和激勵線圈構(gòu)成，激勵線圈產(chǎn)生的高頻磁場作為載波與低頻漏磁場調(diào)制，調(diào)制后的磁場包含完整的漏磁場信號。信號調(diào)制使漏磁信號頻率增大，而感應(yīng)線圈測量的是磁通的變化量，對高頻敏感，因此感應(yīng)線圈對調(diào)制后的漏磁信號檢測靈敏度較高。雖然檢測的形式與漏磁、渦流檢測形式相似，但檢測原理不同，試驗結(jié)果表明，與常規(guī)漏磁和渦流檢測相比，交直流互擾檢測方法的信號更強(qiáng)，信噪比更高，有利于鐵磁性材料檢測。

圖13 交直流互擾漏磁檢測原理示意

2.4 轉(zhuǎn)變檢測對象

除了依據(jù)上述方法之外，在某些條件下，也可以跳出“信源-介質(zhì)-傳感”的檢測系統(tǒng)，由物理場的傳遞，轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測對象的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)大提離漏磁檢測。

錄磁檢測法也是一種基于漏磁原理的檢測方法。其首先對待檢測工件施加合適的磁化場，在缺陷附近就會產(chǎn)生漏磁場，然后通過柔性的磁帶覆蓋在工件表面記錄漏磁場(見圖14)，再對儲存了漏磁場信息的磁帶進(jìn)行讀取(見圖15)，從而對工件進(jìn)行檢測。就檢測原理而言，錄磁檢測與常規(guī)的漏磁檢測方法類似，都是拾取缺陷的漏磁場。不同的是，常規(guī)漏磁檢測直接用磁傳感器拾取漏磁場，而錄磁檢測通過磁帶轉(zhuǎn)錄，再讀取磁帶上的磁信息。雖然錄磁檢測步驟較為復(fù)雜，但磁帶與工件直接接觸，零提離拾取漏磁場，可以獲得很高的靈敏度。該方法再使用磁傳感器在遠(yuǎn)離工件的位置讀取磁帶中的漏磁場信息，轉(zhuǎn)變漏磁檢測的對象，從某種意義上而言，間接地實現(xiàn)了大提離漏磁檢測，并且提高了檢測靈敏度[23]。

圖14 磁帶錄磁檢測示意

圖15 磁帶磁信號拾取示意

此外YANG等[24]提出了一種結(jié)合磁粉檢測和漏磁檢測的高靈敏度大提離檢測方法。首先對工件進(jìn)行適當(dāng)磁化，在工件表面噴灑一層磁粉，由于磁粉與工件表面是零提離，漏磁場強(qiáng)度大，對微米級別的裂紋也有較高的靈敏度，但是僅用磁粉檢測不便于自動化和定量化檢測。因此，需在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行漏磁檢測(見圖16)。這時漏磁檢測的對象已經(jīng)不再是工件上的裂紋，而是聚集在裂紋附近的磁粉堆，檢測對象發(fā)生了轉(zhuǎn)變。因為磁粉的聚集范圍大于裂紋的寬度，所以噴灑的磁粉一方面對裂紋具有放大作用；另一方面，磁粉聚集具有一定的高度，抬高了檢測對象，降低了提離值，使信號強(qiáng)度增大。需要說明的是裂紋缺陷是凹向工件一側(cè)的，漏磁信號呈現(xiàn)大于背景磁場的形態(tài)，而當(dāng)磁粉聚集在裂紋附近后，磁粉聚集是凸向空氣一側(cè)的，根據(jù)磁折射原理，此時的漏磁場形態(tài)與原先方向相反，呈現(xiàn)小于背景磁場的形態(tài)。該方法通過磁粉檢測與漏磁檢測的結(jié)合，轉(zhuǎn)換了檢測對象，實現(xiàn)了微裂紋的大提離檢測。

圖16 磁粉漏磁聯(lián)合檢測原理示意

3 結(jié)語

總結(jié)歸納了目前大提離漏磁檢測的諸多方法，學(xué)者們主要從增大信源、改變傳遞介質(zhì)以及開發(fā)靈敏度更高、抗干擾能力更強(qiáng)的磁性傳感器等3個方面入手提高檢測能力，此外還可通過轉(zhuǎn)換檢測對象提高檢測能力。

目前，漏磁檢測在鋼管、鉆桿、鋼絲繩等零部件中的檢測應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。而漏磁檢測在精密汽車零部件上的應(yīng)用也正在快速發(fā)展，但其主要難點(diǎn)在于汽車零部件形狀復(fù)雜，三維曲面較多，常規(guī)漏磁傳感器很難適應(yīng)其內(nèi)部凹面，造成提離較大，且表面裂紋微小，信號微弱，缺陷難以檢出。因此大提離漏磁檢測仍然是未來的研究重點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。