周德強,趙 健,常 祥,李 可,盛衛(wèi)鋒

(1.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214122;2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫 214122)

?

基于矩形線圈水平分量磁場分析的脈沖漏磁檢測研究

周德強1,2*,趙 健1,2,常 祥1,2,李 可1,2,盛衛(wèi)鋒1,2

(1.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214122;2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫 214122)

針對鐵磁性材料金屬的缺陷檢測,提出了一種基于矩形線圈水平分量磁場分析的檢測方法。在渦流和漏磁理論基礎上,建立了矩形激勵線圈檢測仿真模型。仿真表明:矩形線圈的下方水平磁場平整,當線圈軸線與缺陷方向垂直時,線圈底部水平分量的磁場與缺陷形成90°夾角。在鐵磁性金屬材料中,鐵和空氣介質處相對磁導率不一致導致磁場的偏轉,產(chǎn)生了較強的漏磁場。在非鐵磁性金屬中,磁感線在缺陷處分布較為平滑,并不存在漏磁現(xiàn)象。搭建了檢測平臺,并分別在缺陷邊緣和上部放置了Hall和GMR巨磁阻傳感器進行檢測。實驗結果表明:在鐵板表面,z分量磁場是渦流場和漏磁場的矢量疊加,磁場強,但與缺陷深度并沒有線性關系;x分量磁場是單一的漏磁場,與缺陷深度存在線性關系,可以對缺陷進行定量分析。

脈沖漏磁;矩形線圈;水平分量;差分檢測

矩形線圈在電磁無損檢測領域應用廣泛[1-3]。相比于傳統(tǒng)圓柱形線圈,矩形線圈檢測覆蓋面積大,能產(chǎn)生較為平整的磁場,同時具有無自抵消效應、衰減速度慢和檢測深度大等優(yōu)點[4]。目前,矩形線圈主要用于兩方面:一方面是磁導率一致的金屬材料,如鋁、銅等非鐵磁性材料的缺陷檢測和厚度測量[5-7]。文獻[7]利用矩形激勵線圈和檢測線圈對鋁試件缺陷進行了缺陷分類,結果證明脈沖渦流對鋁材料缺陷具有很好的檢測作用。另一方面是特殊的復合材料,如碳纖維等材料,對于碳纖維不同纖維走向上的缺陷具有很好的識別作用[8-9]。文獻[8]的將矩形線圈步進30°旋轉一周,檢測各個方向上的纖維層斷裂和脫層情況。

針對鐵磁性金屬材料的檢測,由于其內(nèi)部磁導率分布不均勻,存在各向異性,導致矩形激勵線圈并不能在鐵磁性性試件上形成較為規(guī)則的渦流,因此在對鐵磁性管道檢測前是需要進行預先飽和磁化[10]。鐵磁性材料同時具有很高的磁導率,在缺陷處會產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象,漏磁檢測也是一種鐵磁性材料的檢測方法[11]。漏磁檢測之前需要對待測試件進行磁化。交流磁化因為其磁路設計簡單、造價低、檢測后不需要退磁而逐漸得到重視[12]。常見的交流磁化采用單頻正弦波激勵,在檢測表面缺陷時選用高頻正弦波;在檢測深度缺陷時選用低頻正弦波[13]。但是,隨缺陷深度改變激勵信號頻率會使得檢測過程繁瑣。脈沖信號是由基波和諧波分量構成,頻譜豐富,因此可以提高表層和深層缺陷的測試效果[14-15]。

本文從鐵磁性材料的渦流和漏磁特性出發(fā),提出了一種基于矩形線圈水平磁場分量的檢測方法,并通過有限元仿真和實驗進行驗證。

1 仿真模型的建立與仿真分析

1.1 仿真模型的建立

本文采用Comsol Multiphysics軟件建立了如圖1所示的三維矩形激勵線圈檢測模型,并在AC/DC模塊的瞬態(tài)電磁場環(huán)境下進行求解和分析。在模型中,試件為長寬高為90 mm×90 mm×10 mm,矩形線圈的長寬高為32 mm×28 mm×18 mm,提離高度為0.5 mm;漆包線截面積為1 mm2,匝數(shù)為200匝;空氣域為半徑為150 mm的圓。定義邊界條件為磁感線平行于模型的邊界,對模型進行網(wǎng)格的劃分,采用計算線圈電流密度的方法向矩形線圈導入幅值為0.1 A,頻率為100 Hz的脈沖電流來在瞬態(tài)的環(huán)境下進行求解。仿真試樣中鐵磁性與非鐵磁性金屬分別設置為鐵與鋁,其電導率分別為1.12×107S/m、3.774×107S/m;磁導率分別為4 000和1。

圖1 矩形線圈檢測三維仿真模型

1.2 矩形線圈渦流檢測仿真分析

在仿真軟件中,將矩形線圈軸線與缺陷方向保持平行,分別在試件上加載非鐵磁性和鐵磁性兩種材料屬性數(shù)值,試件上的渦流分布如圖2所示。從圖2(a)可以看出,在非鐵磁性試件中,由于其自身磁導率均勻,產(chǎn)生的感應渦流較為平滑,只在缺陷處受到擾動?；谶@種情況,一般認為渦流方向與缺陷方向垂直時,缺陷對規(guī)整的渦流造成的擾動最大,有利于缺陷的發(fā)現(xiàn)和后續(xù)的定量分析。但從圖2(b)可以看出,對于鐵磁性材料,試件內(nèi)部的渦流分布呈現(xiàn)出與非鐵磁性金屬感應渦流大致相同但是局部渦流方向雜亂無章的形式。這是由于鐵磁性試件的磁導率會受到渦流局部磁化的作用,而導致在局部小塊上磁導率各不相同,存在各向異性。實際上,不規(guī)則的局部渦流會一定程度上影響檢測的效果。

圖2 矩形線圈軸線與缺陷平行時試件感應渦流分布

1.3 矩形線圈漏磁檢測仿真分析

鑒于鐵磁性材料這種不均勻的磁導率,渦流檢測之前一般要將待測試件進行飽和磁化。但是這種飽和磁化儀器價格昂貴,而且磁化后的渦流機理有待驗證[16]。所以在仿真中,改變傳統(tǒng)的渦流檢測放置方式,嘗試從矩形線圈周圍磁感線分布入手,尋找更加適合的檢測方式。

圖3 矩形線圈空氣域感應磁場分布

矩形線圈的磁感線分別如圖3所示。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn),矩形線圈底部形成的磁場較為平整,是形成漏磁場的良好條件。在仿真軟件中將矩形線圈旋轉,當其軸線與試件缺陷垂直時,矩形線圈下方的磁感線與試件走向成90°夾角,易于形成漏磁場。

圖4 三維模型磁場分布圖

圖4是鐵磁性試件和非鐵磁性試件缺陷與矩形線圈軸線垂直時三維模型磁場的分布圖。從圖4(a)可以看出,鐵磁性金屬材料上的磁感線主要分布在缺陷處附近,而且缺陷上方的磁感線不僅最為密集且存在向上凸的現(xiàn)象,這是因為磁場遇到與其相垂直的缺陷時,鐵板和空氣介質處相對磁導率不一致導致磁場的偏轉,這就造成了漏磁場的產(chǎn)生。圖4(b)為非鐵磁性材料脈沖渦流檢測磁感線分布圖,相對于4(a),可以明顯發(fā)現(xiàn)磁感線均勻分布,缺陷處磁感線較為平滑,并沒有出現(xiàn)圖4(a)所示的集中分布和上凸現(xiàn)象。為了更加清楚地說明矩形線圈在檢測鐵磁性材料時存在漏磁信號,對非鐵磁性和鐵磁性材料缺陷處的磁感線進行局部放大,并得到如圖5的結果。圖5(a)更加清晰的表明了鐵磁性材料缺陷的磁場發(fā)生的畸變現(xiàn)象。而圖5(b)中,非磁性材料缺陷處磁場是由空氣中平穩(wěn)進入缺陷,并沒有造成磁場的泄漏現(xiàn)象。通過對矩形線圈在鐵磁性和非鐵磁性材料缺陷檢測時磁感線分布圖進行對比,可以得出結論:矩形線圈軸線與缺陷垂直放置方式時,在檢測鐵磁性金屬缺陷處會產(chǎn)生漏磁效應,具有脈沖漏磁檢測的特性。

圖6 不同特征量與缺陷關系圖

圖5 試件截面磁力線分布圖

1.4 仿真信號分析

圖6(a)、圖6(b)分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm深度缺陷檢測中z分量和x分量的磁場強度圖。從圖6(a)中可以看出,z分量的磁通隨著缺陷的加深而增加,但彼此之間的關系并不明確。文獻[7]中表明,在對鋁板缺陷進行分類識別時,將矩形線圈軸線與缺陷方向垂直放置時,在缺陷邊緣處也檢測到渦流信號。據(jù)此可知,鐵磁性金屬z分量方向上既存在渦流信號也存在漏磁信號,z方向上的磁通是渦流場和漏磁場矢量疊加。疊加后的磁場強度高,但疊加關系復雜,彼此之間互相影響,數(shù)值上呈現(xiàn)出無規(guī)律的狀態(tài)。從圖6(b)可以看出,x分量的磁通隨著缺陷深度的加深而呈現(xiàn)規(guī)律性的增加。這是由于在缺陷的正上方,x分量磁場是單一的漏磁場信號,單維度的漏磁場雖然強度比復合場的要小,但其強度與缺陷深度正相關,更適合作為鐵磁性缺陷深度檢測的特征量。

圖7 矩形檢測探頭結構圖

2 實驗裝置

實驗裝置主要由脈沖信號發(fā)生器、矩形激勵線圈、Hall傳感器、GMR傳感器、功率放大模塊、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和被檢試件組成。采用YUANLONG VD1641函數(shù)發(fā)生器作為脈沖信號發(fā)生模塊,它具有可選的任意波形生成功能。功率放大模塊采用英國牛頓科技公司研制的Newtons4th Ltd.LPA05B型號的功率放大器。信號調(diào)理電路主要包括濾波電路和信號放大電路。數(shù)據(jù)采集模塊選用Adlink公司推出的一款數(shù)據(jù)采集卡DAQ2010作為實驗所使用的數(shù)據(jù)采集設備。本實驗使用的檢測探頭如圖7所示,其中激勵線圈尺寸為32 mm×28 mm×18 mm。針對不同分量的磁場采用不同的檢測傳感器。為了使用和安裝方便,分別制作了帶有霍爾和GMR的PCB板傳感器模塊,傳感器模塊長32 mm、寬18 mm,安裝方式為卡嵌在兩端的尼龍骨架凸起端。被檢試件主要包括刻有不同深度的鐵板,如圖8所示。

圖8 實驗鐵板及缺陷尺寸

3 實驗結果分析

3.1 鐵板缺陷z分量檢測實驗結果分析

根據(jù)仿真得到的結果,設計了相應的實驗來驗證結論的合理性。對矩形激勵線圈施加大小為1 A,頻率為100 Hz,占空比為50%的脈沖方波,并采用UGN3503霍爾元件進行數(shù)據(jù)采集。UGN3503霍爾元件的線性度較好,其測量磁場范圍為-900 Guass～+900 Guass、靈敏度為1.3 mV/G,滿足實驗需求。另外,UGN3503的工作面為上下面,對磁場z方向的分量具有很好的檢測效果。傳感器差分布置被認為是一種有效減小干擾的檢測手段,故本文制作了如圖9所示的霍爾差分傳感器來捕獲試件z分量的缺陷信號。圖10為霍爾差分傳感器檢測示意圖。

圖9 霍爾差分傳感器

圖10 霍爾差分傳感器檢測示意圖

從仿真得到的磁感線分析可知,z分量的信號主要集中在缺陷的邊緣附近。因此在缺陷邊緣放置Hall差分傳感器,提取z分量差分檢測信號。為了使數(shù)據(jù)更加利于分析,本文設計了數(shù)字低通濾波器對采集到的信號進行濾波,濾波器的截止頻率為1 kHz;同時采用小波平滑處理,使數(shù)據(jù)的峰值波動范圍更小。

從圖11中可以看出,z分量信號大小與缺陷深度具有相關性。為了進一步分析,分別提取了五次測量得到的4種深度缺陷對應的峰值,并制作了z分量信號峰值與缺陷深度的關系圖如圖12所示。

圖11 z分量檢測信號

圖12 z分量峰值的測量值

圖13 z分量峰值的均值及誤差

從圖12中可以看出,峰值總體上隨著缺陷的加深而增加,但不同深度段增長幅度并不一樣。為了減小實驗過程中的誤差影響,取各缺陷深度峰值的平均值進行擬合分析,并將誤差用誤差棒在圖13中表示,圖中誤差棒表示的標準差分別是2.5×10-3、8.5×10-3、1.15×10-2、2.44×10-2、3.13×10-2。從圖13可以看出,各深度缺陷峰值呈現(xiàn)出先前半段增長平緩后半段增長較快的形式。這說明了:在4 mm缺陷深度以內(nèi),渦流和漏磁的耦合場矢量疊加較小;在4 mm～8 mm缺陷深度之間,矢量疊加逐漸增加;6 mm～8 mm缺陷深度之間矢量和逐漸接近最大疊加程度。

3.2 鐵板缺陷x分量檢測實驗結果分析

漏磁場的磁感線大致呈拱形狀,中間部分存在平直的x分量的磁場。對于x分量的檢測,常規(guī)的Hall傳感器由于在矩形線圈上無法豎直來布置。巨磁阻(GMR)傳感器是根據(jù)巨磁阻效應而研制的磁傳感器,其相對于Hall傳感器,GMR傳感器有著更高的檢測靈敏度、較好的輸出電壓線性度以及差分輸出等特性[17]。本文所采用的GMR傳感器為AA002-02E型號,GMRAA002-02E為一家專門生產(chǎn)磁性傳感器和隔離器的美國NVE公司所研制的,其擁有應用領域廣、檢測靈敏度高、磁滯效應低以及能夠高溫環(huán)境下檢測等優(yōu)點。這款GMR傳感器的感應磁場線性范圍為1.5 Gauss～10.5 Gauss,靈敏度為3.0 mV/G～4.2 mV/G,最大的工作溫度為125 ℃,工作面為左右面,能夠滿足本文檢測研究的需要。制作的GMR差分傳感器見圖14。圖15為GMR差分傳感器檢測示意圖。

圖14 GMR差分傳感器

圖15 GMR差分傳感器檢測示意圖

圖16 x分量漏磁檢測信號

2 mm、4 mm、6 mm、8 mm深度缺陷各自的x分量的差分信號如圖16所示。

為了一步明確缺陷深度與x分量磁場的關系,同樣地對采集到的五次測量信號進行了濾波和平滑處理,提取了各個缺陷的峰值信號,見圖17。

從圖17可以看出,在整個2 mm到8 mm深度端的缺陷上,x分量的峰值與缺陷的深度大體上存在相同的比例關系,并不存在z分量上的突變階段深度。為了更好地了解峰值與缺陷之間的關系,同樣地將各個缺陷的峰值進行取平均的處理,得到圖18所示的線圖,圖中標準差分別是5.7×10-3、5.8×10-3、9.1×10-3、7.4×10-3、1.46×10-2。從圖18中可以看出,在0～8 mm缺陷深度之間,z分量的信號峰值與缺陷深度具有明顯的線性關系,這與仿真得到的結論相符,說明由于x分量信號的單一漏磁,缺陷上方漏磁場變化時,GMR在缺陷上方檢測到的信號未受到渦流信號的影響。

圖17 x分量峰值的測量值

圖18 x分量峰值的均值及誤差

4 結論

針對鐵磁性材料的檢測,建立了脈沖激勵下的矩形線圈渦流和漏磁有限元檢測模型,通過有限元仿真與實驗驗證,得出如下結論:①矩形線圈在鐵板表面形成的渦流均勻性不足且局部方向分布無規(guī)則;②當矩形線圈的軸線與缺陷方向垂直時,水平分布的磁感線在缺陷處進入空氣時發(fā)生明顯的偏移,能夠產(chǎn)生較強的漏磁磁場;③隨著缺陷深度的加深,磁通密度X和Z方向的漏磁分量都得到一定的加強。Z方向的復合磁場是漏磁場與渦流場的矢量疊加,疊加后的場強較大,但是兩者之間的疊加關系復雜;X方向的磁場是單一的漏磁場,其大小與缺陷的深度成正比,可以作為特征量對缺陷進行定量分析。

[1] Theodoros P T,Epameinondas E K. Impedance Evaluation of Rectangular Coils for Eddy Current Testing of Planar Media[J]. NDT&E International,2002(35):407-414.

[2] 曹雄恒. 矩形線圈激勵無損檢測技術研究[D]. 北京:國防科學技術大學,2002.

[3] Wu J,Zhou D,Wang J. Surface Crack Detection for Carbon Fiber Reinforced Plastic Materials Using Pulsed Eddy Current Based on Rectangular Differential Probe[J]. Journal of Sensors,2014,2014:1-8.

[4] Hoshikawa H,Koyama K. Non-Destructive Testing of Weld Zone with a Uniform Eddy Current Probe[J]. 1998,40(4):269-271.

[5] 何赟澤,羅飛路,胡祥超,等. 矩形脈沖渦流傳感器的三維磁場量與缺陷定量評估[J]. 儀器儀表學報,2010,31(2):347-351.

[6] 楊賓峰,羅飛路,潘孟春. 脈沖渦流無損檢測中腐蝕缺陷邊緣的識別[J]. 機械工程學報,2008,44(12):75-79.

[7] He Y,Luo F,Pan M,et al. Defect Edge Identification with Rectangular Pulsed Eddy Current Sensor Based on Transient Response Signals[J]. NDT&E International,2010,43(5):409-415.

[8] 周德強,尤麗華,張秋菊,等. 碳纖維增強復合材料脈沖渦流無損檢測仿真與實驗研究[J]. 傳感技術學報,2014,27(2):277-282.

[9] 孫磊. 碳纖維增強樹脂基復合材料渦流無損檢測有限元分析[D]. 廈門:廈門大學,2014.

[10] 李富成. 鋼管渦流探傷設備的技術改造[J]. 無損檢測,2006,28(2):84-85.

[11] Sukhikh A V,Sagalov S S. Application of the Magnetic Saturation Method for Eddy-Current Inspection of Spent Fuel Elements from Fast Reactors[J]. Atomic Energy,2007,102(2):139-145.

[12] 周小兵,康宜華,丁紅霞. 交流漏磁檢測系統(tǒng)設計及實驗研究[J]. 無損探傷,2006,30(4):16-17.

[13] 吳德會,游德海,柳振涼,等. 交流漏磁檢測法趨膚深度的機理與實驗研究[J]. 儀器儀表學報,2014,35(2):327-336.

[14] 許鵬,黃俊,朱勵歷. 基于脈沖漏磁的缺陷量化評估[J]. 無損檢測,2015,10:47-50,76.

[15] 唐鶯,潘孟春,羅飛路. 脈沖漏磁檢測技術中傳感器性能影響因素研究[J]. 儀器儀表學報,2010,31(12):2875-2880.

[16] 宋凱,康宜華,孫燕華,等. 漏磁與渦流復合探傷時信號產(chǎn)生機理研究[J]. 機械工程學報,2009,45(7):233-237.

[17] Pelkner M,Neubauer A,Reimund V,et al. Routes for GMR-Sensor Design in Non-Destructive Testing[J]. Sensors,2012,12(9):12169-83.

Investigation of Pulsed Magnetic Flux Leakage Testing Based on Horizontal Magnetic Fieldanalysis of Rectangular Coil

ZHOU Deqiang1,2*,ZHAO Jian1,2,CHANG Xiang1,2,LI Ke1,2,SHENG Weifeng1,2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122,China;2.The Key Laboratory for Advanced Food Manufacturing Equipment Technology of Jiangsu Province,Wuxi Jiangsu 214122,China)

Aiming at the problem that detection of ferromagnetic material,the method of pulsed magnetic flux leak testing based on horizontal magnetic flux of rectangular coil was proposed. The finite element simulation model with rectangular coil was established on the base of the theoretical analysis of eddy current and magnetic flux leakage. The simulation resultshave showed that when the axis of rectangular coil is perpendicular to the direction of crack,the horizontal magnetic flux line deflect on the junction of iron and air. At the situation,magnetic flux leakage filed is formed. According to the results of finite element simulation,the specimen and sensors are manufactured. The experimental result indicates that z direction magnetic flux is constituted with EC magnetic filedand leakage filed without linear relation;x direction magnetic flux has a linear relation with the depth of crack and can be a characteristic quantity on the detection of ferromagnetic material.

pulsed magnetic flux leakage;rectangular probe;horizontal magnetic field;differential detection

周德強(1979-),男,湖北天門人,博士,副教授,主要從事無損檢測及自動化研究,zhoudeqiang@jiangnan.edu.cn;

趙 健(1993-),男,江蘇鹽城人,碩士生,主要從事無損檢測及自動化研究,609056923@qq.com。

項目來源:國家自然科學基金項目(51107053/E070104);中國博士后基金項目(2012M520994)

2016-11-20 修改日期:2017-01-10

TG115.28

A

1004-1699(2017)06-0820-06

C:5130;0550

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.003