基于磁导率的焊缝裂纹检测传感器的设计研究

2020-03-26任尚坤任仙芝

仪表技术与传感器 2020年2期

任尚坤，任仙芝，刘威

(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌 330063)

0 引言

铁磁表面裂纹的检测(特别是焊缝区附近的应力裂纹或疲劳裂纹)是当前工业安全生产领域面临的重大技术问题。在现代工业中，铁磁材料广泛应用于电力、航空、航天、铁路、压力容器、石油管道等行业[1]。通常在应力集中或疲劳损伤区域出现应力腐蚀裂纹、疲劳断裂等现象，造成事故[2]。特别是铁磁构件表面往往存在防腐层、油漆层、腐蚀层和污染杂质层，表面裂纹不容易被发现。因此在对构件进行无损检测时，研究能不需要清理表面，就可快速、方便、准确、早期地检测出裂纹区域，对预防构件断裂事故具有重要意义[3]。

目前对铁磁试件进行早期检测和评价的方法有金属磁记忆检测法[4]、脉冲电磁法[6]、巴克豪森效应检测法[7]、声发射检测法[8]等，但从检测可靠性、检测分辨率和实际效果来看都存在各自的局限性，不足以解决当前工业所面临的新问题，有待进一步研究新的检测方法，提高检测灵敏度和测量精度。磁导率检测技术是利用电磁感应原理、基于磁导率的变化对材料的微观结构变化进行分析的一种技术，是可对导致磁导率变化的各种因素进行检测的一种方法[9]。该方法可以提前预测铁磁材料应力集中状态和疲劳损伤程度[10]。但到目前为止，基于磁导率检测技术对裂纹特征的检测研究还很少见报道。本文研究基于磁导率检测技术对铁磁构件表面裂纹检测的可行性。设计出新的磁导率检测传感器，实现对铁磁构件表面裂纹的特征检测。

1 检测试验

1.1 检测传感器的设计

传感器磁芯材料设计为“M”形锰-锌铁氧体磁芯。由于锰-锌铁氧体材料电阻大且磁导率高，用作为缠绕线圈的导磁介质。每个检测线圈和激励线圈匝数均为100匝。磁芯磁性参数和尺寸规格见表1和表2。

表1 传感器磁芯磁学参数

表2 传感器磁芯规格参数

图1为“M”形传感器铁氧体骨架结构图，每一部分尺寸分别表示为A、B、C、D、E、F、G。尺寸大小见表2。

图1 “M”形传感器铁氧体骨架结构图

图2 “M”形探头检测原理

1.2 传感器检测原理

(1)

(2)

式中：Rm1为参考磁回路中磁轭部分的磁阻，与检测磁回路中磁轭部分的磁阻相同；Rm2为参考磁回路中对应待检构件参考区部分的磁阻；c2为常数。

(3)

(4)

式中：Rm3为检测磁回路中对应待检构件裂纹区部分的磁阻；c1为常数。

结合两磁路，c1+c2=1，c2/c1=(Rm3+Rm1)/(Rm2+Rm1)，可联合求解得：

c1=(Rm1+Rm2)/(2Rm1+Rm2+Rm3)，

c2=(Rm3+Rm1)/(2Rm1+Rm2+Rm3)

可得参考感应信号和检测感应信号:

(5)

(6)

(7)

设由于裂纹等磁性不均匀的影响，检测区的磁阻变化量为Δ，Rm3-Rm2=Δ，设Δ远小于Rm3或Rm2，Rm3≈Rm2，由式(7)得:

(8)

(9)

设传感器磁轭的磁阻远小于待测区域的磁阻，即Rm1<

(10)

式(10)表明，裂纹区和参考区的磁阻之差的相对值的2倍近似等于两区域检测信号差值的相对值。可见，可以通过输出差值信号的检测判定待检区域磁阻的变化，进而判定表面裂纹的特征。

磁路的磁阻与磁导率有关，随磁导率的增加而减少，可以通过测定磁阻的变化，判定磁导率的变化状况，进而判定引起磁导率变化的裂纹状况。当检测区磁回路中不含有裂纹时，两检测探头的检测信号相同，差值为零；当其中一边磁回路磁阻因裂纹产生变化时，差值输出信号不为零，从而实现对裂纹的检测。实际上，对钢板无缺陷区域检测，两磁回路输出信号并非完全抵消，定义为噪声，是由两磁回路的非理想对称引起的。

1.3 检测系统的结构

设计检测系统的结构如图3所示，试验平台主要由检测线圈、激励线圈、激励源、信号放大电路和调理电路、INSTEK台式万用表搭建而成。激励线圈缠绕在磁芯中心磁极上，检测线圈分别缠绕在磁芯对称的两端磁极上。激励信号采用正弦交流的形式，激励频率为350 Hz。探头检测线圈和激励线圈匝数均为100匝，激励电压40 mV，通过进一步功率放大可满足试验要求。

图3 试验检测系统结构

2 试验结果分析与讨论

2.1 裂纹与检测信号关系的试验分析

图4表示规格为150 mm×10 mm×570 mm的45#钢板，等间距(70 mm)刻有长度分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的5条矩形槽人工裂纹，裂纹深度都为3 mm，裂纹宽度都为0.5 mm。

图4 待检45#钢板试件示意图

检测信号与裂纹的关系如图5所示。对3 mm深、长度在20 mm以上的裂纹时，检测信号的幅值随裂纹长度的减小而减小，但变化较小；当裂纹长度小于20mm时，检测信号的幅值随裂纹长度的减小迅速减小。可见，磁导率检测技术可以实现对表面裂纹的特征检测。检测信号峰值的半宽度与裂纹长度近似相等，可以依据信号峰值半宽度对裂纹长度进行定量分析。

图5 钢板试件检测信号的空间分布规律

2.2 裂纹尺寸对检测信号的影响

图6表示在裂纹长度分别取10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm时检测信号随裂纹深度D的变化关系。图7表示在裂纹深度分别取1 mm、2 mm、3 mm、5 mm时检测信号随裂纹长度L的变化关系。

图6 检测信号随裂纹深度D的变化关系

图7 检测信号随裂纹长度L的变化关系

图6表明，裂纹深度与检测信号的幅值有关，缺陷深度在1 mm左右时，检测信号较小，受待检试件表面噪声的影响较大；当缺陷深度大于1 mm时，裂纹信号随裂纹深度的增加而增加；图7表明，裂纹长度与检测信号的幅值有关，裂纹长度小于10 mm时，检测信号较小，受待检试件表面噪声的影响较大；当裂纹长度大于10 mm时，信号随裂纹长度的增加而增加。研究结果表明，检测信号是裂纹深度和长度的二元函数，在确定的长度时，可判定裂纹的深度，在确定的裂纹深度时，可判定裂纹的长度。

2.3 扫查偏移量对检测信号的影响

在检测过程中，检测扫查线往往偏离裂纹中心线。设待检试件为刻有人工裂纹深度为3mm的45#钢板，将探头检测端紧贴在裂纹中心线附近，沿偏离裂纹距离分别为0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的检测线做扫查检测，每4 mm测一个数据点，绘制不同偏移量对应的扫查结果曲线。图8表示对裂纹深度为3 mm试件检测时检测信号的空间分布，表示了检测偏移距离对检测信号的影响。

图8 检测信号的空间分布与扫查偏移量的关系

图8表明，检测扫查线与裂纹中心线左右各偏移4 mm时，检测信号变化很小，说明裂纹只要处在传感器的检测区就不影响检测的灵敏度。随着偏移距离的进一步增加，检测信号峰值迅速下降。扫描检测的有效范围可以达到10 mm。

2.4 剩磁对检测信号的影响

待检构件由于应力集中和地磁场的磁化或周围其他环境磁场的影响，往往被磁化，具有明显的剩磁现象。对剩磁对检测信号的影响进行了研究。检测对象为裂纹深度分别为1 mm、2 mm、3 mm、5 mm的4块钢板试件，检测前分别做磁化处理和退磁处理。对磁化试件退磁前后的两种情况进行试验检测。在检测时，移动探头使探头检测端沿着钢板中心线位置进行扫查检测，以钢板两端±30 mm处为信号起始和截止位置(忽略钢板边缘效应的影响)。每移动4 mm记录一个值，然后将所测得的数据导入到Origin中处理。磁化试件在退磁前后两种情况下试件检测信号的空间分布基本相同，如图9所示。