渦流效應對脈沖漏磁檢測信號的影響

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(南京航空航天大學 多電飛機電氣系統工業和信息化部重點實驗室，南京 211106)

脈沖漏磁檢測技術(PMFL)結合了漏磁檢測技術[1]和脈沖渦流檢測技術[2]兩者的優勢，使用頻譜豐富的脈沖方波信號作為激勵。相較于傳統漏磁檢測技術而言，其可以分別通過時域和頻域分析漏磁信號，得到不同深度的缺陷信息，因而廣泛應用于鐵板、管道、軌道等導磁材料的缺陷檢測中[3-4]。

脈沖漏磁檢測探頭主要由磁芯、磁敏傳感器(如霍爾元件)和勵磁線圈組成，脈沖漏磁檢測原理示意如圖1所示。檢測時，勵磁線圈上加載脈沖方波電壓激勵，在被測樣本中形成脈沖磁場，當樣本存在缺陷時，缺陷附近的磁場會發生畸變，一部分磁場將穿出樣本表面形成漏磁場，使用磁敏傳感器可以檢測出這部分漏磁場并將其轉化成電壓信號[5-7]，從而實現對缺陷的檢測。

圖1 脈沖漏磁檢測原理示意

由于采用了脈沖方波激勵，樣本中的磁場強度會隨時間而改變，尤其是在激勵信號上升沿和下降沿處的變化最明顯。根據法拉第電磁感應定律，當閉合回路內的磁通量發生變化時，導體中將感應出電動勢，形成電流而阻礙磁通變化[8]。所以當磁場變化時，樣本中將會感應出渦流阻礙原磁場的變化，進而影響漏磁場的變化。渦流具有趨膚效應，渦流密度衰減到其表面值的1/e時的透入深度稱為趨膚深度[9]，其表達式為

(1)

式中：δ為趨膚深度;f為激勵頻率;μ為磁導率;σ為電導率。

可以看出，趨膚深度會隨著激勵頻率的增大而減小，所以檢測表面缺陷時往往采用高頻信號，而檢測內部缺陷時采用低頻信號。

筆者采用脈沖漏磁檢測技術，對表面加工有矩形槽缺陷的鋼板樣本進行檢測。為了研究渦流效應對漏磁場的影響，使用有限元分析軟件ANSYS Maxwell建立脈沖漏磁檢測的仿真模型,并觀察瞬態磁場與渦流的分布情況，分析渦流效應對漏磁場的影響。基于試驗檢測結果，對比分析了缺陷深度對脈沖漏磁檢測信號兩種特征值的影響。

圖2 脈沖漏磁檢測二維仿真模型示意

1 有限元仿真模型的建立

為了對比分析仿真與試驗結果，在仿真模型中設置與試驗系統相同的參數。選擇瞬態場作為求解類型，使用有限元分析軟件建立了脈沖漏磁檢測的二維仿真模型(見圖2)。鋼板長150 mm，高11 mm，表面有寬1 mm,深5 mm的缺陷；磁芯長74 mm，高33 mm，磁極寬14 mm；上下線圈截面的長寬分別為40 mm和5 mm。設置仿真邊界條件為氣球邊界，表示磁場是一個開域，在無限遠處磁場強度為零。設置線圈材料為銅；磁芯材料為鐵氧體，相對磁導率為150，電導率為0.01 S·m-1；鋼板樣本材料為45鋼，電導率為4×106S·m-1，初始磁化特性曲線(B-H曲線)如圖3所示(B為磁感應強度，H為磁場強度)。

圖3 45鋼初始磁化特性曲線

ANSYS Maxwell軟件具有自適應的網格剖分功能，但是其初始網格較為粗糙，為了提高仿真分析結果的精確度，需對檢測模型進行手動剖分。如圖2所示，在缺陷正上方建立長10 mm，寬5 mm的加密區進行單獨加密剖分以提高漏磁場計算的精度。選擇基于內部的剖分方式，設置線圈、磁芯、鋼板、加密區和空氣域剖分網格的最大邊長分別為2，2，1，0.1，5 mm，仿真模型剖分結果如圖4所示。由圖4可以看出，主磁場回路與漏磁場回路所經過區域的網格剖分非常精細，有利于精確計算磁場大小與分布情況。設置激勵線圈匝數為600，將上下線圈設置成一個繞組，并在繞組上施加10 V的階躍電壓激勵，線圈的電阻、電感與所施加的激勵參數設置如圖5所示。設置仿真的總時長為250 ms，時間步長為5 ms。

圖4 仿真模型剖分結果

圖5 線圈的電阻、電感與所施加的激勵參數設置

2 仿真結果分析

2.1 渦流對激勵的影響

在仿真中使用階躍電壓作為漏磁檢測的激勵源，0時刻激勵電壓階躍上升，激勵電流快速增大，此時缺陷處的漏磁場也將迅速變大，與使用脈沖激勵信號時漏磁場的變化情況相同。隨著磁場強度的快速上升，被測鋼板樣本中感應出了電渦流，阻礙了磁路中瞬態磁場的迅速變化。

通過建立考慮渦流效應和不考慮渦流效應兩組仿真模型，對比分析了感生電渦流對勵磁電流的影響，每隔5 ms記錄一次仿真結果，所描繪的激勵電流波形如圖6所示。仿真結果顯示了在開始階段考慮渦流效應模型的激勵電流上升得更快，這是由于在0時刻激勵電壓發生突變，樣本內部的激勵磁場強度也快速增大，從而引起了很強的渦流效應。根據電路理論分析可知,渦流回路的等效電感較大，使得整個電路的等效阻抗在0時刻瞬間相對于沒有渦流效應時的等效阻抗偏小，所以在0時刻后的一小段時間內，考慮渦流效應模型的激勵電流增大較快。同時，因為渦流的產生阻礙了激勵磁場的變化，所以相比較而言，考慮渦流效應模型中的磁場到達穩態的時間更長，而不考慮渦流效應模型的激勵電流將先達到穩態。

圖6 激勵電流波形

2.2 鋼板內部磁場和渦流分布

由仿真得到鋼板內磁感應強度在不同時刻(10,30,50,150,200 ms)的分布如圖7所示。開始階段(10,30 ms)磁場變化非常明顯，并且磁場集中分布在鋼板樣本的上表面，在缺陷下方材料連續處的磁感應強度最大。隨著激勵電流趨于穩定(150,200 ms)，磁場變化減緩，呈現外擴的趨勢，并逐漸分布在整個鋼板樣本內部，進入穩態。

圖7 不同時刻鋼板內部磁感應強度分布

圖8 不同時刻鋼板內部渦流的分布

由仿真分析結果得到不同時刻鋼板內部渦流的分布如圖8所示。由于渦流只存在于磁場產生變化的區域，所以渦流分布與圖7中磁場的分布相似。開始時(5 ms)渦流集中分布在鋼板樣本的上表面，并且越靠近表面處渦流密度越大，隨后由于磁場的擴散，渦流的分布范圍也隨之增大。在20 ms前，由于激勵電流快速上升，磁場變化劇烈，因而感生渦流逐漸增強；隨著時間的推移，勵磁電流的上升速率減小，磁場變化減緩，渦流隨之減小；在100 ms時，激勵電流和磁場趨于穩定，渦流幾乎完全消失。

2.3 渦流效應對漏磁場的影響

仿真分析鋼板樣本中渦流效應對缺陷漏磁場的影響，缺陷正上方1 mm處漏磁感應強度隨時間的變化如圖9所示。考慮渦流效應模型的缺陷處漏磁場在0時刻后一段時間內存在明顯的過沖信號，隨后緩慢下降趨于穩定，而不考慮渦流效應模型的漏磁場隨時間單調上升至穩態值的情況。這是由于鋼板樣本內部的感生渦流阻礙了原磁場的變化，所以鋼板內部磁阻增大，通過鋼板的磁場相對減小，漏磁場有所增強；隨著渦流減小并逐漸消失，鋼板的磁阻也逐漸減小，通過鋼板的磁場有所增強，漏磁場隨之減小。仿真結果表明，漏磁檢測信號在該模型條件下存在一個大約100 ms的過沖現象，之后趨于穩定。

圖9 缺陷正上方1 mm處漏磁感應強度隨時間的變化

圖10 不同磁場激勵情況下漏磁信號隨時間的變化

為了分析不同大小的磁場激勵對脈沖漏磁信號的影響，分別改變激勵磁芯的相對磁導率μr和激勵電壓U，仿真分析不同磁場激勵情況下漏磁信號隨時間的變化如圖10所示。其中，圖10(a)的激勵電壓U為10 V，磁芯μr分別為150，300，450，600；圖10(b)的磁芯μr為150，激勵電壓U分別為10，20，30，40 V。仿真結果表明，當激勵磁場相對較弱時(μr較小或U較小)，漏磁信號波形在激勵信號0時刻后存在短暫的過沖現象，隨后緩慢下降至穩態，且穩態值較小;而當激勵磁場相對較強時(μr較大或U較大)，脈沖漏磁信號單調上升。因為鋼板內感生渦流的存在增大了漏磁場的變化率，所以在開始階段信號上升較快，之后一段時間內上升速率先減小后增大，最后緩慢達到穩態，且穩態值也更大。通過對仿真結果的分析表明，在磁場激勵較小的情況下，渦流效應對漏磁信號的影響較大，漏磁信號先上升后下降直至穩態，存在過沖現象；而在磁場激勵較大的情況下，漏磁場本身更強，渦流效應對漏磁信號的影響較小，漏磁信號單調上升直至穩態，不存在過沖現象，并且漏磁信號的穩態值隨著激勵磁場的增大而增大。

圖11 脈沖漏磁檢測試驗平臺組成

3 試驗結果分析

搭建了脈沖漏磁檢測試驗平臺，平臺由U型檢測探頭、功率放大電路、信號調理電路、數據采集模塊和基于LabVIEW的虛擬儀器組成(見圖11)。通過LabVIEW編寫的虛擬儀器程序與數據采集模塊進行通信，發出的脈沖電壓信號經功率放大電路放大后施加在勵磁線圈上，同時霍爾傳感器將采集到的漏磁場信號轉化為電壓信號，經過去偏置和濾波后傳輸到虛擬儀器上以便存儲與分析。勵磁探頭采用的磁芯材料相對磁導率μr為150，激勵電壓為10 V，其他參數均與仿真參數一致。被測鋼板樣本表面加工凹槽模擬裂紋缺陷，缺陷寬度為1 mm，深度分別為2，5，7 mm。

以缺陷中心線為0 mm位置，探頭沿著垂直于缺陷延伸方向從-10 mm移動到+10 mm，每隔0.5 mm檢測一次，保存漏磁檢測信號。在0.5 mm位置處檢測得到的3種不同深度缺陷的漏磁場信號波形如圖12所示。由圖12可知，3種不同深度缺陷的漏磁場在一開始都存在過沖信號，隨后緩慢下降到穩態，并且缺陷深度越大，檢測信號的峰值越大，穩態值也越大。試驗結果表明，當激勵磁場較弱時，漏磁檢測信號存在過沖現象，與仿真結果一致。

圖12 0.5 mm位置處的3種不同深度缺陷的漏磁場信號波形

圖13 漏磁檢測信號特征值與位置關系曲線

從檢測信號波形可以看出，漏磁信號的峰值和穩態值受缺陷深度影響明顯，因而將峰值和穩態值作為評估缺陷參數的兩個特征值，分別繪制出漏磁信號的峰值和穩態值隨檢測位置變化的曲線(見圖13)。可以看出，兩個特征值隨檢測位置變化的趨勢一致，相比于穩態值信號而言，峰值信號的變化幅度更大，且隨著缺陷深度的增加，漏磁信號特征值隨檢測位置變化曲線的峰-谷值逐漸增大。

分析圖13中兩種特征值信號的峰-谷值與缺陷深度之間的變化關系(見圖14)。在所檢測的缺陷深度范圍內，兩種特征信號的峰-谷值隨著缺陷深度的變大均成比例地增大。穩態值信號幾乎呈線性增大，變化幅值相對較小。而峰值信號的變化幅值較大，更有利于對缺陷進行量化評估，并且在深度較小時變化斜率更大，對深度的分辨率就更高。因為脈沖漏磁檢測時鋼板內感生的渦流主要集中在上表面區域，所以較淺處缺陷對渦流的影響更大，漏磁信號的變化幅值也更大。因而,當激勵磁場較小時，基于脈沖漏磁信號的峰值特征更有利于缺陷深度的量化評估。

圖14 兩種特征信號的峰-谷值與缺陷深度的關系

4 結語

當激勵磁場較小時，渦流效應對漏磁場的影響較大，漏磁信號存在過沖現象；當激勵磁場較大時，渦流效應對漏磁場的影響較小，漏磁信號單調上升至穩態，不存在過沖現象。搭建了脈沖漏磁檢測試驗平臺進行檢測試驗，試驗結果和仿真分析結果相一致。研究了當激勵磁場較小時應用漏磁信號的峰值和穩態值作為特征值量化評估缺陷深度的方法，對比分析表明，基于脈沖漏磁信號峰值特征的缺陷深度量化評估具有更高的精度。

參考文獻：

[1] 林俊明. 漏磁檢測技術及發展現狀研究[J]. 無損探傷，2006，30(1)：1-5.

[2] 武新軍，張卿，沈功田. 脈沖渦流無損檢測技術綜述[J]. 儀器儀表學報，2016，37(8)：1698-1712.

[3] 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)：38-39,43.

[4] 熊龍輝，王平，齊婧，等. 高速漏磁檢測中鋼軌磁化強度的研究[J]. 無損檢測，2013，35(11)：2-6,10.

[5] JOHN W W，TIAN G Y. Pulsed electromagnetic methods for defect detection and characterization[J]. NDT&E International，2007，40(4)：275-283.

[6] SOPHIAN A，TIAN G Y，ZAIRI S. Pulsed magnetic flux leakage techniques for crack detection and characterization[J]. Sensors and Actuators A，2006，125(2)：186-191.

[7] 任吉林，林俊明. 電磁無損檢測[M]. 北京：科學出版社，2008：290-291.

[8] 費駿骉，左憲章，田貴云，等. 脈沖漏磁檢測中的渦流效應[J]. 無損檢測，2012，34(2)：5-10.

[9] 吳德會，游德海，柳振涼，等. 交流漏磁檢測法趨膚深度的機理與實驗研究[J].儀器儀表學報，2014，35(2)：327-336.