环境磁场对磁记忆检测信号的影响研究

陈海龙，崔子浩，吴 奇，熊湘曦，何 洋，王长龙

(1.63850部队，吉林 白城 137000; 2.陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003)

0 引 言

在国防、石油、化工等行业中，很多机械设备都是由铁磁材料制成的，如火炮身管、导弹、装甲车辆、管道和压力容器等。这些机械设备在使用过程中，由于疲劳、腐蚀、磨损、应力或意外的机械损伤等原因，在其表面或内部会产生各种缺陷，而这些缺陷是导致机械结构和设备失效乃至发生事故的重要原因。为避免不必要的损失和事故，需对这些设备进行定期的无损检测[1-2]。磁记忆检测因其设备简单、操作方便等优点，以及在铁磁材料早期诊断方面的应用潜力，自提出后就受到广泛关注[3-4]。金属磁记忆效应的实质是铁磁性构件在弱磁场（地磁场）下的力磁耦合效应，属于一种弱磁场信号[5]，其信号强度往往与地磁场在一个数量级或略大于地球磁场。在工程检测中，环境磁场会对铁磁物质的磁性产生一定影响，进而对磁记忆检测信号产生影响。由于环境磁场并不是一个恒定场，在不同的测试环境下，磁场的方向和大小都会存在一定的差异。因此，研究外界磁场环境对磁记忆信号的影响非常有必要。

针对环境磁场对磁记忆检测信号影响问题，许多学者开展了相关的实验研究，但目前还未形成统一的认识。文献[6]通过对比试件不同放置方向时焊缝残余应力表面磁场分布，认为环境磁场对检测信号数值有很大影响，但对磁记忆场的整体形貌没有影响；文献[7-8]也是认为无论试件如何放置，其表面的磁场强度分布规律不会发生变化；而文献[9]实验结果表明，疲劳断裂试件不同放置方向下测得的磁记忆信号，并不是简单数值的平移，其整体形貌产生也有较大变化；文献[10-11]也认为不同放置方向对磁记忆检测结果的影响是不同的，试件南北放置影响程度要比东西放置大；文献[12-13]通过对比地磁场和外加激励磁场两种情况下磁记忆检测效果，认为存在外加激励磁场条件下检测效果明显好于地磁场环境下的检测效果。

上述实验研究环境磁场对磁记忆信号检测的影响时，主要通过改变试件摆放方向测量分析试件表面磁场信号变化情况，或者通过人为改变外界磁场强度和方向观察磁记忆信号变化情况来判断外界磁场变化对磁记忆检测的影响，但相同原理的实验，关于环境磁场对磁记忆信号是整体形貌和检测结果的影响，还是简单的数值平移，并未形成一致的结论。上述多数实验的研究思路是对比磁场变化时检测到的信号变化情况，分析地磁场对金属磁记忆信号检测的影响，但没有考虑检测得的磁场信号的成分和被测试件损伤缺陷类型因素。因此，本文通过分析磁记忆检测信号的组成，并对比不同放置方向下，对比的裂纹、应力集中以及无损伤3种区域的磁场变化，研究环境对磁记忆检测信号的影响。

1 实验材料及测试方案

本文选用45号钢材料制作实验试件，试件长180 mm，宽40 mm，厚度2 mm，利用剪切的方法在试件上预先设置长度为19 mm的裂纹，裂纹左右各50 mm长度区域为检测区域，被测试件实物如图1所示。

图1 被测试件实物图

为了验证环境磁场对不同缺陷区域磁记忆信号的影响，本实验共布置7条测量迹线，如图2所示，迹线1~迹线3位于裂纹区域，迹线1在试件边缘处，迹线2在裂纹中间处，迹线3在裂纹边缘处；迹线4位于裂纹尖端处；迹线5位于应力集中区域；迹线6在正常区域的中间处；迹线7靠近试件边缘处。

图2 检测迹线设置

为准确测量试件表面磁记忆信号，搭建磁记忆信号检测系统，其实物图如图3所示。

检测系统中的自动扫描装置采用UYJ110型三维移动平台（双向重复精度±0.02 mm），传感器探头采用的是霍尼韦尔公司生产的HMC5883L型号三轴磁敏传感器（量程±8 Gs，分辨率5 mGs，1 Gs=1×10-4T）。通过设置平台的移动速度和传感器的采样频率，可以实现磁记忆信号的空域等距采样，同时测量3个不同方向的磁场分量信号。

图3 磁记忆信号检测系统实物图

试件分别按照南-北、北-南、东-西、西-东4个方向摆放，如图4所示，设置信号采样间隔0.2 mm，传感器提离值1.0 mm。

图4 试件放置方向示意图

2 实验结果

将被测试件按照南-北、北-南、东-西、西-东4个方向水平放置，不同检测迹线上测得的4组磁记忆信号曲线如图5所示。

由图可知，放置方向对磁场信号的幅值和整体形貌都有影响，但不同迹线影响程度有所区别。对裂纹区的迹线1、2在信号的幅值和整体形貌上影响都较大，特别是迹线1在裂纹区域出现较大范围的变动，应力集中区迹线3、4、5在幅值和形貌有一定影响，但分布形貌变化相对较小。迹线6、7整体分布形貌变化较小，且整体幅值有一定变化。

在相当大的区域内可以认为地磁场是一个均匀稳定的磁场，但实际检测中由于地理位置、建筑及其他机械设备等原因，实际检测区域的环境磁场强度会有一定的变化，图6为本实验中未放置被测试件前不同检测线上的磁场分布情况。

从图中可以看出，试件未放置前不同方向检测区域内7条检测迹线上的磁场都在极小的波动范围内变化，可认为是均匀稳定的磁场，其空间方向如图7所示，试验中环境磁场的水平分量沿着东北方向。其中He为环境磁场总强度；H//为He在水平面投影，称为水平强度或水平分量；H⊥为He在垂直面投影，称为垂直强度或垂直分量。

如果环境磁场对试件磁场信号有影响，则试件南-北方向放置与西-东方向放置时磁场分布相似，而北-南方向与东-西方向放置时磁场分布相似。以切向分量为例，不同方向上测得的磁场信号进行相关系数如表1所示。

图5 不同方向时检测结果

图6 不同迹线环境磁场信号分布

图7 环境磁场矢量方向

表1 不同放置方向切向信号曲线的相关系数

表中h1、h2、h3、h4的曲线分别为南-北、北-南、东-西、西-东检测方向检测得到磁场信号，c(hi,hj)表示相应方向检测信号曲线的相关系数。从表可以看出，c(h1,h4)和c(h2,h3)数值要高于其他情况，说明试件南-北与西-东、北-南与东-西方向放置时磁场分布更为相似，这从侧面反映了环境磁场会对试件表面磁场信号产生影响，与文献[14]中试件不同放置方向检测时，扣除背景磁场后的检测结果不一致的现象吻合。从表中还可以看出，检测迹线1、2的相关系数较小，迹线6、7相关系数较大，说明环境磁场对试件无损伤区域磁场分布影响较小，对裂纹区域漏磁场影响较大。

3 环境磁场影响讨论与分析

处于地磁场环境下的铁磁构件受载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向或不可逆的重新取向，从而导致应力或应变集中区域表面的漏磁场Hp发生改变，出现切向分量Hp(x)具有峰值及法向分量Hp(y)过零点的现象，如图8所示。铁磁构件这种磁状态的不可逆变化在工件载荷消除后仍被保留[15]。因此，磁场标量或矢量的特征描述方法利用测磁仪器来测定构件表面漏磁场，通过分析试件表面漏磁场信息，推断该工件的应力集中部位及预损伤区缺陷的特征。

图8 金属磁记忆检测原理图

磁记忆检测方法中试件表面所测得的磁场信号H，如图9所示，由缺陷区域的漏磁场Hp、环境磁场He以及试件自身的感应磁场HB是3个部分组成，即

图9 损伤区域漏磁场分布图

以试件切向信号为例，假设在试件两个不同摆放方向时测得的磁场信号的分别为Hx1、Hx2，则水平分量可以为：

当试件放置方向变化时，也就是环境磁场发生微小变化时，测得磁场信号变化量主要由ΔHBx、ΔHpx、 ΔHex决定。

环境磁场He包括地磁场、其他构件和设备产生的磁场，一般情况下主要指地磁场，在特定的范围内可认为是一个恒定的磁场。改变试件摆放方向时，环境磁场信号Hex只是在相应方向上分量的数值变化了ΔHex，对整体分布形貌没有影响。

漏磁场Hp指的是无外磁场条件下试件表面的漏磁场，是由环境磁场和应力共同作用于该处的磁畴，使其产生定向的不可逆重新取向，这种磁状态不仅在载荷消除以后还会保留形成磁畴固定结点，与最大作用应力有关，而且在遇到反向强磁场或反向强应力作用之前是不可逆的，这也是磁记忆效应能够应用到应力集中或缺陷检测的根本原因。因此，缺陷区漏磁场Hp可以认为是在缺陷生成过程中已经确定的，不会随外部微弱的环境磁场变化而变化。

试件自身的感应磁场HB是由试件在环境磁场作用下磁化产生的，如果检测过程中试件受到外力作用，则是由环境磁场和应力共同作用引起试件磁化产生的磁场。假设试件的磁化率为χm，真空磁导率为µ0，铁磁质试件的相对磁导率为µ1，则试件在外磁场He作用下磁化时，其内部磁场强度可表示为：

磁力线总是走磁导率最大的路径，当磁场由铁磁质试件（区域1）进入空气中（区域2）时，如图10所示，根据边界磁通守恒定律可以得到：

图10 感应磁场 H B示意图

假设空气的相对磁导率为µ2，则根据式（5）可以得到：

式（6）表明，试件自身的感应磁场HB不仅与外磁场He相关，还与试件的磁导率以及磁导率不均匀程度相关。

结合不同检测区域不同放置方向下的检测结果进行分析，图11为实验中无损伤区域迹线7扣除环境磁场分量后的磁场分布情况。

图11 试件不同放置方向下第7条迹线的磁场分布

从图中可以看出，当试件无损伤缺陷时，测得的磁场分布形貌主要由试件自身漏磁场HB决定，试件不同放置方向时，试件表面分布磁场分布形貌变化不大，但是在数值上有较大的差异。其原因在于试件不同方向放置时，环境磁场He沿试件轴线方向分量会出现变化，影响了铁磁试件的磁化状态，导致泄漏到试件表面的感应磁场HB发生变化，但由于无损伤区域磁导率分布相对比较均匀，试件自身感应磁场HB没有出现明显的畸变，因此在不同放置方向下磁场整体分布形貌变化不大。

图12和图13分别为裂纹区域与应力集中区域不同放置方向时检测到的磁场切向信号分布。

图12 试件不同放置方向下第1条迹线的磁场分布

从图中可以看出，当试件存在缺陷时，放置方向会对试件表面磁场由一定影响，但对裂纹区域磁场分布影响较大，对应力集中缺陷区域的磁场分布影响很小。其原因主要在于试件有损伤缺陷时，测得的磁场分布形貌主要由试件自身漏磁场HB和缺陷区域的漏磁场Hp共同决定，无损伤区域的检测结果说明放置方向会对HB有较大影响，由于裂纹缺陷出现了有限宽度的强断裂面，试件在裂纹区域的磁导率急剧降低，试件自身感应磁场HB会在裂纹缺陷区域出现畸变，进而对试件表面磁场分布产生较大影响，但由于应力集中缺陷区域的磁导率变化较为缓慢，所以试件自身漏磁场HB仅仅在应力集中并且发生漏磁的地方有一定的改变。

如果将缺陷处应力和外磁场共同作用磁化产生的磁场称为磁记忆性质磁场，而外磁场对试件磁化作用产生的磁场称为漏磁性质磁场，则缺陷区域的磁场分布形貌是由磁记忆性质磁场和漏磁性质磁场共同决定的。对于应力集中缺陷而言，由于漏磁性质磁场在应力集中缺陷区域畸变较小，缺陷区域的磁场分布特征以磁记忆性质磁场为主，试件放置方向对检测信号分布形貌影响很小；对于裂纹缺陷而言，由于出现了有限宽度的断裂面，漏磁性质磁场会在裂纹区域出现畸变，若应力和外磁场共同作用引起的磁记忆性质磁场远大于外磁场磁化引起的漏磁性质磁场，则测得的磁场信号还是以磁记忆性质磁场信号为主，若应力引起的磁化与外磁场磁化作用相似或者更小时，则不同放置方向时，试件磁化状态发生变化，测得的磁场信号整体分布形貌也会有发生较大变化。

4 结束语

本文通过研究分析不同试件放置时，不同类型缺陷区域的磁记忆检测信号变化规律得出：环境磁场对金属磁记忆检测信号的影响是环境磁场（地磁场）、被测试件自身磁化状态以及试件材料的磁特性（缺陷类型）共同作用的结果，被测试件不同放置方向时，测得的磁场信号不能简单认为只是幅值上的整体漂移，其整体形貌也可能会发生一定变化。在工程检测过程中，相对于被测试件的环境磁场需尽量保持不变。