潘 萌， 周德強(qiáng),3， 常 祥

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；3.無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司，江蘇 無(wú)錫 214024)

新型脈沖漏磁檢測(cè)法的表面缺陷檢測(cè)特征分析

潘 萌1,2， 周德強(qiáng)1,2,3， 常 祥1,2

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122；3.無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司，江蘇無(wú)錫214024)

針對(duì)脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同方向的漏磁分量進(jìn)行分析時(shí)存在一定局限性的問(wèn)題，基于脈沖漏磁(PMFL)檢測(cè)中的U型磁軛和脈沖渦流(PEC)檢測(cè)中的矩形空心激勵(lì)線圈，提出了脈沖聚磁(PMC)檢測(cè)方法。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析了鐵磁性試件在脈沖漏磁和脈沖聚磁兩種檢測(cè)模式下，缺陷部位的響應(yīng)信號(hào)X，Y和Z3個(gè)分量的檢測(cè)效果。結(jié)果表明:脈沖聚磁檢測(cè)方法在進(jìn)行鐵磁性材料構(gòu)件的缺陷檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)探頭對(duì)被測(cè)試件的3個(gè)方向的分量激勵(lì)效果更明顯，同時(shí)對(duì)于不同深度的表面缺陷，脈沖漏磁響應(yīng)信號(hào)的三維分量具有更高的檢測(cè)靈敏度。

脈沖漏磁； 脈沖聚磁； 鐵磁性材料； 缺陷檢測(cè)

0 引 言

作為電磁無(wú)損檢測(cè)瞬態(tài)檢測(cè)技術(shù)中的代表，脈沖渦流 (pulsed eddy current,PEC) 檢測(cè)技術(shù)以電磁感應(yīng)作為理論基礎(chǔ)，激勵(lì)采用一定頻率的脈沖方波，在感生磁場(chǎng)的作用下被測(cè)試件表面產(chǎn)生的脈沖響應(yīng)信號(hào)通過(guò)檢測(cè)元件進(jìn)行拾取，實(shí)現(xiàn)在線的動(dòng)態(tài)檢測(cè)[1～3]。該脈沖響應(yīng)信號(hào)中含有較為豐富的頻譜，通過(guò)研究分析可以獲取關(guān)于被測(cè)缺陷的信息，但是由于受到滲透深度的限制，PEC檢測(cè)技術(shù)在對(duì)鐵磁性構(gòu)件的檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)深度受到限制[4]。

脈沖漏磁 (pulsed magnetic flux leakage,PMFL) 檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鐵磁性構(gòu)件的工作場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷和腐蝕損傷部位的定位檢測(cè)[5,6]。但是隨著構(gòu)件在役時(shí)間的延長(zhǎng)，受到外界條件的影響或者機(jī)械損傷所形成的裂紋或缺陷，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，因此,需要對(duì)缺陷在空間中的三維漏磁場(chǎng)分量的綜合分析才能更全面的定量評(píng)估缺陷的大小。而常規(guī)的脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)在對(duì)缺陷三維分量的分析效果還無(wú)法達(dá)到一個(gè)較為理想的狀態(tài)。

基于上述分析，結(jié)合PEC檢測(cè)中所用到的矩形空心激勵(lì)線圈和PMFL檢測(cè)中所用到的U型磁軛，提出了脈沖聚磁 (pulsed magnetic concentration,PMC) 檢測(cè)技術(shù)，在U型磁軛的作用下，矩形空心線圈兩端的磁場(chǎng)泄露大幅減少，被測(cè)試件的磁化效果得以加強(qiáng)，檢測(cè)元件拾取漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的響應(yīng)值，通過(guò)對(duì)缺陷部位不同方向的漏磁場(chǎng)分量分析得出的線性結(jié)果更加顯著，因而，檢測(cè)靈敏度更高。

1 脈沖漏磁檢測(cè)原理[7～9]

在檢測(cè)探頭脈沖激勵(lì)的作用下，被測(cè)試件達(dá)到局部磁飽和的狀態(tài)，由于試件表面存在缺陷形成幾何體的不連續(xù)性，缺陷部位的磁場(chǎng)泄露到試件上方的空氣域中，此時(shí)磁場(chǎng)傳感器通過(guò)拾取漏磁場(chǎng)部位的磁場(chǎng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位檢測(cè)，通過(guò)對(duì)響應(yīng)信號(hào)中時(shí)域的信息進(jìn)行進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷檢測(cè)深度的定量分析。

脈沖漏磁檢測(cè)在對(duì)缺陷進(jìn)行三維分量綜合分析時(shí)存在一定的非線性，因而，需要一種新的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的綜合分析。

PMC檢測(cè)在PEC和PMFL檢測(cè)方法基礎(chǔ)上對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)，在矩形空心激勵(lì)線圈外部添加U型磁軛，激勵(lì)線圈通入脈沖激勵(lì)信號(hào)，被測(cè)試件感生出一個(gè)變化的磁場(chǎng)，磁傳感器拾取漏磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電壓值，通過(guò)對(duì)響應(yīng)信號(hào)三個(gè)方向的磁場(chǎng)分量的分析得出的線性關(guān)系，為電磁檢測(cè)技術(shù)在鐵磁性構(gòu)件中的應(yīng)用提供了新思路和新方法。

2 2種模式下檢測(cè)效果仿真分析

2.1 2種激勵(lì)方式下傳感器結(jié)構(gòu)仿真分析

典型的PMFL傳感器主要包括2部分:1)對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行磁化的激勵(lì)線圈；2)拾取漏磁響應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)元件。圖1(a)所示為PMFL檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)激勵(lì)線圈通入電流后，U型傳感器與試件之間形成閉合的磁回路，缺陷部位會(huì)形成漏磁場(chǎng)，如圖1(b)所示，可以看到缺陷上方的漏磁場(chǎng)形成的磁力線。缺陷部位的漏磁場(chǎng)信號(hào)通過(guò)檢測(cè)元件進(jìn)行拾取。

圖1 PMFL檢測(cè)仿真分析

圖2(a)所示為PMC檢測(cè)探頭的示意圖，在矩形空心線圈外部增加了連通的U型磁軛。相比于脈沖漏磁檢測(cè)中將激勵(lì)線圈繞制在U型磁芯部位激勵(lì)線圈自身的電感較大，PMC檢測(cè)采用矩形空心線圈，可以有效減小線圈電感，且磁軛磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率數(shù)值，可以約束激勵(lì)線圈兩端的漏磁場(chǎng)向外擴(kuò)散，所以矩形空心線圈兩端的磁場(chǎng)不會(huì)泄露到空氣中，在鐵磁性試件的局部實(shí)現(xiàn)更好的磁化，達(dá)到聚磁的效果。圖2(b)所示鐵磁性構(gòu)件磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線分布，從仿真結(jié)果中可以看出，激勵(lì)線圈對(duì)試件的滲透主要集中在試件的表面，但是在試件的表面具有較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度，且在缺陷部位也有較大的空間漏磁場(chǎng)產(chǎn)生。

圖2 PMC檢測(cè)仿真分析

對(duì)比PMFL和PMC仿真結(jié)果可以看出， PMFL檢測(cè)模式和PMC檢測(cè)模式下磁通密度模值的最大值分別為36.028，65.377 T，說(shuō)明PMC檢測(cè)模式下，試件在激勵(lì)線圈的作用下感應(yīng)磁場(chǎng)較強(qiáng)，因而在缺陷部位的聚磁效果更明顯；從被測(cè)試件的截面可以看出，PMFL檢測(cè)模式下激勵(lì)線圈對(duì)試件的滲透較深，但PMC激勵(lì)模式使得激勵(lì)強(qiáng)度主要集中在試件表面。因此，對(duì)于表面缺陷的檢測(cè)PMC檢測(cè)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2 2種激勵(lì)模式下不同的檢測(cè)分量仿真分析

為了探究PMC傳感器工作模式的有效性，對(duì)PMFL和PMC傳感器進(jìn)行三維有限元仿真，提取了試件磁通密度3個(gè)方向分量的分布情況。

從圖3(a)所示，磁通密度X分量4個(gè)正、負(fù)峰值對(duì)稱分布在缺陷的四周，越靠近缺陷部位，磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值越小，在到達(dá)缺陷中心的位置時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小衰減為零，由此說(shuō)明了，感應(yīng)磁場(chǎng)在經(jīng)過(guò)缺陷部位時(shí)泄露到試件上方的空氣域中，形成了以缺陷為中心的空間漏磁場(chǎng)。

圖3(b)所示，磁通密度Y分量的分布主要集中在被測(cè)試件的缺陷部位，且在缺陷的中間部位達(dá)到峰值，隨著坐標(biāo)值遠(yuǎn)離缺陷，磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值也隨之減小，這意味著漏磁場(chǎng)Y分量在缺陷部位和非缺陷部位檢測(cè)信號(hào)的區(qū)分度更為明顯。

圖3(c)所示，磁通密度Z分量的峰值集中分布在缺陷的內(nèi)部，由此反映了激勵(lì)線圈對(duì)試件的滲透深度，說(shuō)明磁感應(yīng)強(qiáng)度Z分量可以用于對(duì)試件表面缺陷深度的定量分析。

PMC檢測(cè)模式下試件磁通密度3個(gè)方向分量的分布情況如圖4所示。

圖3 PMFL傳感器三維有限元仿真模型示意圖

圖4 PMC傳感器三維有限元仿真模型示意圖

對(duì)比圖3和圖4可以看出，2種不同的激勵(lì)方式，對(duì)被測(cè)試件的磁化效果和磁通密度分布特征比較相似。提取3個(gè)方向上的磁通密度峰值得到表1，對(duì)比可以得出，在相同的激勵(lì)電流條件下，PMC激勵(lì)模式下的三維分量的磁通密度峰值更大，激勵(lì)效果更明顯。

表1 2種激勵(lì)模式下仿真結(jié)果磁通密度峰值 T

3 2種檢測(cè)方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

繞制加工與仿真模型等比例的傳感器檢測(cè)探頭，2種檢測(cè)模式的激勵(lì)線圈均采用如表2所示的參數(shù)。

表2 激勵(lì)線圈參數(shù)

脈沖方波激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器輸入到傳感器的激勵(lì)線圈，缺陷部位的漏磁場(chǎng)信號(hào)分別通過(guò)Hall傳感器和GMR傳感器獲取，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后進(jìn)行信號(hào)采集，采樣10個(gè)周期，取10個(gè)周期的缺陷信號(hào)進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波處理。對(duì)帶有不同深度的表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分別提取2種檢測(cè)模式下鐵磁性試件缺陷部位的漏磁場(chǎng)三維分量，檢測(cè)信號(hào)時(shí)域波形如圖5～圖7所示。

對(duì)不同深度缺陷的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，提取特征量幅值如圖5(c)、圖6(c)和圖7(c)所示。對(duì)比得出，相對(duì)于 PMFL檢測(cè)模式，PMC檢測(cè)模式下的3個(gè)方向的漏磁場(chǎng)分量響應(yīng)對(duì)缺陷深度變化更為敏感，說(shuō)明PMC檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)缺陷的三維分量的檢測(cè)性能優(yōu)于PMFL檢測(cè)結(jié)構(gòu)，利于對(duì)表面缺陷深度的定量分析和評(píng)估。

圖5 2種檢測(cè)方式下X分量與缺陷深度之間的關(guān)系

圖6 2種檢測(cè)方式下Y分量與缺陷深度之間的關(guān)系

圖7 2種檢測(cè)方式下Z分量與缺陷深度之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

在對(duì)PMFL和PEC的檢測(cè)探頭的研究基礎(chǔ)上，將矩形空心激勵(lì)線圈與U型磁軛相結(jié)合，提出了脈沖聚磁(PMC)檢測(cè)傳感器。通過(guò)三維有限元仿真，分析鐵磁性構(gòu)件在脈沖漏磁和脈沖聚磁2種激勵(lì)模式下的激勵(lì)效果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析缺陷部位X，Y和Z3個(gè)分量的響應(yīng)信號(hào)與不同深度的表面缺陷之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論:

1)相對(duì)于PMFL檢測(cè)，PMC檢測(cè)模式下激勵(lì)探頭對(duì)被測(cè)試件的3個(gè)方向的分量激勵(lì)效果更明顯；

2)在對(duì)鐵磁性構(gòu)件的缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)于不同深度的表面缺陷，脈沖漏磁響應(yīng)信號(hào)的三維分量具有更高的檢測(cè)靈敏度。

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Analysisoncharacteristicsofsurfacedefectdetectionofnewtypeofpulsedmagneticfluxleakagedetectingmethod

PAN Meng1,2, ZHOU De-qiang1,2,3, CHANG Xiang1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China;2.KeyLaboratoryforAdvancedFoodManufacturingEquipmentTechnologyofJiangsuProvince,Wuxi214122,China;3.WuxiGSPrecisionToolCoLtd,Wuxi214024,China)

The technology of the pulsed magnetic flux leakage detection has certain sensitivity to detect different depths of surface defects,but for analysis on component of magnetic flux leakage in different directions,it has some limitation.Aiming at this problem,the U-shaped magnetic plate in pulsed magnetic flux leakage(PMFL) and the hollow rectangle exciting coil in pulsed eddy current(PEC) detection are put together and put forward a new method of the pulsed magnetic concentration(PMC).Based on the simulation and experiment,the analysis is carried out on the ferromagnetic specimen under these two kinds of detection method,namely the PMFL and PMC,and the testing result of theX,YandZcomponent of response signal from the defective parts is obtained.The result shows that the PMC testing method has a better inspective effect of the three direction component ferromagnetic material defect detection.while is carried out Furthermore,the PMC has more sensitivity of the 3D magnetic flux leakage response signal to different depth of surface defects.

pulsed magnetic flux leakage; pulsed magnetic concentration; ferromagnetic material; defect detection

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0032—04

TG 115

A

1000—9787(2017)12—0032—04

2016—11—14

潘 萌(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)技術(shù)。