許　鵬， 黃　俊， 朱勵歷

(南京航空航天大學 江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室， 南京 210016)

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基于脈沖漏磁的缺陷量化評估

許鵬， 黃俊， 朱勵歷

(南京航空航天大學 江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室， 南京 210016)

脈沖漏磁檢測是一種以脈沖信號作為激勵源的漏磁無損檢測新方法，廣泛應用于鋼材等鐵磁性材料的檢測中。分析了基于霍爾傳感器的脈沖漏磁檢測方法，并搭建了脈沖漏磁檢測系統(tǒng)，應用Labview開發(fā)軟件設計了檢測平臺，用于采集在脈沖激勵下傳感器檢測裂紋缺陷的漏磁信號。通過試驗檢測了多個加工有不同裂紋缺陷的鋼板樣本，根據檢測信號的峰值大小和峰-峰值間距對缺陷的寬度和深度參數進行了有效的量化評估。

脈沖漏磁檢測； 霍爾傳感器； 裂紋缺陷檢測； 量化評估

漏磁檢測技術[1-2]具有非接觸、易實現、檢測效果顯著等優(yōu)點，常應用于鐵磁性材料的缺陷檢測中。脈沖漏磁檢測技術(Pulsed Magnetic Flux Leakage，PMFL)結合了漏磁檢測技術和脈沖渦流檢測技術[3-4]的優(yōu)點,其與傳統(tǒng)漏磁檢測技術最大的區(qū)別在于勵磁方式上的差異，即采用了頻譜豐富的脈沖信號作為勵磁。對鐵磁性材料檢測時，脈沖漏磁檢測技術[5-7]能獲得更多的缺陷信息,利用這些信息可對缺陷的特征進行更可靠地判斷。

筆者采用漏磁檢測技術，對帶有矩形槽表面缺陷的鋼板進行檢測。利用大功率放大器作為脈沖激勵源對檢測探頭進行勵磁，運用labview軟件平臺[8-9]編寫檢測程序，對霍爾傳感器的輸出信號進行數據采集、儲存、顯示。對不同鋼樣本的多組檢測數據進行分析，根據輸出信號的峰-峰值間隔距離和峰值的幅值大小對缺陷的寬度和深度進行量化估計。

1　脈沖漏磁檢測原理

脈沖漏磁檢測時,勵磁線圈被纏繞在高磁導率的U型磁芯上，在勵磁線圈上施加脈沖激勵信號，對鐵磁性材料進行磁化。由于鐵磁性材料的磁導率很大，而其它非鐵磁性材料如空氣的磁導率要遠遠小于鐵磁性材料，如果鐵磁性材料不存在缺陷，大多數的磁力線將通過鐵磁性材料。若鐵磁性材料存在缺陷，缺陷處磁阻增大，磁力線將在缺陷處發(fā)生折射，方向發(fā)生改變，一部分泄漏出鐵磁性材料表面，形成漏磁場[10-11];利用傳感器將漏磁場轉化為電信號，通過對電信號的分析可獲取缺陷的深度、寬度等信息[12]。

脈沖漏磁檢測的脈沖激勵信號g(t)周期為T，占空比為Δ，幅值為V，對g(t)進行傅里葉變換可得，

(1)

(2)

(3)

式中:A0為偏置量;An為幅值;f1為頻率;ω1為角頻率;T為周期;φn為相位。

從式(1)可看出,脈沖漏磁檢測具有豐富的頻譜信息，可以獲得更多關于缺陷特征的信息。 同時，在脈沖激勵的上升沿和下降沿時刻會產生瞬變的磁場，從而在被測體表面感應出渦流，產生趨膚效應，趨膚深度的表達式如下[6]：

(4)

式中:δ為趨膚深度;f為脈沖激勵頻率;μ為磁導率;σ為電導率。

可看出，當μ和σ一定時,減小脈沖激勵頻率，能夠提高趨膚深度;如果對近表面缺陷進行檢測,可適當提高脈沖激勵頻率。

2　脈沖漏磁檢測系統(tǒng)

脈沖漏磁檢測系統(tǒng)主要由檢測探頭(由勵磁系統(tǒng)和霍爾傳感器組成)、脈沖激勵源、信號調理電路、USB數據采集模塊、計算機構成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　脈沖漏磁檢測系統(tǒng)框圖

由于在脈沖激勵上升沿、下降沿時刻存在豐富的高頻信號，為了減小磁芯自身渦流效應對檢測結果產生的影響，檢測系統(tǒng)采用U型鐵氧體材料作為磁芯，用直徑0.5 mm漆包線在磁芯上纏繞600匝作為激勵線圈。探頭的實物如圖2所示。

圖2　脈沖漏磁檢測探頭實物圖片

應用固體集成式霍爾傳感器檢測漏磁信號，其內部集成Hall傳感器及放大電路。激光修正薄膜電阻具有較高的靈敏度,經過溫度補償后具有低功耗、線性響應、寬工作溫度和寬輸入電壓等特點。傳感器固定在U型骨架的中心位置，靠近檢測表面并與檢測面平行，可檢測缺陷處垂直于表面方向的漏磁場的磁感應強度。

檢測系統(tǒng)的脈沖信號由USB數據采集模塊數字接口提供，由于USB數據采集模塊數字接口的最大驅動電流為4 mA、最大輸出電壓為+5 V，不能滿足探頭勵磁系統(tǒng)的功率需求，因此必須采用功率放大器對脈沖信號進行功率放大。功率放大器輸出的脈沖激勵頻率為0.5 Hz，電壓為0～15 V的方波信號，最大輸出功率達到500 W。大功率的脈沖源可以提高勵磁系統(tǒng)的激勵電流強度，使缺陷漏磁信號的幅值變換更為明顯。

信號調理電路能實現對霍爾傳感器輸出信號的放大和濾波功能，原理如圖3所示。運放型號是TI公司的OPA2374，用+5 V單電源供電。當霍爾傳感器檢測到漏磁場時輸出相應的電壓信號，在5 V供電電壓下，檢測到磁場強度為0時，霍爾傳感器輸出2.5 V直流電壓。為了使檢測效果更加明顯同時防止運放因增益過大出現輸出飽和，調理電路使霍爾傳感器的輸出信號放大7,8倍，放大信號經過截止頻率約為5.5 kHz的二階低通濾波器，輸送到數據采集模塊。

圖3　信號調理電路原理圖

數據采集模塊采用的是NI公司基于USB總線的USB6009 14位數據采集卡，其可同時采集8路模擬信號，并配有12路數字I/O接口，最高采樣頻率為48 kHz，檢測時選取了20 kHz的采樣頻率(每秒鐘采集20 k個數據點)。

在計算機中，基于Labview開發(fā)平臺編制脈沖漏磁檢測程序，包括脈沖信號輸出程序、數據采集濾波儲存程序、數據回放程序。分別實現三個功能：① 控制數據采集卡輸出頻率可調的脈沖信號。② 采用數據采集卡上升沿觸發(fā)采樣功能，對漏磁檢測輸出信號進行同步采樣，并對采集的數據進行數字濾波，以文本格式保存數據同時顯示采樣波形。③ 讀取已經儲存的多組數據，在同一坐標系中同時顯示多組采樣波形，分別輸出每組采樣波形的峰值時間和峰值電壓值。

圖4　數據采集濾波儲存程序界面

圖4是數據采集濾波儲存程序界面，通過程序界面可設置數字濾波器的類型、濾波器的截止頻率、濾波器階數、波形數據的儲存地址、數據采集通道、同步采樣觸發(fā)信號類型、采樣頻率和采樣點數等參數。程序開始運行時,首先根據用戶配置的參數對數據采集卡進行初始化;在脈沖激勵上升沿時刻數據采集卡檢測到同步采樣觸發(fā)信號時，開始對選定的采集通道進行采樣，當采樣點數達到用戶設定的采樣點數時采集卡停止采樣;數字濾波器對采樣數據進行濾波，經過濾波的數據以文本格式儲存到電腦硬盤中同時被示波器顯示，程序完成一次采樣。如果要進行新一輪的采樣，按開始采樣按鈕，數據采集卡會在脈沖激勵上升沿時刻開始采樣。

3　試驗結果及分析

檢測系統(tǒng)采用的是0.5 Hz的方波脈沖激勵。試驗鐵磁性材料選用45鋼板，一共6塊，鋼板的尺寸為150 mm×150 mm×11 mm(長×寬×高)。缺陷為矩形溝槽,位于每塊鋼板的中心。其中,三塊鋼板缺陷寬度均為1 mm,深度分別為2,5,10 mm;其他三塊鋼板缺陷寬度均為2 mm,深度分別為2,5,10 mm(缺陷長度為150 mm,由于檢測方向垂直于缺陷長度方向,故缺陷長度對測量結果無影響)。試驗時，將霍爾傳感器中點與缺陷中線對齊，以0.5 mm的步長依次向缺陷的左側、右側垂直于缺陷移動5 mm，傳感器每移動一個步長測試一次數據，并將測試數據文件儲存。

3.1裂紋缺陷寬度的評估

圖5是傳感器到缺陷中線的距離與傳感器輸出電壓值的關系圖，圖中橫坐標是傳感器中心到缺陷中線的距離，傳感器位于缺陷左側時用負值表示傳感器與缺陷的距離，反之在右側時取正;縱坐標為傳感器在距離缺陷中線不同距離時輸出信號的峰值或谷值。從圖5可看出,缺陷的寬度會影響輸出信號峰-峰值的間距，缺陷的寬度為1 mm時，輸出信號峰-峰值距離大約2 mm;缺陷寬度為2 mm時，輸出信號峰-峰值距離大約3 mm。而且當鋼板缺陷寬度一致時，輸出信號峰-峰值間距也是固定的，不會隨著缺陷深度的變化而變化。缺陷寬度越大，采樣曲線的峰-峰值間距越大，且峰-峰值間距增量約等于缺陷寬度的增量，因此可利用這個特征來評估缺陷的寬度。

圖5　傳感器到缺陷中線的距離與輸出電壓的關系曲線

圖6　不同缺陷深度下,缺陷寬度對輸出信號的影響

為了考察在相同的缺陷深度下，不同缺陷寬度對傳感器輸出的影響，取圖5中每條裂紋曲線峰值點對應的采樣數據進行比較，并繪制成曲線如圖6所示。圖6中橫坐標為采樣時間，在脈沖激勵上升沿時刻開始計時采樣。由圖6可看出,如果缺陷深度一致，輸出電壓峰值隨缺陷的寬度增加而變大，但是增幅不大，圖6中每幅圖中兩條曲線的峰值差值分別為39,27,37 mV。如果通過輸出電壓峰值來判斷缺陷的寬度,效果不是很理想。

3.2裂紋缺陷深度的評估

取圖5中每條裂紋曲線峰值點對應的采樣數據進行比較繪制成曲線，如圖7所示。圖7(a)中四條曲線從上到下依次對應的峰值電壓值為777,505,209,18 mV。圖7(b)中四條曲線從上到下依次對應的峰值電壓值為814,532,248,18 mV。通過對比發(fā)現，同一寬度的缺陷，在不同缺陷深度下輸出信號的峰值是不同的。缺陷越深，輸出電壓信號峰值越大，傳感器輸出電壓信號變化明顯，利用傳感器輸出電壓峰值可以對缺陷深度進行評估。

圖7　不同缺陷寬度下,缺陷深度對輸出信號的影響

4　結論

脈沖漏磁檢測技術可以對鋼板缺陷的寬度和深度進行有效評估:

(1) 通過輸出電壓峰值來判斷缺陷寬度的效果不理想，利用采樣曲線的峰-峰值間距可對缺陷的寬度進行評估，缺陷寬度越大，采樣曲線的峰-峰值間距越大，且峰-峰值間距增量大約等于缺陷寬度的增量。

(2) 確定了缺陷的寬度之后,利用采樣曲線的峰值電壓可對缺陷的深度進行評估，寬度一致深度不同的缺陷在峰值點的電壓是不同的，缺陷越深，輸出電壓信號峰值越大，傳感器輸出電壓信號變化明顯。

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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

江蘇省自然科學基金青年基金資助項目(BK20130794)；教育部博士點基金資助項目(20123218120016)；中央高校基本科研業(yè)務費青年科技創(chuàng)新基金資助項目(NS2014034)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(NS2012042)

許鵬 (1980-)，男，副教授，主要研究方向為無損檢測。

10.11973/wsjc201510011

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0047-04