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1、华中科技大学 硕士学位论文 多频漏磁检测原理及应用研究 姓名：丁红霞 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：康宜华;武新军 20090428 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 随着现代社会对质量要求的不断提高， 对缺陷的定量无损检测和描述的要求也不断 提高。在漏磁检测过程中，即使将待检工件磁化到饱和，对于同样特征的内伤和外伤， 所检测到的漏磁信号会有差异， 这种差异将直接导致漏检、 误判， 造成不可估量的损失。 本文针对交流磁化，提出了多频漏磁检测方法，该方法能对缺陷层次定位，同时也能获 得更多的信息量，有利于
2、定量化程度的提高，对缺陷的特征判断也将更加准确。 在多频漏磁检测方法的研究中，考虑了影响磁场的众多因素，探讨了提离、材料的 磁导率、电流频率、以及频率组合激励对检测磁场信号的影响，找出了各因素与磁场分 布的关系，并通过实验数据对此进行了分析验证。对多频漏磁机理的深入研究中，建立 了多频激励下的磁场特征模型， 并通过数学的方法推导出了磁场各点方向和相位的变化 规律；对信号特征等进行数值分析，建立了交流漏磁检测的等效模型。最后，进行了多 频漏磁的实验研究，包括传感器的设计制作、信号处理方法、实验数据分析等，充分验 证了多频漏磁检测理论体系的正确性。 理论分析和实验研究表明，多频漏磁检测方法能够有效
3、的对缺陷的层次进行定位， 能够很大程度上提高缺陷的定量化检测水平，具有广阔的发展前景。 关键词关键词：交流漏磁 多频 无损检测 缺陷 分层检测 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Increasing quality consciousness is placing higher demands on the accuracy and reliability of inspection systems used in defect detection and characterization. In the pro
4、cess of testing, even though the ferromagnetic material was magnetized to the saturation, the flux leakage signal will still be different for the internal defect and external defect of the same characteristic, this kind of difference will cause the miss testing of a flaw, and miscarriage of justice
5、directly, resulting in the loss that cant be estimated. Based on the method of alternative flux leakage testing, put forward a new non-destructive testing technique of multi-frequency flux leakage. By this method we can get the position of a flaw, also can acquire more amount of information. Be adva
6、ntageous to the exaltation that the fixed amount turns the degree, the characteristic judgment of the blemish also will more accurate. This new technique would be benefit of enhancing the ration testing. In the process of studying on the technique of multi-frequency flux leakage testing, this paper
7、studied mainly on the factors of effecting the magnetic of flux leakage, such as the effects due to lift-off, material properties, intensity and frequency of current on the measurements, and the component of exciting frequency . Find out the relation during each factor and magnetic fields distribute
8、, and verified the theories correctly by experiment. Then, carried on thorough research to the principle of multi-frequency flux leakage, build up the model of magnetic field characteristic by multi-frequency exciting, find out the changing regulation of the orientation and the phase by analysis; an
9、alyzed the signal characteristic, building up the model of alternative magnetic flux leakage testing. Finally, by the experiment research of multi-frequency magnetic flux leakage testing, including the choice and design of transducer, the signal processing method, the experiment data analyzes and th
10、e research etc， and fully verified the correctness of this thesis. The study on the theories and experiment shows that this method can effectively find the position of defect, can improve the level of rational testing, having the vast development foreground. Keywords: alternative magnetic flux leaka
11、ge, multi-frequency, non-destructive testing, defect，layered testing II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送
12、交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 本论文属于 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 概论 1 概论 1.1 概论概论 新世纪无损检测的研究方向是实现缺陷检测的定量化、自动化、可视化，实现定量 无损检测。漏磁检测作为一种能够将检测信号与缺陷特
13、征联系起来的检测方法，广泛应 用于石油化工、武器装备、桥梁、铁路、管道等多方面的检测中，但是，就目前国内外 的发展研究情况来看， 定量化程度还比较低1-4。 多频漏磁检测方法结合漏磁检测 （MFL） 原理与交流电磁场检测（ACFM）原理，大大提高缺陷的定量检测水平。 铁磁性材料在磁场中被磁化时， 材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使 磁导率发生变化，即磁阻增大，使得磁路中的磁通相应发生畸变，除了一部分磁通直接 穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷外，还有一部分磁通会离开材料表面，通过空气绕过缺 陷再重新进入材料，从而在材料表面的缺陷处形成漏磁场。使用特殊的测磁装置(例如 磁带、感应线圈、霍尔元
14、件等)探查并记录漏磁通的存在来达到检测目的，则称为“漏磁 检测”技术5-6。 “磁粉探伤”技术也属于漏磁检测的范畴， 但在本文中所提到的“漏磁检测” 是指第一种方法。目前，漏磁检测技术主要应用于工业上检查铁磁性材料及零部件的表 面和近表面缺陷。 漏磁无损检测最主要的特征在于用磁传感器将磁信号转换为电信号， 因而易于实现 自动化探伤。在工程应用方面，美国 Tubecope 公司在钢管漏磁检测原理上已开展了近 100 年的研究，推出了大量的设备，因而，API 的很多相关标准均出于该公司的技术， 制定出 ISO9598“无缝和焊接铁磁性压力钢管横向缺陷的全周传感器和漏磁探伤”、 ISO9402“无缝
15、和焊接铁磁性压力钢管纵向的旋转传感器和漏磁探伤”等多项标准。 德国的 Forster 研究所生产的系列漏磁探伤装置，由于型式的不同而名称各异， ROTOMAT 漏磁探伤机用于钢管探伤时能检出深度为壁厚 5%的外壁缺陷；用于钢棒探 伤时能检出深度为 0.2mm 的缺陷。TUBOMAT 漏磁探伤机主要用于钢管的检测，它在 扫描方式上采用了探头固定、螺旋送进和探头直线前进、材料旋转 2 种方式。日本的 SAM 系统采用磁敏二极管作为检测元件，自动化程度高，可用于热轧钢棒和钢管的检 测。 我国的漏磁检测工作从文献上看始于 20 世纪 70 年代后期， 无论在研究还是在应用 领域都落后于欧美、日本等发达
16、国家。 在漏磁检测理论的研究方面： 1975 年Hwang和Lord首先用有限元法对漏磁场进行了分析计算， 第一次把材料内部 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的磁导率与漏磁场的幅度值联系了起来，并且分析了矩形槽深度、宽度、角度对漏磁场 的影响6。1986 年，Edword和Palmer对无限长表面开口裂纹进行了分析，得出了二维表 达式，也从侧面验证了Hwang、Lord的有限元计算的正确性。 在内、 外伤区分上， 现有的研究采用滤波器进行信号的区别， 但频率变化不甚明显， 尤其对于薄壁管（5mm 以下），因而，这种方法最好也仅有
17、 50%的识别率。 我国于 1999 年制定了 GB/T1209“钢管漏磁探伤方法”标准，主要内容参照了国外 标准。 漏磁检测理论的研究主要集中在下列两方面： （1）漏磁场问题的正演研究。主要有Zatsptin、Scherbinin、仲维畅的磁偶极子方法 7，8；李路明、杨理践的数值分析法9-16；Frster、Coughlin等的实验方法18，19。 20 （2）漏磁场问题的反演研究。Chen研究了快速前馈优化解方法求解缺陷信号， Haueisen研究了最大熵方法在漏磁检测信号评价中的应用，Etchevery研究了形状系数在 漏磁信号反演中的应用，王太勇研究了现代信号处理方法21 ，22对漏
18、磁检测信号的评估。 交流漏磁检测的研究近年来受到了关注，其原理与直流漏磁一样，但它能探测的层 次又仅限于表层。李路明研究和分析了交流磁化频率的选取原则15。黄松岭采用有限元 方法研究了管道磁化磁路中永磁体长度、直径改变时，表面缺陷产生的漏磁场的变化情 况， 同时还研究了周向整体磁化、 探头在磁极间运动扫查的方式来减少数据采集通道数、 降低硬件成本和系统复杂度的方法，这样的扫描运动为“之”字形19。杨理践研究了高 速下漏磁信号的变化规律和基于维纳滤波的信号补偿13。 1970 年美国科学家Libby首先提出多频涡流检测，实现多参数检测的有效方法，该 方法采用几个频率同时工作，能有效地抑制多个干扰
19、因索，一次性提取多个所需的信号 （如缺陷信号和工件厚度情况等）。70 年代后期，国外已成功地应用这项技术进行核电 站蒸汽发生器管道的役前和在役检测。该技术的成功应用说明，多频漏磁检测也将能够 对复杂信号进行有效分析，提取所需信号，而且有用信号将会更为丰富2324。 1.2 交流漏磁检测的研究交流漏磁检测的研究 交流漏磁检测由于采用交流磁化的方式，具备了涡流和传统漏磁检测的优点，具有 对表面缺陷信号敏感、易于识别等特点，因此也将越来越受到业内人士的关注44,45。多 频漏磁检测实际上就是利用了交流漏磁检测的优点，并将这种优点最大化，采用多个频 率同时激励，根据感应电磁场的相互作用，沿用多频涡流理
20、论的成果，建立基于频率混 合技术的深度定量检测模型，对表面缺陷实现定性识别和深度定量检测。 交流漏磁检测理论求解的基础条件是：材料各向同性、裂纹为半椭圆形、空间无限 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 大导体、电流垂直于裂纹所在平面。为了便于求解，建立如下直角坐标系：坐标系的XY 平面与导体表面重合，Y轴平行于电流，Z轴指向外空间，坐标原点为裂纹在导体表面 交线的中点59-61。麦克斯韦方程组如下： D=i E B t = 0B=i HJ D t =+ 图 1.1 电磁场理论的研究及应用 10 麦克斯韦方程组在工程中的应用分为两个分
21、支：高频电磁场和似稳电磁场。在交 流磁场的分析中，集肤效应是一类重要的物理现象，工程应用有两类41：一类是研究工 件外表面的几何形状对电流分布的影响，已经得到了一些结论，如曲率()越大处电流密 度也越大；另一类问题就是工件表面缺陷对电流的影响，主要应用于缺陷检测，这一领 域有交流电压降法、涡流法和交流电磁场法等。从图 1.1 中可以清楚地看到交流电磁场 的理论基础研究在整个电磁场领域中所处的位置。 交流漏磁检测的实验研究主要是对理论结果进行验证，通常有两类方法12,13 ，一 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 是采用真实的缺陷 （
22、如腐蚀、 疲劳裂纹等） ， 二是采用电火花加工 （EDM、 electro-discharge machined）人工刻伤。 本次在实验中采用的是人工刻伤，与真实缺陷相比较，在物理参数方面有较大的区 别。如真实裂纹的中间间隙较小，其电导率较人为制造裂纹要大，在形状方面，人为制 造裂纹比真实裂纹要规则。这些方面的影响在涡流检测的研究中已得到证明，文献14有 这方面的研究。通过mh/l的值定性估算裂纹深度的影响12，其中：h即为裂纹的深度，l 为裂纹的长度，即椭圆的长半轴的二倍。对于铁磁性材料（如：碳钢）m值较小，裂纹 厚度对结果的影响就小，而对于非铁磁性材料（如：铝）m值较大，则裂纹深度的影响
23、也就较大。由 mh/l可大致判断：裂纹深度越小对结果的影响也越小。 交流漏磁检测和基于永磁铁和直流磁化的漏磁检测方法具有相同的理论基础， 只是 采用的磁化方法不同，后者可以看成是前者在磁化场频率为零时（恒定磁场）的情况。 传统的漏磁检测方法由于磁力线可以渗透到导体很深的部分，因此，对内外部缺陷均可 检测。由于集肤效应，交变磁场只是在构件的表面存在，无法渗透到很深的位置，交流 漏磁检测方法的磁力线分布在导体的表面，因此适宜于表面缺陷的检测，同时，对表面 或近表面裂纹具有很高的灵敏度45。 交流漏磁检测的基本原理是：铁磁性材料在外加磁场的作用下被磁化，如果材料中 没有缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁
24、性材料；如果在表面或近表面存在裂纹等缺陷， 由于缺陷的磁导率远比铁磁性材料本身小，缺陷处磁阻增大，从而使得通过该区域的磁 场分布发生变化，磁力线发生弯曲，一部分将泄漏出材料表面，形成泄漏磁场，采用相 应的磁场传感器感知磁场的变化，形成电信号进行处理，即可以得到缺陷的位置和大小 等信息26-31。 以无缝钢管为例，根据边界连续性条件，磁力线在钢管表面发生折射，并且有： 11 22 tan tan u u = 式中：、分别为空气和钢管的磁导率；、 1212分别为外场和管道内磁场磁力线 和管的法向方向的夹角，由于 ，因此可以知道 12190。 由此可以得到结论：在无缺陷时，磁场进入管壁内后，磁场的方
25、向平行于钢管的轴 线，且全部束缚在钢管壁内，而钢管腔内无磁场或磁场较弱，这也就是钢管的磁屏蔽原 理；在有缺陷的情况下，在缺陷的位置必定改变磁力线的分布，磁场将得到加强或者减 弱，通过测量这种表征就可以实现缺陷的检出和定位。 多频漏磁检测技术的主要特点： ? 对各种损伤均具有较高的检测精度。如铁磁性材料表面，内部裂纹以及锈蚀等 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 均可获得满意的检测效果。 ? 探头装置结构简单，易于实现，成本低且操作简单。 ? 由于磁性的变化易于非接触测量和实现在线实时检测，磁场信号不受被测体表 面污染状态的影响，进行
26、检测时被测材料表面就不需清洗，因此将大大提高检 测的效率，减小工作量。 ? 与单频漏磁检测技术相比，所获得的有用信息更加丰富，所能探测的层次不再 单一，对缺陷特征的识别更加准确。 图1.2 多频涡流检测 1.3 相关检测技术的比较相关检测技术的比较 目前无损检测的方法很多，常用的主要有：磁粉、超声波、渗透、射线、涡流检测 等5种常规检测方法，此外还有一些新兴技术，如激光照相、声振、红外和声发射检测 等。 在对导电材料进行检测的过程中，科学研究者们为了提高检测的定量化程度，提出 了非常多的检测形式，其中有激励形式上的创新和探头改进等方面的创新。在激励形式 上，从以前的单一频率激励发展到多频激励；
27、在探头改进方面，从以前的单个探头检测 发展到如今的阵列探头检测。 多频检测由于可以根据不同的检测对象改变各频率参数实 现多参数的检测而受到青睐， 本论文所研究的多频漏磁检测技术与已十分成熟的多频涡 流检测具有很多相似之处，因而，对它们进行比较具有很重要的意义。 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 支撑板信号 外管壁缺陷信号 支撑板与外管壁缺陷复合号 单频 多频 单频 多频 单频 多频 图1.3 多频涡流检测去除支撑板信号 多频涡流检测的原理是采用多个频率的信号同时激励原始线圈的检测方法，如图 1.2所示为其检测原理示意图。 图 1.
28、4 多频漏磁检测原理 多频检测的目的是为了实现多参数的检测，为将各个参数信号分离和提取出来，需 要一系列的数学计算、调整，其数学方法基于数学矩阵或矢量空间转换的原理。其应用 是根据同一缺陷或干扰在不同频率下对涡流产生不同的反应，通过矢量运算，消去干扰 的影响， 仅保留缺陷信号24。 如图1.3所示为多频涡流检测在去除支撑板信号中的应用。 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 多频漏磁检测的原理与多频涡流相似，也是采用多个频率的信号同时激励探头线 圈，传感器通过检测缺陷漏磁场的变化来判定缺陷的形态。如图1.4所示为多频漏磁检 测原理示意
29、图。 由于不同频率激励所磁化的范围不同，所以不同深度的缺陷漏磁也将不同，通过实 验测得不同频率的检测范围，再与缺陷信号进行比较计算，结合多频涡流的理论成果能 够实现缺陷深度的定量分层检测，也将具有重要的理论和应用价值。 1.4 研究的内容研究的内容 本文通过对多频漏磁检测原理进行研究，找出检测信号与被测缺陷之间的关系，根 据此关系发现缺陷的反演规律。研究方法上注意充分借鉴涡流法的研究成果与经验。涡 流检测法是传统的主流无损检测方法之一，发展较为成熟，一方面从中可以得到许多技 术启发，另一方面将二者的性能、应用等进行对比，则有益于多频漏磁技术的推广与应 用。事实上，国外也是这么做的。涡流检测与交
30、流漏磁检测的区别在于：感应电流的形 状和磁场信号的检测；涡流的感应电流为涡状，漏磁则为均匀的平行电流；涡流检测信 号为阻抗，漏磁为磁感应强度。弄清楚这两种技术思路对检测结果的影响，有助于深入 认识交流漏磁检测方法的本质。 本论文的研究包括如下内容： （1）影响多频漏磁场信号因素分析 影响多频漏磁磁场信号的因素众多，如：提离、材料性质、电流、工件形状、裂纹 平面的方位、温度和裂纹类型等，由于时间限制，此次研究重点考虑了前三种因素的影 响，分析其影响规律。 （2）多频漏磁检测机理研究 基于电磁场的麦克斯韦方程、电磁场理论，对多频激励下的磁场成分进行了分析， 推导出了数学表达式；对多频激励下的漏磁场
31、方向、相位等进行了分析，找出了其中的 变化规律。同时运用电磁场理论，建立了交流漏磁检测的等效模型。也对多频漏磁的检 测信号进行了理论分析。 （3）多频漏磁检测应用研究 对多频漏磁检测的应用进行初步的探讨和实验研究。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 影响多频漏磁检测信号的因素分析影响多频漏磁检测信号的因素分析 在多频交流漏磁检测过程中， 对检测信号的影响因素有很多， 总的起来说有两大类： 一类是单因素变化对检测信号的影响；另一类是多因素的影响。前者包括两方面：一方 面是外界因素，这类条件主要有材料的性质（有铁磁材料和非铁磁材料
32、） ，主要受材料 成分、含微量元素的多少、温度的影响、检测中激励电流的强度和频率、探头与工件表 面的距离（简称提离） ，还有检测过程中探头与工件的相对速度等都属于外界因素；另 一方面是缺陷自身特征的影响，工件形状、大小、缺陷尺寸、表面杂质厚度、涂层厚度 等，缺陷尺寸是要最终检测的参数。后者的影响主要包括频率组合同时变化对信号的影 响。鉴于研究者们已经对其中的部分内容作了十分详细和深入的研究，本章只对其中一 些内容进行了分析说明，如提离、材料性质（磁导率） 、电流强度、电流频率、缺陷深 度、频率组合等。为了分别研究提离、材料性质、电流强度、工件形状因素的影响，在 研究一个条件单独作用时，除了被研
33、究的条件，其它所有条件应当保持不变，这样才能 反映出该因素对检测信号的影响， 如研究频率的影响， 须保证工件的尺寸、 材料的性质、 缺陷的大小特征等因素全部相同。 2.1 单因素变化对漏磁检测信号的影响单因素变化对漏磁检测信号的影响 在漏磁探伤中,为全面反映缺陷的形状、大小、性质,就必须考虑影响漏磁信号强弱 的各种因素，包括:被测试件的电导率、被测试件的相对磁导率、激励频率f、被测试 件的几何尺寸及被测试件周围环境干扰等。频率选择过高,由于趋肤效应,只能检测到表 面的信息,过低又使漏磁信息穿透而分不清内外伤43。 2.1.1 提离提离 y 对检测信号的影响对检测信号的影响 在无损检测领域，传感
34、器的提离效应是影响检测结果的一个重要因素，也是必须考 虑的一个影响因素。为了获得最佳的检测效果，选取合适的提离值对检测结果的精度和 真实反映缺陷的特征非常重要。 为了简化研究过程，可以将模型简化到如图2.1所示。当磁场H施加到试件上时， 零件上没有垂直于H方向的表面，且材料与感生的磁通密度B响应，B由试件的B-H 曲线决定。如果在试件中加工出一个缺陷，缺陷深度为h，宽度为Lg，试件横截面中的 磁通为： 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （a）线圈施加的磁场与矩形缺陷缺 (b) 漏磁场分布图 陷磁场关系的简单模型 图2.1 提离分析
35、的简单模型示意图 NI R = （2-1） 磁阻R由原来的一项变为现在的两项之和， 一项是来自材料的， 另一项是来自气隙的 （由 于缺陷的存在） ，即： 00 g m mg L L R u uAu A =+ （2-2） 式中 Lm金属回路的长度 Am金属的截面积 L g气隙的长度（缺陷的宽度） Ag气隙的截面积（由于气隙中的磁通泄露，有些不确定） 于是用韦伯表示的磁通等式变成： 0 () g m mg NI L L u uAA = + （2-3） 磁通密度的边界条件是Bm=Bg，因此 0gg g Bu H A = （2-4） 而对气隙中的磁场可导出: 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位
36、 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ( gg g mmm LA NI H LLuA =+) （2-5） 对于如图2.1（b）中所示，对于任意一点在二维平面上的漏磁场，都可以近似分解 为Bz和By两个分量： 0 2222 ( () zgg yyh Bu H L zyzyh ) + = + (2-6) 0 2222 ( () ygg zz Bu H L) zyzyh = + (2-7) 图2.2 不同提离对检测信号的影响 Y值为提离，当Z值保持不变时，By随着y的增加而变小。实际上，缺陷越深， 漏磁场越强，直至达到漏磁场对缺陷深度的进一步增大不敏感的深度为止。 对长、宽、高分别
37、为150.51mm的缺陷，在激励频率为1.8KHz，激励电压为20V 的情况下，不同提离情况下进行了仿真研究。其仿真结果如下： 由图2.2（a）和（b）可以知道，提离的不同对信号造成了一定的影响，随着提离 的增加Bx和Bz的检测值都呈现减小的趋势， 但是信号只发生了幅值的变化， 信号的总 体特征以及各特征点的位置并没有发生改变。而图2.2（c）表示的是由Bx和Bz形成的 矢量图，由图可以看出，提离的变化只是影响了缺陷环的大小，并没有影响缺陷环的形 状，因此，并不会影响识别模型对缺陷的检测。 图2.2得到的结论同时也说明对交流漏磁检测建立的缺陷识别模型对提离有很高的 适应性，同时也验证了理论的正
38、确性。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.1.2 磁导率对检测信号的影响磁导率对检测信号的影响 在静态磁化过程中，不考虑从一个磁化状态过渡到另一个磁化状态所需要的时间， 只关心材料在该稳恒状态下所表现出来的磁性能、即磁感应强度B对磁场强度H的依 存关系。尽管在不可逆的静态磁化过程中，磁感应强度的变化落后于磁场强度的变化， 即表现有能量的损失，但实际的磁化状态是亚稳定的，磁场强度不变，磁感应强度一般 也不随时间而改变。 在交流漏磁的检测过程中，由于励磁为交变的电流，对于铁磁性材料而言，在不同 的励磁状态下其特性也将不同， 交变
39、电流励磁势必导致检测信号与缺陷特征值呈非线性 关系，从而为信号的反演增加了难度。 （亚）铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系； 磁化强度M(B)随H的变化如图2.3示(假设试件在一开始已经退磁化)。H增加，磁域界 移动，磁域逐渐改变，磁矩方向转向，渐与磁场平行，单一磁域（饱和磁化） 。 B H 图2.3 磁化曲线与磁畴的关系 在图2.4中，封闭曲线即是未达到饱和时的磁滞回线。也可以在将材料磁化到任何 一点时开始改变外磁场的方向，产生其它形式的滋滞回线，如图2.4的封闭曲线MN。 如果要将已磁化的铁磁体或亚铁磁体去磁， 有效方法之一是使之经受一个振幅逐渐减小 的交变
40、磁场的作用。 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2.4 不同形式的磁滞回线 如图2.5所示为铁磁性材料在不同频率下的磁滞回线。可以看出，在不同频率电流 激励下的磁滞回线是不同的；如图2.6所示为在不同的激励幅值下的磁滞回线。不同磁 滞回线的斜率代表的是磁导率，磁导率不是恒定值，导致磁场变化的复杂性。但是，在 交变磁场的激励下， 由于激励电流的周期交变性导致了磁导率的变化也是按照周期变化 的，并不是完全没有规律可循的，同时对于多频漏磁检测而言，所检测的是漏磁成分， 其磁场位于空气中，所以铁磁材料的磁导率并不会影响漏磁场的性质的变
41、化，漏磁场的 强度大小受到影响，但是线性关系并不会受到干扰。 图2.5 在不同频率下的磁滞回线 图2.6 在不同激励幅值条件下的磁滞回线 而对于非铁磁性导电材料而言，磁导率的值是恒定的，更不会影响到漏磁场的线性 关系。 但是对于不同的材料而言， 由于磁导率的不同， 其漏磁场还是会受到很大影响的， 根据麦克斯韦方程有 123 () lllls D HdlHdlHdlHdlJds t =+=+ i ? (2-8) 如果l1、l、l 23分别表示磁路中不同的路段：线圈围绕的铁氧体部分、待检工件部分、 漏磁空气隙部分，很显然待检工件部分的磁导率愈小，漏磁场将越大，所以，相同的缺 12 华 中 科 技
42、大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 陷，铝的漏磁信号要大一些。 （a） 铁板矩形缺陷检测信号 （b） 铝板矩形缺陷检测信号 图2.5 不同材料的漏磁检测信号对比 如图2.5所示， 图 （a） 为铁板上0.5mm深0.5mm宽的矩形缺陷的检测信号； 图 （b） 为铝板上0.5mm深0.5mm宽的矩形缺陷的检测信号。 从图中可以得出，在相同条件下，可以看出铝板的漏磁信号的峰值要比铁板的大， 从而验证了理论的正确性。 2.1.3 电流频率和缺陷深度的定量关系分析电流频率和缺陷深度的定量关系分析 在电磁场检测过程中，频率是可以人为控制的因素之一，为了在检测中获
43、得最好的 检测结果，选择合适的频率非常重要。频率对检测信号的影响主要是由于趋肤效应引起 的。 由于交流电磁场检测具有趋肤效应，磁场强度(或涡流密度)随着深度的增加而很快 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的衰减，总是集中于导体表面。当磁场进入导体后，磁场强度随着离表面的距离的增加 而按指数规律衰减，所以涡流密度在金属导体中的轴向分布也是按指数规律衰减的，可 用下式表示 0 x t x jj e = (2-9) 式中：jx 金属导体中离表面距离为x处的涡流密度； j0 金属导体表面上的涡流密度,即最大涡流密度； x 金属导体中某点
44、离表面的距离； t 涡流密度等于j0 /e 处离开导体表面的距离。 根据麦克斯韦方程，可以得出： 2 H Hu t = (2-10) 2 E Eu t = (2-11) 这就是麦克斯韦近似条件下，导体中任一点电场E、磁场H满足的微分方程。由于 JE=，代入上式中有 2 J Ju t = (2-12) 假设电流密度只有平行于工件表面的方向y分量，而且只是x的函数，上式可以简 化为 2 2 j y y d j wu j dx = (2-13) 2 jkwu= 令 令， (1+j) 2 wu jk += ，则解出 0 0 y xj xxj x y JJ EeeE ee = i i (2-14) 0
45、xj x z jk HE ee wu = i (2-15) 由以上各式看出，电流密度、电场强度和磁场强度的振幅沿导体的纵深都按指数规 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 x e 律衰减，而且相位也随之改变。它说明当交变电流流过导体时，靠近导体表面处 电流密度大，愈深入导体内部，它们愈小。当频率很高时，它们几乎只在导体表面附近 一薄层中存在。 （a）100Hz激励时的外伤检测信号 （a）100Hz激励时的内伤检测信号 图2.6 100Hz内外伤检测信号 实验中，采用不同频率激励对内外伤进行了检测，发现对于低频激励条件下内、外 伤均能
46、检测出，如图2.6（a） 、(b)所示。频率高的电流激励只能检测到外表面缺陷,如图 2.7（a） ，而无法检测出内表面缺陷，如图2.7(b)所示。 （a）20KHz激励时的外伤检测信号 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （b）20KHz激励时的内伤检测信号 图2.7 20KHz内外伤检测信号 2.1.4 缺陷深度或埋藏深度对漏磁场的影响缺陷深度或埋藏深度对漏磁场的影响 缺陷深度对漏磁场的影响是交流漏磁无损检测中一个重要的内容，也是对信号影响 较大的一个因素。对长、宽、高分别为80.50.5mm、80.51mm、80.51.5mm
47、3 条裂纹仿真结果如下。 图2.8（a）和（b）描述的是在对文献1的传感器建模的基础上，对钢板的缺陷进 行仿真分析，得到的Bx和Bz的测量结果。激励线圈采用恒压源，激励电压为20V， 激 励频率为1.8KHz，传感器的提离为0.1mm，提取的数据为以缺陷中心位置为原点的左右 1.5mm的检测路径的节点值，检测路径垂直于裂纹的长度方向。 图2.8 缺陷深度对漏磁场的影响 由图2.8（a）和（b）可以看出，缺陷深度的变化影响了检测信号的幅值，但不会影 响缺陷信号的特点以及特征点的位置：Bx的极大值点以及Bz的极大和极小值点位置不会 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技
48、 大 学 硕 士 学 位 论 文 随着检测深度的变化而变化。图2.8（c）是由Bx和Bz形成的矢量图，在有缺陷的情况下 形成了完整的环状，也就是前面所称的“缺陷环”。当没有缺陷时，检测信号不变，测量 值在一个点附近摆动，不会形成如图所示的环状结构。由图2.8（c）还可以知道，深度 的改变不会影响“缺陷环”的形状，只会影响其大小。 综上所述，深度的影响会改变信号的幅值，但不会影响检测信号的特点，并且不会 改变“缺陷环”的形状26。 2.2 多因素变化对漏磁检测信号影响的分析多因素变化对漏磁检测信号影响的分析 由于不同频率激励所磁化的范围不同，所产生的漏磁场也不同。例如，对于一个中 等深度的缺陷，
49、采用高、中、低三种不同频率激励时，高频通道信号能够完整反映的可 能是裂纹的宽度，低频通道能够完整反映的可能是缺陷的深度，那么，要得到缺陷的真 实或者等效特征就需要建立一定的理论数学模型来表征并且得到这些参数的值,最后通 过某种算法，得到实体缺陷特征。 图2.9 多频检测示意图 根据不同的检测对象，选择最佳的激励频率，对检测结果的准确性和真实性的影响 很大。如图2.9所示为三频检测原理示意图，对于表面外伤，三频漏磁检测可以很准确的 将其检测并分辨出来。 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.10 双频电流激励示意图 2.2.1 两个频率组合对检测信号的影响两个频率组