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(南京航空航天大學(xué) 多電飛機電氣系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點實驗室,南京 211106)
脈沖漏磁檢測技術(shù)(PMFL)結(jié)合了漏磁檢測技術(shù)[1]和脈沖渦流檢測技術(shù)[2]兩者的優(yōu)勢,使用頻譜豐富的脈沖方波信號作為激勵。相較于傳統(tǒng)漏磁檢測技術(shù)而言,其可以分別通過時域和頻域分析漏磁信號,得到不同深度的缺陷信息,因而廣泛應(yīng)用于鐵板、管道、軌道等導(dǎo)磁材料的缺陷檢測中[3-4]。
脈沖漏磁檢測探頭主要由磁芯、磁敏傳感器(如霍爾元件)和勵磁線圈組成,脈沖漏磁檢測原理示意如圖1所示。檢測時,勵磁線圈上加載脈沖方波電壓激勵,在被測樣本中形成脈沖磁場,當樣本存在缺陷時,缺陷附近的磁場會發(fā)生畸變,一部分磁場將穿出樣本表面形成漏磁場,使用磁敏傳感器可以檢測出這部分漏磁場并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號[5-7],從而實現(xiàn)對缺陷的檢測。
圖1 脈沖漏磁檢測原理示意
由于采用了脈沖方波激勵,樣本中的磁場強度會隨時間而改變,尤其是在激勵信號上升沿和下降沿處的變化最明顯。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當閉合回路內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時,導(dǎo)體中將感應(yīng)出電動勢,形成電流而阻礙磁通變化[8]。所以當磁場變化時,樣本中將會感應(yīng)出渦流阻礙原磁場的變化,進而影響漏磁場的變化。渦流具有趨膚效應(yīng),渦流密度衰減到其表面值的1/e時的透入深度稱為趨膚深度[9],其表達式為
(1)
式中:δ為趨膚深度;f為激勵頻率;μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率。
可以看出,趨膚深度會隨著激勵頻率的增大而減小,所以檢測表面缺陷時往往采用高頻信號,而檢測內(nèi)部缺陷時采用低頻信號。
筆者采用脈沖漏磁檢測技術(shù),對表面加工有矩形槽缺陷的鋼板樣本進行檢測。為了研究渦流效應(yīng)對漏磁場的影響,使用有限元分析軟件ANSYS Maxwell建立脈沖漏磁檢測的仿真模型,并觀察瞬態(tài)磁場與渦流的分布情況,分析渦流效應(yīng)對漏磁場的影響。基于試驗檢測結(jié)果,對比分析了缺陷深度對脈沖漏磁檢測信號兩種特征值的影響。
圖2 脈沖漏磁檢測二維仿真模型示意
為了對比分析仿真與試驗結(jié)果,在仿真模型中設(shè)置與試驗系統(tǒng)相同的參數(shù)。選擇瞬態(tài)場作為求解類型,使用有限元分析軟件建立了脈沖漏磁檢測的二維仿真模型(見圖2)。鋼板長150 mm,高11 mm,表面有寬1 mm,深5 mm的缺陷;磁芯長74 mm,高33 mm,磁極寬14 mm;上下線圈截面的長寬分別為40 mm和5 mm。設(shè)置仿真邊界條件為氣球邊界,表示磁場是一個開域,在無限遠處磁場強度為零。設(shè)置線圈材料為銅;磁芯材料為鐵氧體,相對磁導(dǎo)率為150,電導(dǎo)率為0.01 S·m-1;鋼板樣本材料為45鋼,電導(dǎo)率為4×106S·m-1,初始磁化特性曲線(B-H曲線)如圖3所示(B為磁感應(yīng)強度,H為磁場強度)。
圖3 45鋼初始磁化特性曲線
ANSYS Maxwell軟件具有自適應(yīng)的網(wǎng)格剖分功能,但是其初始網(wǎng)格較為粗糙,為了提高仿真分析結(jié)果的精確度,需對檢測模型進行手動剖分。如圖2所示,在缺陷正上方建立長10 mm,寬5 mm的加密區(qū)進行單獨加密剖分以提高漏磁場計算的精度。選擇基于內(nèi)部的剖分方式,設(shè)置線圈、磁芯、鋼板、加密區(qū)和空氣域剖分網(wǎng)格的最大邊長分別為2,2,1,0.1,5 mm,仿真模型剖分結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,主磁場回路與漏磁場回路所經(jīng)過區(qū)域的網(wǎng)格剖分非常精細,有利于精確計算磁場大小與分布情況。設(shè)置激勵線圈匝數(shù)為600,將上下線圈設(shè)置成一個繞組,并在繞組上施加10 V的階躍電壓激勵,線圈的電阻、電感與所施加的激勵參數(shù)設(shè)置如圖5所示。設(shè)置仿真的總時長為250 ms,時間步長為5 ms。
圖4 仿真模型剖分結(jié)果
圖5 線圈的電阻、電感與所施加的激勵參數(shù)設(shè)置
在仿真中使用階躍電壓作為漏磁檢測的激勵源,0時刻激勵電壓階躍上升,激勵電流快速增大,此時缺陷處的漏磁場也將迅速變大,與使用脈沖激勵信號時漏磁場的變化情況相同。隨著磁場強度的快速上升,被測鋼板樣本中感應(yīng)出了電渦流,阻礙了磁路中瞬態(tài)磁場的迅速變化。
通過建立考慮渦流效應(yīng)和不考慮渦流效應(yīng)兩組仿真模型,對比分析了感生電渦流對勵磁電流的影響,每隔5 ms記錄一次仿真結(jié)果,所描繪的激勵電流波形如圖6所示。仿真結(jié)果顯示了在開始階段考慮渦流效應(yīng)模型的激勵電流上升得更快,這是由于在0時刻激勵電壓發(fā)生突變,樣本內(nèi)部的激勵磁場強度也快速增大,從而引起了很強的渦流效應(yīng)。根據(jù)電路理論分析可知,渦流回路的等效電感較大,使得整個電路的等效阻抗在0時刻瞬間相對于沒有渦流效應(yīng)時的等效阻抗偏小,所以在0時刻后的一小段時間內(nèi),考慮渦流效應(yīng)模型的激勵電流增大較快。同時,因為渦流的產(chǎn)生阻礙了激勵磁場的變化,所以相比較而言,考慮渦流效應(yīng)模型中的磁場到達穩(wěn)態(tài)的時間更長,而不考慮渦流效應(yīng)模型的激勵電流將先達到穩(wěn)態(tài)。
圖6 激勵電流波形
由仿真得到鋼板內(nèi)磁感應(yīng)強度在不同時刻(10,30,50,150,200 ms)的分布如圖7所示。開始階段(10,30 ms)磁場變化非常明顯,并且磁場集中分布在鋼板樣本的上表面,在缺陷下方材料連續(xù)處的磁感應(yīng)強度最大。隨著激勵電流趨于穩(wěn)定(150,200 ms),磁場變化減緩,呈現(xiàn)外擴的趨勢,并逐漸分布在整個鋼板樣本內(nèi)部,進入穩(wěn)態(tài)。
圖7 不同時刻鋼板內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布
圖8 不同時刻鋼板內(nèi)部渦流的分布
由仿真分析結(jié)果得到不同時刻鋼板內(nèi)部渦流的分布如圖8所示。由于渦流只存在于磁場產(chǎn)生變化的區(qū)域,所以渦流分布與圖7中磁場的分布相似。開始時(5 ms)渦流集中分布在鋼板樣本的上表面,并且越靠近表面處渦流密度越大,隨后由于磁場的擴散,渦流的分布范圍也隨之增大。在20 ms前,由于激勵電流快速上升,磁場變化劇烈,因而感生渦流逐漸增強;隨著時間的推移,勵磁電流的上升速率減小,磁場變化減緩,渦流隨之減??;在100 ms時,激勵電流和磁場趨于穩(wěn)定,渦流幾乎完全消失。
仿真分析鋼板樣本中渦流效應(yīng)對缺陷漏磁場的影響,缺陷正上方1 mm處漏磁感應(yīng)強度隨時間的變化如圖9所示??紤]渦流效應(yīng)模型的缺陷處漏磁場在0時刻后一段時間內(nèi)存在明顯的過沖信號,隨后緩慢下降趨于穩(wěn)定,而不考慮渦流效應(yīng)模型的漏磁場隨時間單調(diào)上升至穩(wěn)態(tài)值的情況。這是由于鋼板樣本內(nèi)部的感生渦流阻礙了原磁場的變化,所以鋼板內(nèi)部磁阻增大,通過鋼板的磁場相對減小,漏磁場有所增強;隨著渦流減小并逐漸消失,鋼板的磁阻也逐漸減小,通過鋼板的磁場有所增強,漏磁場隨之減小。仿真結(jié)果表明,漏磁檢測信號在該模型條件下存在一個大約100 ms的過沖現(xiàn)象,之后趨于穩(wěn)定。
圖9 缺陷正上方1 mm處漏磁感應(yīng)強度隨時間的變化
圖10 不同磁場激勵情況下漏磁信號隨時間的變化
為了分析不同大小的磁場激勵對脈沖漏磁信號的影響,分別改變激勵磁芯的相對磁導(dǎo)率μr和激勵電壓U,仿真分析不同磁場激勵情況下漏磁信號隨時間的變化如圖10所示。其中,圖10(a)的激勵電壓U為10 V,磁芯μr分別為150,300,450,600;圖10(b)的磁芯μr為150,激勵電壓U分別為10,20,30,40 V。仿真結(jié)果表明,當激勵磁場相對較弱時(μr較小或U較小),漏磁信號波形在激勵信號0時刻后存在短暫的過沖現(xiàn)象,隨后緩慢下降至穩(wěn)態(tài),且穩(wěn)態(tài)值較小;而當激勵磁場相對較強時(μr較大或U較大),脈沖漏磁信號單調(diào)上升。因為鋼板內(nèi)感生渦流的存在增大了漏磁場的變化率,所以在開始階段信號上升較快,之后一段時間內(nèi)上升速率先減小后增大,最后緩慢達到穩(wěn)態(tài),且穩(wěn)態(tài)值也更大。通過對仿真結(jié)果的分析表明,在磁場激勵較小的情況下,渦流效應(yīng)對漏磁信號的影響較大,漏磁信號先上升后下降直至穩(wěn)態(tài),存在過沖現(xiàn)象;而在磁場激勵較大的情況下,漏磁場本身更強,渦流效應(yīng)對漏磁信號的影響較小,漏磁信號單調(diào)上升直至穩(wěn)態(tài),不存在過沖現(xiàn)象,并且漏磁信號的穩(wěn)態(tài)值隨著激勵磁場的增大而增大。
圖11 脈沖漏磁檢測試驗平臺組成
搭建了脈沖漏磁檢測試驗平臺,平臺由U型檢測探頭、功率放大電路、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和基于LabVIEW的虛擬儀器組成(見圖11)。通過LabVIEW編寫的虛擬儀器程序與數(shù)據(jù)采集模塊進行通信,發(fā)出的脈沖電壓信號經(jīng)功率放大電路放大后施加在勵磁線圈上,同時霍爾傳感器將采集到的漏磁場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號,經(jīng)過去偏置和濾波后傳輸?shù)教摂M儀器上以便存儲與分析。勵磁探頭采用的磁芯材料相對磁導(dǎo)率μr為150,激勵電壓為10 V,其他參數(shù)均與仿真參數(shù)一致。被測鋼板樣本表面加工凹槽模擬裂紋缺陷,缺陷寬度為1 mm,深度分別為2,5,7 mm。
以缺陷中心線為0 mm位置,探頭沿著垂直于缺陷延伸方向從-10 mm移動到+10 mm,每隔0.5 mm檢測一次,保存漏磁檢測信號。在0.5 mm位置處檢測得到的3種不同深度缺陷的漏磁場信號波形如圖12所示。由圖12可知,3種不同深度缺陷的漏磁場在一開始都存在過沖信號,隨后緩慢下降到穩(wěn)態(tài),并且缺陷深度越大,檢測信號的峰值越大,穩(wěn)態(tài)值也越大。試驗結(jié)果表明,當激勵磁場較弱時,漏磁檢測信號存在過沖現(xiàn)象,與仿真結(jié)果一致。
圖12 0.5 mm位置處的3種不同深度缺陷的漏磁場信號波形
圖13 漏磁檢測信號特征值與位置關(guān)系曲線
從檢測信號波形可以看出,漏磁信號的峰值和穩(wěn)態(tài)值受缺陷深度影響明顯,因而將峰值和穩(wěn)態(tài)值作為評估缺陷參數(shù)的兩個特征值,分別繪制出漏磁信號的峰值和穩(wěn)態(tài)值隨檢測位置變化的曲線(見圖13)??梢钥闯?,兩個特征值隨檢測位置變化的趨勢一致,相比于穩(wěn)態(tài)值信號而言,峰值信號的變化幅度更大,且隨著缺陷深度的增加,漏磁信號特征值隨檢測位置變化曲線的峰-谷值逐漸增大。
分析圖13中兩種特征值信號的峰-谷值與缺陷深度之間的變化關(guān)系(見圖14)。在所檢測的缺陷深度范圍內(nèi),兩種特征信號的峰-谷值隨著缺陷深度的變大均成比例地增大。穩(wěn)態(tài)值信號幾乎呈線性增大,變化幅值相對較小。而峰值信號的變化幅值較大,更有利于對缺陷進行量化評估,并且在深度較小時變化斜率更大,對深度的分辨率就更高。因為脈沖漏磁檢測時鋼板內(nèi)感生的渦流主要集中在上表面區(qū)域,所以較淺處缺陷對渦流的影響更大,漏磁信號的變化幅值也更大。因而,當激勵磁場較小時,基于脈沖漏磁信號的峰值特征更有利于缺陷深度的量化評估。
圖14 兩種特征信號的峰-谷值與缺陷深度的關(guān)系
當激勵磁場較小時,渦流效應(yīng)對漏磁場的影響較大,漏磁信號存在過沖現(xiàn)象;當激勵磁場較大時,渦流效應(yīng)對漏磁場的影響較小,漏磁信號單調(diào)上升至穩(wěn)態(tài),不存在過沖現(xiàn)象。搭建了脈沖漏磁檢測試驗平臺進行檢測試驗,試驗結(jié)果和仿真分析結(jié)果相一致。研究了當激勵磁場較小時應(yīng)用漏磁信號的峰值和穩(wěn)態(tài)值作為特征值量化評估缺陷深度的方法,對比分析表明,基于脈沖漏磁信號峰值特征的缺陷深度量化評估具有更高的精度。
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