磁电复合多功能传感器的设计

李亚平，彭云超，淦 邦

(中国石化管道储运有限公司科技研发中心,江苏徐州 221008)

0 引言

管道对于保障国家能源供应具有重要意义。随着管道使用时间的延长，由于腐蚀和应力作用，管道内部会出现各种类型的缺陷。因此，需要对管道进行定期的有效检测，及时排除缺陷，以避免或减少管道破裂事故的发生。

目前，国内外已提出多种关于管道内壁的无损检测系统，例如：漏磁检测系统、电磁超声检测系统以及涡流检测系统等[1]。由于管道内壁的结构比较复杂，缺陷形式多样，现有的检测系统以及检测探头已无法满足检测需要，因此，如何研发一种新型的检测系统，以解决上述问题，成为人们亟待解决的问题[2]。本文结合漏磁检测和电磁超声检测两种检测方法的原理、适用条件和优势，设计一种新型适用于油气管道无损检测的磁电复合传感器，重点介绍了复合传感器的结构组成，研究了复合传感器在磁场条件下有无缺陷的结果对比，为新型管道内检测器的设计提供了新的解决方案。

1 磁电复合传感器检测原理及特点

漏磁检测原理是利用铁磁材料的高磁导率特性，通过测量铁磁材料中磁导率变化来检测缺陷[3-4]。管道漏磁检测原理如图1所示。图中两部分管壁为管道纵切向剖面图，上管壁有缺陷下壁无缺陷。检测时永磁铁将待测管段磁化，在管壁完好没有缺陷并且管壁材质均匀的情况下磁力线全部在管壁、永磁体、钢刷和软铁构成磁回路中通过。若管壁上有缺陷存在，那么当管壁达到近饱和磁化状态时经过缺陷处的磁力线有一部分仍然会在磁回路中通过，但会有少量磁力线在缺陷处发生畸变绕过缺陷边缘泄漏到管壁外，在周围的空气形成漏磁。传感器经过无缺陷的管壁时，因没有漏磁通变化所以输出电压不变，经过有缺陷的管壁时导致电压变化达到探伤的目的[5]，并通过对漏磁信号的分析即可准确评价缺陷。

图1 管道漏磁检测原理图

漏磁检测系统中采用的磁敏传感器，具有腐蚀敏感性高，适应高温、寒冷以及水下等恶劣环境的优点，但是采用磁敏传感器只能检测出管道内壁具有轴向长度、周向宽度以及径向深度3个方向尺寸的体积型缺陷，而对于管道内壁上只在2个方向上延伸，在第3个方向尺度很小的裂纹，很难激发出足够磁敏传感器检测的漏磁通，导致检测结果不准确。此外，即使磁敏传感器可以检测到管道存在缺陷，但无法辨别是内壁缺陷还是外壁缺陷。由电磁感应定律可知：闭合金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生闭合的感应电涡流，阻碍磁通量的变化。如图2所示。

图2 电涡流位移传感器的工作原理

图2中，传感线圈由交流信号激励，在产生焦耳热的同时，又要产生磁滞损耗，它们造成交变磁场能量的损失，进而使传感器的等效阻抗Ζ发生变化。影响阻抗Ζ的因素有被测导体的电导率σ、磁导率μ、线圈的激励频率f及传感器与被测导体间的位移χ等，只要保证这些影响因素只有位移χ变化，其他都保持不变，则传感器的等效阻抗Ζ将变成位移的一元函数，经过线性化处理后用Ζ(χ)的变化就能很好地反映出χ的变化，实现测量位移χ的目的[6-7]。

涡流检测系统是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，具有传感响应速度快、灵敏度高、非接触和无需耦合介质等优点，因而特别适用于对金属管道内壁缺陷的检测[8-9]。但传统涡流检测系统中的传感器普遍存在一致性差、检测信号易受提离等因素的影响、检测效率与分辨率存在矛盾以及对检测对象的适应性差等问题。

2 磁电复合传感器结构

磁电复合传感器组成结构如图3所示，三轴漏磁数字传感器经过IIC通讯协议传输到ARM-STM32控制探头系统，涡流线圈经过控制系统提供的激励，检测的信号经过涡流线圈接收电路进行接收，通过SPI协议传输给ARM-STM32控制探头系统。由控制系统进行采集和存储后，经过数据输出驱动器传输到1.5 m外的数据采集系统。

图3 复合传感器结构框图

利用PCB打印涡流传感器线圈，代替传统的手工缠绕线圈，减少了线圈体积空间，增加了线圈的稳定性及不易损性。

涡流线圈经过激励后，通过涡流传感器线圈接收电路对涡流线圈产生的信号进行接收，接收电路图如图4所示。

图4 涡流传感器线圈接收电路结构图

线圈的两端分别接入INA,INB信号端，电路处理过程中，由LC振荡激励电路为涡流传感器线圈提供激励电压，激励频率等参数，当涡流传感器线圈检测到管壁内壁缺陷时，发生阻抗变化，由电感值测量电路检测到电感值，经过寄存器和逻辑处理器处理后，进行阈值比较，转成SPI通讯协议输出信号，从而判断管壁的缺陷情况。

数据采集存储模块如图5所示，由SPI通讯协议输出的CSB、SCLK、SDI、SDO信号经过传输线传输到单片机采集系统，单片机主控选择ARM-STM32系列芯片。其中，CLKIN表示外部时基时钟输入,CLDO外接一个15nF电容从引脚连接到GND，CSB表示可以将多个通道连接在相同的SPI总线上，SCLK表示SPI通讯协议时钟输入，SDI表示SPI数据输入连接到SPI主机的MOSI，SDO表示SPI数据输出连接到SPI主控的MISO。

图5 数据采集存储结构图

传感器检测数据经过SPI协议，传输到ARM-STM32控制探头系统，系统中包含高精度时钟模块、稳压电源模块、存储模块、总线协议模块、FATFS文件管理模块对传感器数据进行采集和存储，并通过显示模块显示当前输出信号。

3 实验与结果分析

磁电复合传感器安装在探头支撑架上，整个传感器支撑架在整个检测装置中(如图所示)，对铁磁性材料进行检测，对其内外壁缺陷进行检测和辨别。磁电复合检测探头装置如图6所示。

图6 磁电复合传感器检测装置

图6中，铁磁性材料经过磁铁、铁芯、钢刷的磁化后，铁磁性材料的整个内壁上达到了磁饱和，磁电复合传感器对铁磁性材料进行检测，缺陷样件如图7所示。检测结果如图8所示。

图7 缺陷样板试件

(a)复合传感器检测横向裂纹结果图

图8中MFL-X、Y、Z分别代表漏磁信号周向、轴向、径向信号，当传感器垂直于横向裂纹检测时，结果如图8(a)所示，磁敏传感器和涡流传感器能够同时检测到横向裂纹。当传感器平行于纵向裂纹检测时，结果如图8(b)所示，磁敏传感器不能检测到纵向裂纹，涡流传感器能够检测到纵向裂纹。

管道内检测中，应用磁电复合传感器能够区分管道的内外壁缺陷，对此，在缺陷样板试件上做了两组实验，将复合传感器放在有缺陷的表面进行一次检测，再将复合传感器放在缺陷试件背面进行一次检测， 具体如图9所示，实验结果如图10所示。

图9 复合传感器测量管壁内外壁缺陷示意图

(a)复合传感器测量管道内壁缺陷结果图

图10(a)中，当传感器测量管道内壁缺陷时，磁敏传感器和涡流传感器能够同时测量到缺陷，当传感器测量管道外壁缺陷时，2组涡流信号对同一缺陷具有相同的检测特征，且2组涡流数据对同一缺陷的检测具有相位差，符合机械结构的设计。漏磁检测结果分为管壁3个方向的数据，分别为轴向、周向、径向。其中漏磁传感器对轴向、径向方向反应较明显，对周向方向反应较不明显。

图10(b)中，磁敏传感器能够测量到外壁缺陷，而涡流传感器不能测量到外壁缺陷，磁敏传感器能够检测出内外壁缺陷，涡流传感器对内壁缺陷敏感，进而结合两种检测结果对内外壁缺陷进行辨别。

4 结论

通过实验对比，验证磁电复合传感器适用于油气管道无损检测，当磁敏传感器和涡流传感器同时测量到管壁缺陷时，同时涡流传感器检测内壁缺陷时，辨别此缺陷为管壁内表面缺陷，当漏磁传感器能检测到管壁缺陷，而涡流传感器没有测量到管壁缺陷时，辨别此缺陷为管壁外表面缺陷，实验结果表明该新型磁电复合传感器在管道缺陷检测过程中既能检测缺陷又能辨别内外壁缺陷。通过对裂纹信号的观察，对近表面裂纹缺陷有潜在检出可能。