基于漏磁檢測新型探頭研制

冀 勛，鄭 賓，郭華玲

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室, 太原 030051)

無損檢測技術能夠在不破壞產品的情況下對損傷和缺陷進行有效檢測，是確保產品生產質量和使用可靠性的重要環節[1]。而漏磁檢測是基于磁化被測體并對鐵磁材料表面或近表面缺陷泄漏磁信號檢測的方法，由于其對缺陷檢測的靈敏度高、對工件要求低、檢測速度快、成本低等優點，被廣泛用在鐵磁性材料的無損檢測中[2]，針對目前技術對微裂紋的檢測靈敏度較低的基礎上，因此設計一種靈敏度高的微裂紋檢測探頭具有十分重要的意義。

對于檢測靈敏度的提升涉及激勵磁場、漏磁通和樣品中缺陷之間的復雜相互作用，為了增加傳感器的靈敏度，國內外學者通過大量試驗進行優化，包括理論模型的搭建計算和仿真、磁軛結構的設計、接收傳感器和系統參數仿真設計等。其中國內學者康宜華團隊[3-4]利用有限元仿真方法建立了脈沖檢測模型，通過對激勵參數和試件電磁參數的研究分析對檢測的影響，還包括重復頻率、占空比及邊沿斜率等激勵參數對檢測信號的影響；提出了一種新穎的微磁橋探頭[5]，通過有限元分析和實驗驗證磁橋探頭的檢測能力，并將漏磁軸承的檢測能力提高到了微米級。Yu Chang[6]通過優化仿真模型磁軛的結構及磁屏蔽的鐵磁樣品漏磁場測試參數，以揭示激勵系統中結構對探測的影響，包括磁軛的幾何形狀和尺寸、線圈的長度和位置。楊理踐[7-8]通過對傳感進行了改進，該系統具有檢測速度快、效率高等特點。并對油氣管道漏磁檢測的信號進行數字處理，對提高精度取到一定成效。

國外學者Gwan[9]在對多種結構傳感器進行仿真的基礎上，提出了一種新型結構的MFL傳感器，從而減低了背景噪聲對漏磁信號的磁場壓縮，提高了缺陷信息的準確性，并且實現了對較厚的樣品進行遠端缺陷檢測，提高了近表面缺陷檢測的靈敏度。Singh[10-11]用三維有限元仿真進行建立模型，研究了磁阻傳感器陣列的磁化結構、線圈間距、激勵電流對信號的影響，實驗表明，合適的激勵參數使MFL系統檢測信噪比提升了6 dB。Catalin[12]建立了長度解析模型，利用漏磁場分量的極值位置對缺陷進行定量評價，可以對缺陷進行更精確的反演。上述學者的研究成果對漏磁檢測技術起到不同程度的促進作用，尤其是文獻[5]設計的新型檢測探頭具有較好的借鑒意義，但作者認為其磁軛容易磁飽和，因此通過改善結構實現對檢測靈敏度的提升。

本文針對實際檢測環境，探討并對樣品缺陷的磁感應強度分布、特征信號等參數進行了參數化有限元分析，得出了探頭結構設計和參數之間的規律，從而提出一種新型的漏磁檢測探頭，并通過實驗證明檢測效果良好。

1 漏磁檢測系統

1.1 基本原理

漏磁檢測是基于激勵線圈纏繞磁軛形成磁回路然后對被測鐵磁材料進行勵磁時，若被測金屬材料材質均勻、連續，材料中的磁感應線將束縛在材料中，試樣的磁路中的磁通量不變，此時被測件表面無漏磁。若被測試樣品中存在缺陷，則被測金屬試樣的磁阻將發生變化，由于缺陷磁導率很小，磁阻增大，使一部分磁通泄漏到表面上空，從而形成漏磁場，然后用霍爾元件或者檢測線圈將信號進行拾取[13]。

檢測線圈的磁路中的磁通量的變化，如式(1)所示：

(1)

其中，W為磁通變化穿過線圈的匝數；φ為線圈的磁通量(Wb)。金屬試樣上的剩磁磁通分布依次被檢測探頭拾取，漏磁通過具有高導磁率的探頭內部軟鐵芯，鐵芯中的磁通使纏繞在線圈兩端產生變化的感生電勢。磁通量泄漏可以由磁場傳感器監測，通過處理可以提供關于缺陷的位置和尺寸的信息，在某些情況下還提供缺陷的形狀。

1.2 激勵單元

激勵單元由U型磁軛和勵磁線圈組成，勵磁線圈用于產生磁場，U型磁軛用于形成磁回路。信號發生器輸出的交變信號經功率放大器放大后輸出，驅動勵磁線圈產生磁場。勵磁線圈匝數為300匝、線徑為0.7 mm，驅動電壓為12 V，頻率為50 Hz，激勵單元示意圖如圖1所示。

圖1 激勵單元示意圖

1.3 檢測單元

檢測單元用于拾取漏磁信號，常用的漏磁檢測系統多采用霍爾或新型磁阻(TMR)傳感器，通過拾取磁信號進行檢測。本實驗設計的新型磁橋結構檢測單元采用匝數為 1 500、線徑為0.2 mm的線圈繞制磁軛組成，線圈位于磁軛磁極之間的等距位置，并利用屏蔽殼抑制泄露磁通，其結構圖和實物圖如圖2、圖3所示。探頭體積影響檢測靈敏度，但靈敏度的提升是以空間分辨率為代價。由圖2、圖3可見，環形磁軛兩側饒有勵磁線圈，在磁軛的末尾開有縫隙，傳感器外部整體加有屏蔽線圈，其中線圈的兩端一端接地，一端接至前置放大器輸入端，置于磁化器鐵芯中部。探頭設有寬大的后縫隙，可以避免環形鐵芯過早的達到磁化飽和，以防止由于鐵芯磁飽和引起檢測誤差，后縫隙的存在也使環形鐵芯自行去除剩磁，從而最大限度地減小磁化噪聲[14]。

圖2 磁橋式漏磁檢測探頭結構示意圖

圖3 磁橋式漏磁檢測探頭實物

探頭工作表面愈近，縫隙處的磁場愈強，縫隙附近的磁場變化也愈陡，探頭工作表面愈遠，縫隙處的磁場越弱，磁場變化也越緩慢。傳感器的鐵芯可以與被測表面緊密接觸，從而減小提離值，可以捕獲更多漏磁，減小兩側間距可以獲得更高的空間分辨率，該傳感器可以對微裂紋具有更好的靈敏度和分辨率，

1.4 新型探頭對比驗證

與其他霍爾傳感器不同，該傳感器既可以實現緊密接觸測試表面而不怕磨損，進而可以實現微乎其微的提離值，可以擁有更高的檢測精度，擁有相較高的靈敏度，可實現微米級的裂紋檢測。

以下是3種常用傳感器和磁橋漏磁探頭的對比結果，可以看出，檢測線圈的靈敏度遠遠高于其他傳感器，更高信噪比和對缺陷的反映能力，能夠更好地捕捉漏磁信號。針對相同的檢測條件，其幅值曲線如圖4所示。

表1 磁敏傳感器的輸出特性

圖4 TMR傳感器和線圈峰值曲線

磁橋漏磁探頭由于采用高磁導率的鐵磁性材料，會降低漏磁的丟失，具有穩定性強，、硬度高、耐腐蝕等優點；可以提高轉換效率，對改善探頭的頻率響應和提高信噪比有明顯的提升；材料矯頑力小，探頭剩磁小，在長時間工作不會過早的磁飽和，從而影響檢測效率，并且增加探頭的使用壽命；具有較高的靈敏度，對微弱可以信號更好的捕捉。

2 系統模型仿真

通過建立傳感器的磁軛仿真計算模型，可以更加精確的設計傳感器。本次實驗參數最后確定為勵磁線圈匝數為300匝，線徑為0.7 mm，樣品電導率為8.4×10 S/m，相對磁導率為129，長度為100 mm，厚度為10 mm。缺陷寬度為 5 μm，深度為3 μm。邊界條件假設網格單元的磁絕緣最小尺寸0.5 mm。圖5為ANSYS分析試件的三維磁感應強度矢量圖。

圖5 三維磁感應強度矢量圖

由圖5可知，磁感應強度在磁軛周圍都有一定的能量損失，可以通過對磁軛進行屏蔽材料包裹來減少磁通的損失。試件和磁軛形成磁回路，尤其是中心裂紋處磁感應強度更加明顯，因此探頭放置在試件中心位置有兩個作用[15]:① 減少背景磁場的干擾；② 接收更多的漏磁信號。當線圈通以幅度為2 A，頻率為50 Hz交變電流時，試件表面磁場在方波電壓激勵下的變化分別如圖6(無缺陷模型)、圖7(缺陷模型)所示，可見缺陷使得試件表面磁場產生不連續突變，可以通過檢測探頭來識別突變，就可以準確辨別裂紋的位置大小等相關信息。

圖6 無缺陷模型

圖7 缺陷模型

3 屏蔽設置

屏蔽層厚度對MFL測試性能的影響，屏蔽層可以屏蔽接收探頭和激勵磁軛之間的磁力場，可以使檢測探頭更加精確地檢測信號。當電磁波穿過屏蔽體，把透射波在金屬板內傳播過程中被衰減的部分成為吸收損耗。電磁波衰減為原始強度1/e或37%時所傳播的距離成為趨膚深度，吸收損耗用分貝表示：

(2)

(3)

式中：A為吸收損耗；t為金屬般的厚度(mm)；μr為金屬板的相對磁導率；σr為金屬板的相對電導率；f為電磁波頻率(Hz)；δ為集膚深度(mm)。

隨著屏蔽材料厚度的增加，吸收損耗越大；屏蔽材料的磁導率越高，吸收損耗越大；屏蔽材料的電導率越高，吸收損耗越大；被屏蔽電磁波的頻率越高，吸收損耗越大。

使用磁強計進行實驗來研究屏蔽層厚度的影響。屏蔽層的厚度為0、0.15、1.05和3.00 mm。圖8顯示了離缺陷中心最遠的位置處的相對磁通密度與屏蔽層厚度的關系，由圖8所示相對背景磁通密度隨著屏蔽層厚度的增加而減小，因此屏蔽層的優選厚度為3.00 mm。

圖8 屏蔽層不同厚度的相對背景磁場曲線

4 驗證

漏磁檢測系統由試樣、放大器電路、信號發生器、功率放大器、示波器和漏磁探頭組成，檢測到的信號最終被傳輸到示波器或采集卡，如圖9所示。信號發生器用于產生激勵交流信號，其頻率為50 Hz，幅度為3 V。信號被功率放大器放大，然后被饋送到環繞軛頂梁的激勵線圈。檢測探頭用于拾取漏磁信號，位于磁軛磁極之間的等距位置，并被配置測量漏磁磁場的切向分量。檢測到的信號最終被傳輸到示波器，然后用Matlab進行讀取曲線。

當開始檢測時，將激勵探頭置于裂紋正上方，調節信號發生器和功率放大器來充分磁化被測試樣，將探頭沿著試樣緩慢勻速并垂直于裂紋方向運動掃描，并保持緊貼著樣板。被測樣品照片如圖10所示，試件材料為Q235-A,對試件進行了線切割，從圖中可以明顯看出，表面帶有雜質不純凈，新型檢測探頭總能緊貼著接觸測試表面，并且這種探頭可以檢測熱軋鋼管等粗糙表面的裂紋。試樣厚度為10 mm，由5個微裂紋組成，其中裂紋1～5的長度都為6 mm，寬度均為20 μm，深度分別為50 μm、60 μm、70 μm、40 μm和20 μm。檢測探頭位于激勵U型磁軛置于正下方兩極等距處和裂紋正上方并垂直于平面，掃描路徑與缺陷平行，試件表面粗糙度(Ra)大于1 μm大，圖11為5條等間隔裂紋進行探測的幅值圖，信號的信噪比較高。

圖9 漏磁檢測實驗系統

圖10 帶有裂紋的金屬試樣

由圖11可知，缺陷深度越大，測量到的信號越大，驗證了該新型傳感器檢測微裂紋的優異性能，新型傳感器大大提高了MFL的測試能力。

圖11 被測試件微裂紋的MFL信號

5 結論

提出了一種新型漏磁檢測探頭，采用有限元對電磁系統進行了建模仿真，通過對其屏蔽設計分析，設計出最佳的傳感器屏蔽系統。通過建立系統實驗發現，對裂紋深度為20 μm和寬20 μm的微裂紋識別度高，表明該傳感器具有高信噪比、高靈敏度檢測缺陷的能力，應用前景良好。