基于磁導率無損檢測U型傳感器優(yōu)化設計研究

任仙芝，錢小吾

(鎮(zhèn)江高等?？茖W校 基礎部，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

磁導率檢測技術是一種綠色檢測技術，使用專門的磁導率檢測平臺檢測鐵磁試件應力集中、疲勞損傷等表面不連續(xù)性或表面組織結(jié)構(gòu)變化所造成的磁導率變化，從而實現(xiàn)工業(yè)構(gòu)件可靠性評估[1-2]。其中，檢測傳感器是磁導率檢測平臺的核心部分，其性能決定整個系統(tǒng)的檢測精度[3]。因此，實現(xiàn)磁導率無損檢測技術檢測傳感器的優(yōu)化設計至關重要。

對磁導率檢測技術[4-6]而言，磁芯的選擇(U型、M型等)、線圈特征(匝數(shù)、線徑等)、激勵信號特征(激勵幅值、信號頻率等)都會影響檢測傳感器的性能。傳感器檢測靈敏度越高，磁導率檢測平臺測得的試驗數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，試驗結(jié)果越精確，檢測應力分布、疲勞損傷、微觀組織變化時效果越明顯[7-8]。該檢測方法是檢測材料某一被測區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)變化、蛻化、老化程度，可以解決如超聲檢測、射線檢測、硬度檢測等傳統(tǒng)檢測方法難以解決的問題，而且檢測精度高。吳德會等[9]基于微分磁導率設計了一種特殊的檢測探頭，通過掃查鐵磁材料表面微分磁導率的分布，反演鐵磁材料內(nèi)部缺陷特征。任尚坤等[10-11]基于磁導率檢測技術設計了針對棒狀、板狀鐵磁試樣的檢測傳感器，并進行拉伸、疲勞試驗，根據(jù)磁導率特征，反演鐵磁試樣內(nèi)部應力疲勞的分布狀態(tài)。其他還未見類似的研究報道。采用磁導率檢測技術研究在恒壓源、恒流源兩種激勵源下，激勵電壓頻率、激勵電流頻率、激勵電壓幅值、激勵電流幅值、檢測線圈匝數(shù)與傳感器檢測靈敏度的關系，重點從激勵信號方面優(yōu)化U型傳感器系統(tǒng)，對檢驗鐵磁構(gòu)件某一區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)變化、腐蝕老化、應力疲勞等微觀缺陷具有重要現(xiàn)實意義。

1 磁導率檢測原理及關系分析

磁導率檢測技術以微觀力磁效應和電磁感應原理為理論基礎，U型傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在U型磁軛梁部纏繞激勵線圈，兩腿部纏繞檢測線圈(串聯(lián))，當探頭置于鐵磁試件上時，探頭和鐵磁試件形成有效的磁回路。若向探頭激勵線圈通入正弦交流激勵信號，則根據(jù)電磁感應原理，在磁軛內(nèi)部會形成磁化場環(huán)境，檢測線圈處會有感應信號輸出。若被檢測鐵磁試件內(nèi)部存在應力、疲勞、腐蝕等不連續(xù)性微觀結(jié)構(gòu)變化，則會導致閉合回路內(nèi)部磁通發(fā)生畸變，從而導致檢測線圈輸出信號的差異性，通過反演運算實現(xiàn)被測鐵磁試件不連續(xù)缺陷的檢測。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

在恒壓源、恒流源兩種激勵源下向U型傳感器激勵線圈通入正弦交流激勵信號，根據(jù)基爾霍夫磁路第一定律和第二定律，被檢測鐵磁試件磁導率改變時會引起閉合磁路中磁通密度的變化，即磁通密度的變化率能反映磁導率的變化，而磁通密度的變化可通過U型傳感器檢測線圈輸出感應信號。

Φ=i(Rm外+L·μ-1S-1)-1，

μ，L，S分別為被測試件的磁導率、區(qū)域長度(mm)、平均等效截面積(mm2)。

依據(jù)麥克斯韋第二方程

(1)

其中N2為檢測線圈匝數(shù)。由式(1)可知，檢測線圈電壓輸出信號隨被檢測鐵磁試件磁導率μ的變化而變化，其中，符號為負表示輸出電壓和激勵電流具有相反的極性。鐵磁構(gòu)件磁導率與其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有關，如構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生腐蝕老化、應力疲勞、性能蛻變等微觀結(jié)構(gòu)變化時，磁導率就會改變，故可通過檢測線圈輸出感應值的變化判斷待測構(gòu)件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。對確定的待檢試件，磁導率μ一定，電流的變化di/dt很小，對恒流源為常數(shù)。式(1)可表示為

uout=aμ(μ+b)-1，

其中，a，b為常數(shù)，可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定。可見，U型傳感器檢測線圈輸出感應電壓信號u(V)可以直接反映待測試件的磁導率，大小可以通過輸出感應電壓信號反演計算，從而反映鐵磁構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2 磁導率檢測U型傳感器參數(shù)優(yōu)化的試驗分析

2.1 試驗平臺的搭建

試驗平臺主要由激勵源、示波器、電壓表、電流表、傳感器、被測鐵磁試件、帶通濾波、信號放大電路等組成。U型磁軛選用高磁導率的錳鋅鐵氧體材料，外形尺寸為58 mm×13 mm×33 mm。在U型磁軛梁部纏繞激勵線圈形成偏置磁化的磁路，在磁軛極靴上纏繞檢測線圈以輸出感應信號值。其中，檢測線圈采用雙線圈對稱性結(jié)構(gòu)，兩組線圈串聯(lián)，線圈采用一定繞線截面積的漆包線，在骨架上繞制相應的匝數(shù)，分別對稱安裝于U型磁軛的兩個極靴上。選用正弦波為激勵源進行試驗，以恒壓源為激勵源時，試驗材料選用430不銹鋼構(gòu)件，外形尺寸如圖2所示，激勵信號選用任意波形發(fā)生器DG4000產(chǎn)生；以恒流源為激勵源時，試驗材料選用45號鋼鋼板，外形尺寸為560 mm×150 mm×10 mm，激勵信號由雙極性電源BP4610產(chǎn)生。檢測信號值在示波器上讀取，試驗平臺裝置圖如圖3所示。

圖2 430鐵素體不銹鋼試件外形尺寸圖(單位：mm)

圖3 試驗平臺裝置圖

試驗中測得兩個回路中的檢測信號值分別對應鐵磁回路和空氣回路。將探頭置于被測試件上，二者構(gòu)成閉合回路，稱為鐵磁回路；將探頭置于空氣中，探頭和空氣環(huán)境構(gòu)成的閉合回路稱為空氣回路。若存在某參數(shù)能使兩回路的差值最大化，則稱為最優(yōu)參數(shù)。兩回路的差值即為檢測靈敏度，若存在一激勵頻率使兩回路差值信號最大，即檢測靈敏度最高，即為最優(yōu)頻率。

2.2 交流激勵頻率與檢測靈敏度的關系模型

試驗傳感器采用雙線圈繞組，即激勵線圈和檢測線圈均繞制上、下兩層。試驗表明，上層線圈和下層線圈下的檢測靈敏度基本相同，即雙線圈繞組下研究各參數(shù)對檢測靈敏度的影響是可行的，符合試驗要求。

圖4為以恒壓源為激勵源時，鐵磁回路、空氣回路檢測信號及兩者差值信號隨激勵頻率的變化關系，檢測線圈端感應電壓信號均為峰-峰值(Vpp)。傳感器參數(shù)：交流電壓幅值3 V，線圈匝數(shù)300，線圈線徑0.2 mm。圖5為以恒流源為激勵源時，鐵磁回路、空氣回路檢測信號及兩者差值信號隨激勵頻率的變化關系。傳感器參數(shù)：交流電流幅值0.08 A(峰-峰值)，線圈匝數(shù)300，線圈線徑0.2 mm。圖4表明，激勵電壓頻率增大，鐵磁回路和空氣回路檢測信號值均先增大后趨于恒定，但在不同頻率段的增加速率不同。激勵電壓頻率增大，兩回路差值信號值(傳感器檢測靈敏度)先增大后減小，存在一極大值，即檢測靈敏度最高，對應頻率為最優(yōu)頻率。圖5表明，激勵電流頻率增大，鐵磁回路和空氣回路檢測信號值均先增大后減小，存在一極值。同樣，不同頻率段增加的速率不同，兩回路差值信號值(傳感器檢測靈敏度)先增大后減小再增大，最后趨于恒定，存在2個極值，即存在2個最優(yōu)頻率。

圖4 以恒壓源為激勵源檢測信號隨頻率變化曲線

圖5 以恒流源為激勵源檢測信號隨頻率變化曲線

2.3 交流激勵幅值與檢測靈敏度的關系模型

圖6，圖7分別為以恒壓源、恒流源為激勵源時，不同電壓、電流幅值條件下檢測靈敏度隨頻率的變化曲線。激勵電壓、激勵電流幅值增大，檢測靈敏度升高。而當激勵頻率為300 Hz左右時檢測靈敏度均達到最大值，即最優(yōu)頻率與電壓幅值無關；當激勵頻率為1 000 Hz和1 460 Hz左右時檢測靈敏度均達到最大值，即最優(yōu)頻率與電流幅值無關。進一步研究表明，檢測靈敏度隨激勵(電壓、電流)幅值增大線性升高，如圖8，圖9所示。但激勵幅值過大會提高電平，增加噪聲信號，產(chǎn)生發(fā)熱、振動等現(xiàn)象，應合理選擇。

圖6 不同激勵電壓幅值下檢測靈敏度隨頻率變化曲線

圖7 不同激勵電流幅值下檢測靈敏度隨頻率變化曲線

圖8 檢測靈敏度隨交流激勵(電壓)幅值的變化曲線

圖9 檢測靈敏度隨交流激勵(電流)幅值的變化曲線

2.4 檢測線圈匝數(shù)與檢測靈敏度的關系模型

圖10為以恒壓源為激勵源時檢測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的變化曲線。傳感器參數(shù)：交流電壓幅值5 V，激勵線圈匝數(shù)300，線圈線徑0.2 mm，激勵頻率f=300 Hz。

圖10 以恒壓源為激勵源，檢測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的變化曲線

圖11表示以恒流源作為激勵源時，檢測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的變化曲線。

圖11 以恒流源為激勵源，檢測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的變化曲線

傳感器參數(shù)：交流電流幅值0.06 App，激勵線圈匝數(shù)300，線圈線徑0.2 mm，激勵頻率f=1 000 Hz。在兩種激勵源下，檢測線圈匝數(shù)增加，檢測靈敏度均升高，并且呈線性關系。進一步試驗研究發(fā)現(xiàn)，檢測線圈匝數(shù)不能過多，否則影響磁軛的性能，故可適當增加，而且最優(yōu)頻率與檢測線圈匝數(shù)無關。

3 結(jié)束語

磁導率檢測技術是一種高精度提前預測鐵磁構(gòu)件某區(qū)域應力集中狀況特征的檢測方法，是依據(jù)探頭閉合磁路中磁感應強度的變化檢測試件磁導率變化的評價技術。由磁導率無損檢測U型傳感器的設計和試驗研究可知，在恒壓源和恒流源兩種激勵源下，檢測靈敏度隨交流激勵頻率、激勵幅值、檢測線圈匝數(shù)的變化關系。

1) 傳感器檢測靈敏度隨交流激勵電壓頻率的增加先升后降，存在1個最優(yōu)頻率；隨交流激勵電流頻率的增加先升后降再升，最后趨于恒定，存在2個最優(yōu)頻率。

2) 傳感器檢測靈敏度隨激勵(電壓、電流)幅值的增加而升高，并呈線性上升趨勢。但應根據(jù)實際試驗合理選擇激勵幅值，不宜過高，否則會提高噪聲信號，影響檢測精度。

3) 在一定檢測線圈匝數(shù)范圍內(nèi)，傳感器檢測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)增加而升高，近似線性關系。

研究表明，交流激勵頻率、幅值，檢測線圈特征均會影響磁導率U型傳感器的檢測靈敏度，合理選擇參數(shù)可以提高磁導率U型傳感器的檢測靈敏度。本研究可以為磁導率檢測技術在應力集中、疲勞損傷、熱處理的應用研究提供理論依據(jù)。