基于脉冲漏磁的缺陷量化评估

许　鹏， 黄　俊， 朱励历

(南京航空航天大学 江苏省新能源发电与电能变换重点实验室， 南京 210016)



基于脉冲漏磁的缺陷量化评估

许鹏， 黄俊， 朱励历

(南京航空航天大学 江苏省新能源发电与电能变换重点实验室， 南京 210016)

脉冲漏磁检测是一种以脉冲信号作为激励源的漏磁无损检测新方法，广泛应用于钢材等铁磁性材料的检测中。分析了基于霍尔传感器的脉冲漏磁检测方法，并搭建了脉冲漏磁检测系统，应用Labview开发软件设计了检测平台，用于采集在脉冲激励下传感器检测裂纹缺陷的漏磁信号。通过试验检测了多个加工有不同裂纹缺陷的钢板样本，根据检测信号的峰值大小和峰-峰值间距对缺陷的宽度和深度参数进行了有效的量化评估。

脉冲漏磁检测； 霍尔传感器； 裂纹缺陷检测； 量化评估

漏磁检测技术[1-2]具有非接触、易实现、检测效果显著等优点，常应用于铁磁性材料的缺陷检测中。脉冲漏磁检测技术(Pulsed Magnetic Flux Leakage，PMFL)结合了漏磁检测技术和脉冲涡流检测技术[3-4]的优点,其与传统漏磁检测技术最大的区别在于励磁方式上的差异，即采用了频谱丰富的脉冲信号作为励磁。对铁磁性材料检测时，脉冲漏磁检测技术[5-7]能获得更多的缺陷信息,利用这些信息可对缺陷的特征进行更可靠地判断。

笔者采用漏磁检测技术，对带有矩形槽表面缺陷的钢板进行检测。利用大功率放大器作为脉冲激励源对检测探头进行励磁，运用labview软件平台[8-9]编写检测程序，对霍尔传感器的输出信号进行数据采集、储存、显示。对不同钢样本的多组检测数据进行分析，根据输出信号的峰-峰值间隔距离和峰值的幅值大小对缺陷的宽度和深度进行量化估计。

1　脉冲漏磁检测原理

脉冲漏磁检测时,励磁线圈被缠绕在高磁导率的U型磁芯上，在励磁线圈上施加脉冲激励信号，对铁磁性材料进行磁化。由于铁磁性材料的磁导率很大，而其它非铁磁性材料如空气的磁导率要远远小于铁磁性材料，如果铁磁性材料不存在缺陷，大多数的磁力线将通过铁磁性材料。若铁磁性材料存在缺陷，缺陷处磁阻增大，磁力线将在缺陷处发生折射，方向发生改变，一部分泄漏出铁磁性材料表面，形成漏磁场[10-11];利用传感器将漏磁场转化为电信号，通过对电信号的分析可获取缺陷的深度、宽度等信息[12]。

脉冲漏磁检测的脉冲激励信号g(t)周期为T，占空比为Δ，幅值为V，对g(t)进行傅里叶变换可得，

(1)

(2)

(3)

式中:A0为偏置量;An为幅值;f1为频率;ω1为角频率;T为周期;φn为相位。

从式(1)可看出,脉冲漏磁检测具有丰富的频谱信息，可以获得更多关于缺陷特征的信息。 同时，在脉冲激励的上升沿和下降沿时刻会产生瞬变的磁场，从而在被测体表面感应出涡流，产生趋肤效应，趋肤深度的表达式如下[6]：

(4)

式中:δ为趋肤深度;f为脉冲激励频率;μ为磁导率;σ为电导率。

可看出，当μ和σ一定时,减小脉冲激励频率，能够提高趋肤深度;如果对近表面缺陷进行检测,可适当提高脉冲激励频率。

2　脉冲漏磁检测系统

脉冲漏磁检测系统主要由检测探头(由励磁系统和霍尔传感器组成)、脉冲激励源、信号调理电路、USB数据采集模块、计算机构成，系统框图如图1所示。

图1　脉冲漏磁检测系统框图

由于在脉冲激励上升沿、下降沿时刻存在丰富的高频信号，为了减小磁芯自身涡流效应对检测结果产生的影响，检测系统采用U型铁氧体材料作为磁芯，用直径0.5 mm漆包线在磁芯上缠绕600匝作为激励线圈。探头的实物如图2所示。

图2　脉冲漏磁检测探头实物图片

应用固体集成式霍尔传感器检测漏磁信号，其内部集成Hall传感器及放大电路。激光修正薄膜电阻具有较高的灵敏度,经过温度补偿后具有低功耗、线性响应、宽工作温度和宽输入电压等特点。传感器固定在U型骨架的中心位置，靠近检测表面并与检测面平行，可检测缺陷处垂直于表面方向的漏磁场的磁感应强度。

检测系统的脉冲信号由USB数据采集模块数字接口提供，由于USB数据采集模块数字接口的最大驱动电流为4 mA、最大输出电压为+5 V，不能满足探头励磁系统的功率需求，因此必须采用功率放大器对脉冲信号进行功率放大。功率放大器输出的脉冲激励频率为0.5 Hz，电压为0～15 V的方波信号，最大输出功率达到500 W。大功率的脉冲源可以提高励磁系统的激励电流强度，使缺陷漏磁信号的幅值变换更为明显。

信号调理电路能实现对霍尔传感器输出信号的放大和滤波功能，原理如图3所示。运放型号是TI公司的OPA2374，用+5 V单电源供电。当霍尔传感器检测到漏磁场时输出相应的电压信号，在5 V供电电压下，检测到磁场强度为0时，霍尔传感器输出2.5 V直流电压。为了使检测效果更加明显同时防止运放因增益过大出现输出饱和，调理电路使霍尔传感器的输出信号放大7,8倍，放大信号经过截止频率约为5.5 kHz的二阶低通滤波器，输送到数据采集模块。

图3　信号调理电路原理图

数据采集模块采用的是NI公司基于USB总线的USB6009 14位数据采集卡，其可同时采集8路模拟信号，并配有12路数字I/O接口，最高采样频率为48 kHz，检测时选取了20 kHz的采样频率(每秒钟采集20 k个数据点)。

在计算机中，基于Labview开发平台编制脉冲漏磁检测程序，包括脉冲信号输出程序、数据采集滤波储存程序、数据回放程序。分别实现三个功能：① 控制数据采集卡输出频率可调的脉冲信号。② 采用数据采集卡上升沿触发采样功能，对漏磁检测输出信号进行同步采样，并对采集的数据进行数字滤波，以文本格式保存数据同时显示采样波形。③ 读取已经储存的多组数据，在同一坐标系中同时显示多组采样波形，分别输出每组采样波形的峰值时间和峰值电压值。

图4　数据采集滤波储存程序界面

图4是数据采集滤波储存程序界面，通过程序界面可设置数字滤波器的类型、滤波器的截止频率、滤波器阶数、波形数据的储存地址、数据采集通道、同步采样触发信号类型、采样频率和采样点数等参数。程序开始运行时,首先根据用户配置的参数对数据采集卡进行初始化;在脉冲激励上升沿时刻数据采集卡检测到同步采样触发信号时，开始对选定的采集通道进行采样，当采样点数达到用户设定的采样点数时采集卡停止采样;数字滤波器对采样数据进行滤波，经过滤波的数据以文本格式储存到电脑硬盘中同时被示波器显示，程序完成一次采样。如果要进行新一轮的采样，按开始采样按钮，数据采集卡会在脉冲激励上升沿时刻开始采样。

3　试验结果及分析

检测系统采用的是0.5 Hz的方波脉冲激励。试验铁磁性材料选用45钢板，一共6块，钢板的尺寸为150 mm×150 mm×11 mm(长×宽×高)。缺陷为矩形沟槽,位于每块钢板的中心。其中,三块钢板缺陷宽度均为1 mm,深度分别为2,5,10 mm;其他三块钢板缺陷宽度均为2 mm,深度分别为2,5,10 mm(缺陷长度为150 mm,由于检测方向垂直于缺陷长度方向,故缺陷长度对测量结果无影响)。试验时，将霍尔传感器中点与缺陷中线对齐，以0.5 mm的步长依次向缺陷的左侧、右侧垂直于缺陷移动5 mm，传感器每移动一个步长测试一次数据，并将测试数据文件储存。

3.1裂纹缺陷宽度的评估

图5是传感器到缺陷中线的距离与传感器输出电压值的关系图，图中横坐标是传感器中心到缺陷中线的距离，传感器位于缺陷左侧时用负值表示传感器与缺陷的距离，反之在右侧时取正;纵坐标为传感器在距离缺陷中线不同距离时输出信号的峰值或谷值。从图5可看出,缺陷的宽度会影响输出信号峰-峰值的间距，缺陷的宽度为1 mm时，输出信号峰-峰值距离大约2 mm;缺陷宽度为2 mm时，输出信号峰-峰值距离大约3 mm。而且当钢板缺陷宽度一致时，输出信号峰-峰值间距也是固定的，不会随着缺陷深度的变化而变化。缺陷宽度越大，采样曲线的峰-峰值间距越大，且峰-峰值间距增量约等于缺陷宽度的增量，因此可利用这个特征来评估缺陷的宽度。

图5　传感器到缺陷中线的距离与输出电压的关系曲线

图6　不同缺陷深度下,缺陷宽度对输出信号的影响

为了考察在相同的缺陷深度下，不同缺陷宽度对传感器输出的影响，取图5中每条裂纹曲线峰值点对应的采样数据进行比较，并绘制成曲线如图6所示。图6中横坐标为采样时间，在脉冲激励上升沿时刻开始计时采样。由图6可看出,如果缺陷深度一致，输出电压峰值随缺陷的宽度增加而变大，但是增幅不大，图6中每幅图中两条曲线的峰值差值分别为39,27,37 mV。如果通过输出电压峰值来判断缺陷的宽度,效果不是很理想。

3.2裂纹缺陷深度的评估

取图5中每条裂纹曲线峰值点对应的采样数据进行比较绘制成曲线，如图7所示。图7(a)中四条曲线从上到下依次对应的峰值电压值为777,505,209,18 mV。图7(b)中四条曲线从上到下依次对应的峰值电压值为814,532,248,18 mV。通过对比发现，同一宽度的缺陷，在不同缺陷深度下输出信号的峰值是不同的。缺陷越深，输出电压信号峰值越大，传感器输出电压信号变化明显，利用传感器输出电压峰值可以对缺陷深度进行评估。

图7　不同缺陷宽度下,缺陷深度对输出信号的影响

4　结论

脉冲漏磁检测技术可以对钢板缺陷的宽度和深度进行有效评估:

(1) 通过输出电压峰值来判断缺陷宽度的效果不理想，利用采样曲线的峰-峰值间距可对缺陷的宽度进行评估，缺陷宽度越大，采样曲线的峰-峰值间距越大，且峰-峰值间距增量大约等于缺陷宽度的增量。

(2) 确定了缺陷的宽度之后,利用采样曲线的峰值电压可对缺陷的深度进行评估，宽度一致深度不同的缺陷在峰值点的电压是不同的，缺陷越深，输出电压信号峰值越大，传感器输出电压信号变化明显。

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The Method of Defect Quantitative Estimation Based on Pulsed Magnetic Flux Leakage

XU Peng, HUANG Jun, ZHU Li-li

(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Pulsed magnetic flux leakage testing is a new magnetic leakage flux nondestructive testing method which regards the pulse signal as an excitation source. Recently it has been widely used in the testing of ferromagnetic materials such as steel to promise the security of production and transmission, so that the economic loses can be cut down. In this paper, a pulsed magnetic flux leakage testing method based on hall sensor is proposed and a system of pulsed magnetic flux leakage testing is built up. Furthermore, a testing platform based on Labview is designed to collect magnetic flux leakage signals of the crack defects by sensor under pulse excitation. Several plate samples with different machining crack defects are tested through experiments. In the experiment, quantitative estimations of width and depth parameters of crack defects based on peak values and peak-peak values of the detected signals are conducted.

Pulsed magnetic flux leakage testing; Hall sensor; Crack defect detection; Quantitative estimation

2015-01-18

江苏省自然科学基金青年基金资助项目(BK20130794)；教育部博士点基金资助项目(20123218120016)；中央高校基本科研业务费青年科技创新基金资助项目(NS2014034)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(NS2012042)

许鹏 (1980-)，男，副教授，主要研究方向为无损检测。

10.11973/wsjc201510011

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0047-04