鋼板缺陷的脈沖漏磁檢測系統設計及試驗

楊理踐，朱 明，高松巍

（沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870）

在漏磁檢測方法中，鐵磁性材料的內外傷檢測是其難點和重點。在傳統檢測中，通過信號幅值來判別淺的表面與深的背面缺陷是不準確的。近年來國外率先提出的把脈沖渦流檢測與漏磁檢測技術結合起來的脈沖漏磁檢測技術［1］兼具兩種檢測方法的優點。脈沖激勵信號中豐富的頻率成分，為區分鐵磁性材料的表面和背面缺陷提供了檢測前景［2］。

脈沖漏磁檢測技術采用脈沖信號作為激勵信號，激勵信號中同時含有高頻和低頻成分。在檢測中，高頻成分對檢測對象的表面缺陷敏感，低頻成分對檢測對象的表面下缺陷敏感，易于實現鐵磁性材料內外缺陷的區分。脈沖漏磁檢測技術具有較深的檢測深度，受提離距離影響小。

筆者采用脈沖漏磁檢測方法，針對鐵磁性材料Q235材質10mm厚鋼板，利用MOSFET管斬波低壓大電流電源，產生周期性大電流低壓的脈沖激勵信號進行勵磁，通過霍爾傳感器拾取漏磁信號，利用Labview軟件程序保存信號波形數據，實現鋼板缺陷的檢測。通過對表面和背面缺陷信號數據進行分析，利用信號峰值、信號峰值時間和差分信號過零時間區分缺陷深度，并依據脈沖信號勵磁時缺陷漏磁場電壓信號谷值特征，實現鋼板表面和背面缺陷的區分。

1 檢測原理

脈沖漏磁檢測技術是漏磁檢測技術的一種，其對鐵磁性材料進行無損檢測的過程為：對檢測對象進行磁化，使缺陷處產生足夠的漏磁場，利用傳感器拾取漏磁場的磁感應強度，把磁感應強度轉換為電信號，對采集到的電信號進行分析，確定缺陷的相關信息。

脈沖漏磁檢測技術采用脈沖信號進行勵磁，通常采用周期性的電壓方波作為脈沖信號［3］。脈沖漏磁檢測使用U型結構的探頭，對檢測對象進行磁化并拾取缺陷處的漏磁場。探頭由高磁導率的U型磁芯、纏繞在磁芯上的激勵線圈以及固定在U型骨架中間用于測量漏磁場的傳感器構成，其檢測原理如圖1所示。

圖1 脈沖漏磁檢測技術原理

當探頭對鋼板進行檢測時，脈沖激勵信號通入激勵線圈內，線圈產生的磁化場的磁力線被磁芯導入鋼板中。當檢測對象存在缺陷時，會在檢測表面形成一定的漏磁場，對漏磁場磁感應強度進行測量，以此來分析有關缺陷的信息。

在周期的矩形方波電壓信號的激勵下，矩形方波電壓信號的上升沿和下降沿產生的瞬變電流會在激勵線圈中產生瞬變的磁化場。磁場會在鋼板表面感應出瞬變的渦流，產生集膚效應［4］。對于激勵信號中最大幅值的基頻信號，垂直入射時滲透深度δ如下所示［5］：

式中f為信號頻率；μ為金屬導體的磁導率；σ為金屬導體的電導率。在不同磁化強度下，鋼板的磁導率是不同的，由B－H 曲線確定。脈沖漏磁檢測是局部磁化，對檢測鋼板表面局部的磁化強度越大，則磁導率也越大。由式（1）可知，越大的磁導率，由于集膚效應，磁場的滲透深度越淺，即渦流場產生的磁場對表面及近表面缺陷檢測結果影響較大。

國內的脈沖漏磁檢測系統多采用DDS或者單片機產生矩形方波電壓信號［6］，經過功率放大驅動激勵線圈。激勵電流的大小是影響磁化場的重要因素，由于模擬元件自身性質的限制，依靠模擬芯片產生的激勵電流強度小，對較厚鋼板的背面缺陷檢測分辨力不高。采用對低壓大電流電源進行斬波的方法產生激勵信號，可以提高激勵電流的強度，使缺陷漏磁信號的幅值變化明顯，在U型磁芯中間安置高靈敏度的霍爾傳感器，得到與缺陷尺寸相關的線性感應電壓信號。

2 系統構成

脈沖漏磁檢測系統主要由激勵源、探頭（由磁化器和霍爾傳感器組成）、信號調理模塊、數據采集模塊和PC機等組成，如圖2所示。

圖2 脈沖漏磁檢測系統示意圖

為使勵磁強度達到檢測10mm厚鋼板背面20%深度的缺陷，激勵源產生的激勵信號是采用信號發生器控制大功率 MOSFET管關斷，斬波（12 V／50A／600W）低壓大電流電源得到的周期性方波大電流低電壓信號。激勵線圈一端接在MOSFET管漏極，一端接在電源上。MOSFET管的關斷，使激勵線圈上產生周期性方波電壓激勵信號。激勵信號的頻率為20Hz，占空比為50%，幅值為12V。

探頭是脈沖漏磁檢測系統中的核心部分，針對10mm厚的鋼板試件，通過試驗研究，為檢測鋼板背面20%深度缺陷，采用的是基頻為20Hz的方波電壓信號，故選用適于低頻工作的硅鋼片作為磁芯，其尺寸規格為12.5mm×25mm×30mm。為通過足夠強度的激勵電流，選用0.75mm直徑的漆包線，纏繞在硅鋼片上200匝，探頭實物照片見圖3。

圖3 探頭實物照片

傳感器選用型號為SS94A1F的高靈敏度霍爾元件，靈敏度為25±5mV／GS，固定在U型骨架的中間，與檢測面平行，緊貼在檢測面，檢測與鋼板表面垂直，缺陷漏磁場法向磁感應強度。

信號調理模塊實現對傳感器拾獲的信號進行差分放大、濾除高頻噪聲。信號調理電路如圖4所示。

圖4 信號調理電路

霍爾傳感器拾取缺陷漏磁場磁感應強度后輸出相應的電壓信號，在10V的供電電壓下，檢測的磁場強度為0時，霍爾傳感器輸出恒定的直流5V電壓。為使缺陷漏磁場信號更明顯，電路中使輸出信號與直流電壓5V相減，再放大4倍到數據采集卡輸入電壓范圍內。放大的信號經過截止頻率約為20kHz的二階低通濾波器，輸送到數據采集模塊。

數據采集模塊采用的是NI公司的16位型號為PCI－1716數據采集卡，其最高采樣頻率為250kHz，檢測時選取了100kHz的采樣頻率。

圖5 Labview數據采集程序框圖

在PC機中，基于Labview軟件，依據PCI－1716數據采集卡提供的子VI接口，編寫了上位機程序，程序主要分為三個功能：① 缺陷漏磁信號波形和同步采樣波形的實時顯示和存儲。②缺陷漏磁信號電壓峰值和電壓谷值的同步采樣。③超過缺陷深度閾值的報警。Labview數據采集程序框圖如圖5所示。

當數據采集卡采集數據時，程序界面中實時地顯示缺陷漏磁信號電壓波形，同時保存信號波形幅值數據。在程序中通過截取固定長度的數據，選取其中的電壓峰值和谷值，并使每段數據的電壓峰值點相連、電壓谷值點相連，構成電壓峰值同步采樣曲線和電壓谷值同步采樣曲線。界面窗口中顯示同步采樣的曲線，同時保存同步采樣數據。在程序中對曲線的閾值進行設定，當同步采樣的電壓峰值或電壓谷值超過閾值時，檢測系統報警，警示燈發光，并停止檢測。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗結果

對刻有不同深度矩形溝槽的Q235材質鋼板進行檢測試驗。試驗鋼板尺寸為360mm（長）×200mm（寬）×10mm（厚），上面刻有寬為2mm，長為20mm，深度分別為2，4，6mm的矩形溝槽。當矩形溝槽開口向上時，用探頭在有矩形槽的面上檢測，此時檢測的是表面缺陷；翻轉鋼板，使矩形溝槽開口向下，在無缺陷面檢測時，稱之為檢測鋼板背面缺陷。

如前所述，斬波電源電壓得到的脈沖激勵信號頻率為20Hz，占空比為50%，幅值為12V，激勵信號的波形如圖6所示。

圖6 脈沖激勵信號

由于線圈是感性負載，當MOSFET管對直流電源電壓斬波時，如圖6所示，在激勵信號的下降沿處，產生了變化極快的反向尖峰電壓，幅值達64V，表明激勵信號下降沿處會產生很強的集膚效應。

已知鋼板上矩形溝槽位置情況下，使探頭沿著矩形溝槽軸向垂直的方向移動，找到漏磁信號幅值最大處，通過Labview采集程序存儲此處漏磁信號數據。根據存儲的周期漏磁信號幅值數據，提取不同深度矩形溝槽漏磁場一個周期電壓信號幅值如圖7所示。

圖7中縱坐標為信號電壓幅值，橫坐標為信號采樣時間，0，2，4，6mm代表矩形溝槽深度。

3.2 結果分析

3.2.1 信號峰值和谷值

由圖7（a）可見，無缺陷處電壓信號與表面矩形溝槽處電壓信號不同，無缺陷處電壓信號峰值小于有缺陷處，且谷值深度比有缺陷處小。通過比較不同深度表面矩形溝槽處電壓信號可知，隨著表面溝槽深度的增加，其電壓信號峰值隨之增加，電壓信號谷值幅度也增大，且表面矩形溝槽處電壓信號谷值幅度明顯大于無缺陷處信號。

由圖7（b）可見，無缺陷處電壓信號與背面矩形溝槽處電壓信號不同，無缺陷處電壓信號峰值小于有缺陷處。通過比較不同深度背面矩形溝槽處電壓信號可知，隨著背面矩形溝槽深度的增加，其電壓信號峰值隨之增加。背面矩形溝槽處電壓信號谷值隨深度不同而不同，但不同深度溝槽之間的谷值差別較小，背面矩形溝槽處信號谷值與無缺陷處信號的差別也很小，在圖中很難區分。

圖7中電壓信號谷值是由圖6所示激勵信號中下降沿反向尖峰電壓引起的，反向尖峰電壓變化陡峭，信號幅值可達64V。在對鐵磁性鋼板進行檢測時，由式（1）可知，幅值極大的信號電壓產生的集膚效應使磁場滲透深度非常有限：① 對表面矩形溝槽的檢測結果影響較大，如圖7（a）所示，表面矩形溝槽處漏磁信號具有很大幅度的谷值。② 對鋼板背面溝槽的檢測結果影響較小，如圖7（b）所示，背面矩形溝槽處電壓信號谷值變化不大，不同深度背面矩形溝槽處信號的谷值區別也不大。由于在鋼板上反復檢測使鋼板磁化，故在每次檢測前，都對鋼板進行退磁，使其剩磁強度保持在較小的范圍內，但是相對不同深度背面溝槽處微小的谷值變化還是造成了一定的干擾，故用谷值幅度區分背面缺陷是不可靠的。

3.2.2 信號峰值時間

在檢測中，對缺陷信號電壓峰值時間進行了提取（從周期電壓信號起始到信號電壓峰值的時間段稱之為峰值時間）。

如圖7（a）所示，表面矩形溝槽處的周期漏磁信號中，無缺陷處信號峰值時間為21.63ms，深度為2，4，6mm的表面矩形溝槽處信號峰值時間分別為22.09，22.05和21.85ms。通過比較可知：無缺陷處信號峰值時間要小于表面矩形溝槽處信號的峰值時間，表面矩形溝槽深度越深，其電壓信號峰值時間越短。

如圖7（b）所示，背面矩形溝槽處周期漏磁信號中，無缺陷處信號峰值時間為21.63ms，深度為2，4，6mm的背面矩形溝槽處信號峰值時間分別為23.16，23.41，23.94ms。通過比較可知：無傷處信號峰值時間要小于背面矩形溝槽處信號峰值時間，背面矩形溝槽深度越深，其電壓峰值時間越長。

3.2.3 信號過零時間

根據圖7中采集的數據，使表面矩形溝槽處電壓信號和背面矩形溝槽處電壓信號分別與無缺陷處的電壓信號作差，得到的不同類型、不同深度矩形溝槽處差分信號如圖8所示。

過零時間是指漏磁場有缺陷處漏磁電壓信號與無缺陷處電壓信號作差得到的差分信號，其電壓幅值為0V時對應的采樣時間。

由圖8（a）可知，深度為2，4，6mm 的表面矩形溝槽處電壓信號過零時間分別為24.82，24.78，24.75ms。通過比較可知：鋼板表面矩形溝槽深度越深，其漏磁場電壓信號的過零時間越短，但區別不明顯。

由圖8（b）可知，深度為2，4，6mm的背面矩形溝槽處電壓信號過零時間分別為25.28，26.48，29.37ms。通過比較可知：鋼板背面矩形溝槽深度越深，其漏磁場電壓信號的過零時間越長，并且不同深度的背面矩形溝槽處信號區分較明顯。

3.2.4 表面傷與背面傷的區分

如圖7所示，背面矩形溝槽處電壓信號谷值與無缺陷處區別不大，表面矩形溝槽處電壓信號電壓谷值幅度都遠大于無缺陷處信號的，故可用電壓信號谷值特征區分表面溝槽與背面溝槽缺陷。可通過信號谷值對缺陷進行判斷，區分出是表面還是背面缺陷，再通過其他參數特征去區分缺陷深度。用如圖6所示的激勵信號，在試驗鋼板上，檢測寬為2mm，長為20mm，深度為2mm鋼板表面矩形溝槽和深度為4mm的鋼板背面矩形溝槽，驗證信號谷值區分的有效性，檢測路徑上電壓信號峰值和谷值同步采樣曲線如圖9所示。

圖9中縱軸為電壓信號幅值，橫軸為信號在檢測過程中的同步采樣時間，2，4分別代表的是深度為2mm的表面矩形溝槽、深度為4mm的背面矩形溝槽處信號。圖9中的數據采集過程為：啟動數據采集程序，開啟脈沖激勵源，關閉脈沖源，停止數據采集程序。已知檢測的矩形溝槽位置，使探頭在鋼板表面水平移動，移動方向與矩形溝槽軸向垂直，沿溝槽左側無缺陷處，經過溝槽，到達溝槽右側無缺陷處。圖9所示為程序保存記錄的檢測路徑上傳感器輸出信號的峰值、谷值同步采樣曲線。

圖9（a）中所示2mm深表面矩形溝槽處信號谷值可達－1.74V；圖9（b）中所示，4mm深背面矩形溝槽缺陷信號谷值幾乎不變，為0.0156V。鋼板上下表面缺陷信號谷值不同的原因是：激勵信號中下降沿處瞬間幅值極大的反向尖峰電壓，產生的集膚效應對試驗中鐵磁性鋼板的表面缺陷處漏磁場信號影響很大，使表面溝槽缺陷漏磁場信號產生很大的谷值幅度，而對背面溝槽缺陷處影響很小，背面矩形溝槽信號谷值幾乎不變且幅度明顯小于表面的。綜上所述，在圖9中通過缺陷電壓信號谷值同步采樣曲線可清晰區分出鋼板上淺表面矩形溝槽和深背面矩形溝槽的信號。

4 結論

通過試驗和分析得出：漏磁信號峰值、峰值時間、差分信號過零時間反映出缺陷的不同深度；采用斬波大電流電源提供大電流激勵信號的脈沖漏磁檢測法，對10mm厚Q235鋼板的表面和背面缺陷都具有很好的檢測效果；檢測中鋼板上下表面缺陷信號的谷值區別很大，利用谷值同步曲線實現了兩種缺陷的區分，對工業檢測具有實際的參考價值。

［1］王韞江，王曉鋒.基于脈沖漏磁理論的管道腐蝕缺陷寬度定量技術［J］.測試技術學報，2009，23（5）：22－24.

［2］AliSophian，Gui Yun Tian，Sofiane Zairi.Pulsed magnetic flux leakage techniques for crack detection and characterisation［J］.Sensors and Actuators A，2006（125）：186－191.

［3］唐鶯，羅飛路，潘孟春，等.脈沖漏磁檢測管道技術的有限元分析［J］.無損檢測，2009，31（7）：513－579.

［4］楊賓峰，羅飛路.脈沖渦流檢測系統影響因素分析［J］.無損檢測，2008，30（2）：104－106.

［5］John W Wilson，Gui Yun Tian.Pulsed electromagnetic methods for defect detection and characterisation［J］.NDT ＆ E International，2007（40）：275－283.

［6］唐鶯，潘孟春，羅飛路，等.管道腐蝕檢測中的脈沖漏磁檢測技術［J］.計算機測量與控制，2010，18（1）：38－43.