一文全面了解大提離漏磁無損檢測方法

金屬零部件在交變載荷作用下，其中微小的裂紋容易延伸擴展，造成零部件的斷裂失效，嚴重危害相關人員的生命和財產(chǎn)安全。因此重要的零部件需要在出廠前或服役中進行檢測。漏磁檢測是一種廣泛應用于鋼管、鉆桿、儲油罐、汽車零部件等鐵磁性材料的無損檢測方法。相較于其他方法，其具有靈敏度高、無需耦合劑、操作方便、檢測成本低以及易于自動化等優(yōu)勢，對鐵磁性工件表面和內(nèi)部的裂紋、孔洞等缺陷的檢測效果顯著。在漏磁檢測中，探頭與待檢測工件表面之間的距離稱為提離值，是漏磁檢測中最重要的工藝參數(shù)之一。通常為了保護傳感器或提高檢測穩(wěn)定性，檢測時始終會保持一定的提離值，但缺陷的漏磁場會隨提離值的增大而迅速衰減，無法有效地檢測微小裂紋或在處于復雜電磁環(huán)境下的裂紋。1漏磁檢測中的提離值提離值定義“提離值”源自渦流檢測、漏磁檢測等電磁無損檢測方法中的提離效應，即缺陷產(chǎn)生的擾動磁場在空氣中傳遞迅速衰減，同時導致傳感器在不同高度檢測到的信號差異較大。漏磁檢測提離值定義如圖1所示。通常敏感元件和封裝外殼構成的傳感器可以直接測量漏磁場，如傳感器A，也可以在傳感器底部增加匯集磁場的傳遞介質(zhì)構成靈敏度更高的傳感器，如傳感器B。如果考慮到傳感器耐磨、耐高溫、防止工件劃傷等目的，需要保持傳感器與工件之間有一定的提離值，即圖1中的d1，此時提離值定義中的“傳感器”應該理解為具有獨立功能和封裝結構的傳感器。但是，當以“提離效應”討論提離值時，無論是貼片電感還是霍爾元件，傳感器外層的封裝結構并不影響提離效應，實際的提離值仍為敏感元件與工件之間的距離，即圖1中的d2，而非傳感器底面與工件之間的距離d1，此時提離值定義中的“傳感器”應該理解為敏感元件。下面介紹的諸多大提離檢測方法，也討論的是敏感元件到工件的距離。圖1漏磁檢測提離值定義示意提離值的影響漏磁場水平分量與提離值的函數(shù)關系如圖2所示，可見漏磁場隨提離值的增大呈負指數(shù)級衰減。因此當提離值較大時，漏磁場信號會大幅衰減，降低信噪比。另一方面，提離值也會影響漏磁信號的穩(wěn)定性。由圖2可以看出，當提離值較小時，提離值變動Δl導致漏磁場變動ΔB1，而當提離值較大時，漏磁場變動為ΔB2，可以明顯看出，ΔB1>ΔB2。也就是說當?shù)吞犭x時，探頭對提離值的變化更加敏感，更加不穩(wěn)定；而高提離時，探頭對提離值的變動更不敏感，信號更加穩(wěn)定。在高精度漏磁檢測中，傳感器零提離可以獲得最佳的檢測靈敏度，但會磨損傳感器，而且對于軸承套圈、凸輪軸等表面精密加工的零件而言，傳感器直接接觸掃查還可能會劃傷精加工面。同時，微小提離檢測會使機械抖動噪聲信號明顯，信號不穩(wěn)定。因此大提離漏磁檢測的信號增強方法一直以來是學者們研究的重點。圖2漏磁場與提離值的函數(shù)關系大提離檢測的要素將無損檢測的傳感過程簡化為如圖3所示的系統(tǒng)模型。首先待檢測工件產(chǎn)生信源（如光、超聲波、磁場、電場、熱場等），信源經(jīng)過傳輸介質(zhì)的傳導，擴散至傳感器所在的區(qū)域，傳感器將特定的物理信號轉化為方便傳輸、識別、存儲的電信號，從而完成信號的拾取和轉換。提離值主要在電磁無損檢測領域中使用，通常都在毫米和亞毫米尺度。而光學檢測和熱成像檢測卻可以實現(xiàn)分米級甚至米級的遠距離檢測，主要原因是光學檢測通過打光使被檢測特征產(chǎn)生足夠強和對比度足夠高的可見光反射；熱成像檢測是通過加熱使檢測對象的熱場分布不均且對外產(chǎn)生紅外輻射，無論是可見光還是紅外輻射都是一種電磁波，電磁波在空氣中傳播能量集中，衰減很小，通過足夠高分辨率的相機或紅外相機就可以捕捉到圖像特征?？傊?，實現(xiàn)遠距離無損檢測，首先需要信源的強度和信噪比足夠高，這是整個檢測過程的基礎；其次需要傳輸介質(zhì)協(xié)助信源的傳遞，避免信源在介質(zhì)中衰減；最后需要高靈敏度的傳感器對信號進行拾取和轉換。圖3無損檢測傳感的系統(tǒng)模型2大提離漏磁檢測方法調(diào)整信源信源是檢測的基礎，對于漏磁檢測來說，大提離檢測要求信源的強度和信噪比足夠高。通常來說，缺陷的漏磁場隨磁化場強度的增大而增大，最后趨于飽和，因此常規(guī)的漏磁檢測要求在飽和磁化或近飽和磁化狀態(tài)下進行。除了飽和磁化之外，SUN等研究發(fā)現(xiàn)，漏磁場不僅和磁化場、缺陷尺寸有關，還和缺陷附近的背景磁場有關，背景磁場會抑制漏磁場的傳播范圍和強度，導致大磁化反而不一定得到大的漏磁場。這就是所謂的磁壓縮效應，基于此，孫燕華等提出了一種基于磁真空泄漏原理的漏磁無損檢測新方法（見圖4），該方法使用磁屏蔽罩大幅降低背景磁場，促使工件中的磁場向上方的傳感器泄漏，擴大了漏磁場的擴散范圍，顯著提高了磁敏元件在大提離值下的檢測靈敏度。圖4磁真空漏磁檢測方法示意SUN的另一個研究提出了基于磁場擾動的大提離檢測方法。磁場擾動漏磁法與常規(guī)漏磁法對比如圖5所示，常規(guī)的漏磁檢測中只有一個缺陷漏磁場R1，漏磁場的擴散半徑僅為r1。在磁場擾動方法中，在傳感器上方增加一個附加磁源R2，磁源R2的磁場影響范圍為r2，磁源R2會與磁源R1相互作用，在r1和r2的范圍內(nèi)磁場產(chǎn)生相互擾動。這樣通過兩個磁源的相互擾動作用，就可以在磁源R2附近檢測到缺陷信號。顯然這樣布置的傳感器可以有很大的提離值，從而實現(xiàn)了基于磁場擾動的大提離檢測。圖5磁場擾動漏磁法與常規(guī)漏磁法對比改變傳遞介質(zhì)漏磁場被傳感器拾取需要經(jīng)過提離空間的傳遞，而在常規(guī)的漏磁檢測中漏磁場通過空氣傳播到傳感器時已經(jīng)經(jīng)過了大幅度衰減。因此如何改變傳遞介質(zhì)避免漏磁場在空氣中的衰減一直是大提離漏磁檢測的重點研究內(nèi)容，許多學者都在這個領域提出了大提離的檢測方法。WU等在研究井口鉆桿漏磁檢測中提出了使用聚磁鐵芯的方法實現(xiàn)大提離檢測。聚磁鐵芯大提離檢測原理如圖6所示。因為空氣的相對磁導率接近于1，磁阻很大，漏磁場在空氣中傳播時衰減迅速，故使用傳統(tǒng)的感應線圈進行信號拾取，靈敏度較差，而鐵磁性材料的相對磁導率通常是空氣的成百上千倍，因此對空氣中的漏磁通就有聚集的作用。圖6聚磁鐵芯大提離檢測原理示意在大提離情況下，聚磁鐵芯將低處的漏磁場匯聚到鐵芯中（見圖6）。感應線圈纏繞在聚磁鐵芯上，制成大提離傳感器（見圖7），感應線圈內(nèi)部的磁通量也就相應增大，從而實現(xiàn)大提離漏磁檢測。圖7聚磁鐵芯式大提離傳感器實物MA等為了提高鉆桿漏磁檢測信噪比也提出了一種聚磁方法，由高相對磁導率的材料制成的雙“L”型聚磁裝置（見圖8），漏磁場泄漏到空氣后由聚磁裝置匯聚，引導至包含磁傳感器的測量通路中。研究發(fā)現(xiàn)，使用該形式的聚磁裝置可以降低測量回路中的磁阻，有效提高了漏磁場的信噪比，也相應地降低了對提離值的要求。圖8鉆桿漏磁檢測聚磁裝置結構示意LEE等提出了一種通過磁導管傳遞漏磁場的大提離檢測方法，其原理如圖9所示。該方法在磁傳感器的下方放置磁導管（細長桿狀的鐵芯），使漏磁場的磁感線通過磁導管傳遞至高處的磁傳感器。其整個磁場的傳遞過程基于磁疇的動力學模型，外部的磁化會使磁導管內(nèi)部的磁疇重新分布，使磁疇變大，且方向與外部磁化場逐漸趨近。但是由于磁疇壁不能在位錯、晶結或裂紋處移動，即使在x方向上施加漏磁場，磁柱邊界處的磁疇壁也不會重新分布。而在z方向的磁化下，磁疇壁容易沿著z方向重新定位，從而使磁柱產(chǎn)生磁各向異性。因此細長的磁導管就可以有效地將漏磁場傳遞至高處的磁傳感器，實現(xiàn)了大提離的檢測。圖9磁導管傳遞漏磁場原理示意此外LEE等提出了一種磁透鏡檢測方式，該方法也是基于聚磁鐵芯的原理，使用放置在橡膠或塑料磨具中的磁流體形成“磁透鏡”，并在磁透鏡表面陣列放置霍爾傳感器，如圖10所示。與矩形磁透鏡相比，圓形的磁透鏡消除了邊緣效應，并且可以陣列更多的傳感器以增強空間分辨率。與鐵氧體或者硅鋼等材料制作的聚磁體相比，采用磁流體的磁透鏡方式在實現(xiàn)聚磁效果的同時，還避免了鐵磁性材料剩余磁化強度和磁滯效應對聚磁效果產(chǎn)生的不利影響。圖10磁透鏡匯聚漏磁場原理示意采用高靈敏度傳感器對于漏磁檢測而言，大提離會導致傳感器拾取到的漏磁信號幅值降低，信號淹沒在噪聲中，容易產(chǎn)生漏檢。傳感器的噪聲通常由傳感器內(nèi)部的電路特性和電磁環(huán)境造成，與提離值關系不大，而缺陷的漏磁場信號隨提離值迅速衰減。因此提高傳感器的靈敏度就可以提高缺陷大提離檢測的信噪比。近年來，高靈敏度磁傳感器發(fā)展迅猛，尤其是以各向異性磁敏電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）以及隧道磁敏電阻（TMR）等為代表的磁敏電阻開始廣泛應用于精密漏磁檢測中微弱磁場的檢測。與傳統(tǒng)的霍爾傳感器相比，新型磁敏電阻傳感器具有靈敏度更高、分辨率更高等特點，適合在大提離下拾取微弱的漏磁場信號，不同磁傳感器技術參數(shù)對比如表1所示。表1不同磁傳感器技術參數(shù)對比此外，新的傳感器設計也有助于靈敏度的提升或信噪比的增強。JIN等對比研究了基于MTJ（磁隧道結）的單TMR傳感器和全橋惠斯通電橋式TMR傳感器，全橋式惠斯通電橋TMR連接方式如圖11所示。相較于單TMR傳感器而言，雖然全橋惠斯通電橋式TMR傳感器靈敏度較低，但是惠斯通電橋有效抑制了傳感器的白噪聲，因此獲得了較高的信噪比。試驗結果表明，在4~20cm的提離范圍內(nèi)，全橋式TMR傳感器在更大的提離值下可以獲得與單TMR相同的信噪比。圖11全橋式惠斯通電橋TMR連接方式示意WU等提出了一種差分漏磁檢測方法，差分式漏磁檢測傳感器配置（雙傳感器差分配置）如圖12所示。該方法通過優(yōu)化雙傳感器差分間距，可以提高檢測靈敏度，此外檢測信號幾乎不受背景磁場和機械振動的影響，具有良好的信號穩(wěn)定性。圖12差分式漏磁檢測傳感器配置示意另外WANG等提出了一種交直流互擾的大提離漏磁檢測方法，交直流互擾漏磁檢測原理如圖13所示。缺陷在磁化作用下產(chǎn)生漏磁場，該方法的新傳感器由感應線圈和激勵線圈構成，激勵線圈產(chǎn)生的高頻磁場作為載波與低頻漏磁場調(diào)制，調(diào)制后的磁場包含完整的漏磁場信號。信號調(diào)制使漏磁信號頻率增大，而感應線圈測量的是磁通的變化量，對高頻敏感，因此感應線圈對調(diào)制后的漏磁信號檢測靈敏度較高。雖然檢測的形式與漏磁、渦流檢測形式相似，但檢測原理不同，試驗結果表明，與常規(guī)漏磁和渦流檢測相比，交直流互擾檢測方法的信號更強，信噪比更高，有利于鐵磁性材料檢測。圖13交直流互擾漏磁檢測原理示意轉變檢測對象除了依據(jù)上述方法之外，在某些條件下，也可以跳出“信源-介質(zhì)-傳感”的檢測系統(tǒng)，由物理場的傳遞，轉變?yōu)闄z測對象的轉換，實現(xiàn)大提離漏磁檢測。錄磁檢測法也是一種基于漏磁原理的檢測方法。其首先對待檢測工件施加合適的磁化場，在缺陷附近就會產(chǎn)生漏磁場，然后通過柔性的磁帶覆蓋在工件表面記錄漏磁場（見圖14），再對儲存了漏磁場信息的磁帶進行讀?。ㄒ妶D15），從而對工件進行檢測。圖14磁帶錄磁檢測示意圖15磁帶磁信號拾取示意就檢測原理而言，錄磁檢測與常規(guī)的漏磁檢測方法類似，都是拾取缺陷的漏磁場。不同的是，常規(guī)漏磁檢測直接用磁傳感器拾取漏磁場，而錄磁檢測通過磁帶轉錄，再讀取磁帶上的磁信息。雖然錄磁檢測步驟較為復雜，但磁帶與工件直接接觸，零提離拾取漏磁場，可以獲得很高的靈敏度。該方法再使用磁傳感器在遠離工件的位置讀取磁帶中的漏磁場信息，轉變漏磁檢測的對象，從某種意義上而言，間接地實現(xiàn)了大提離漏磁檢測，并且提高了檢測靈敏度。此外YANG等提出了一種結合磁粉檢測和漏磁檢測的高靈敏度大提離檢測方法。首先對工件進行適當磁化，在工件表面噴灑一層磁粉，由于磁粉與工件表面是零提離，漏磁場強度大，對微米級別的裂紋也有較高的靈敏度，但是僅用磁粉檢測不便于自動化和定量化檢測。因此，需在此基礎上，再進行漏磁檢測（見圖16）。這時漏磁檢測的對象已經(jīng)不再是工件上的裂紋，而是聚集在裂紋附近的磁粉堆，檢測對象發(fā)生了轉變。因為磁粉的聚集范圍大于裂紋的寬度，所以噴灑的磁粉一方面對裂紋具有放大作用；另一方面，磁粉聚集具有一定的高度，抬高了檢測對象，降低了提離值，使信號強度增大。圖16磁粉漏磁聯(lián)合檢測原理示意需要說明的是裂紋缺陷是凹向工件一側的，漏磁信號呈現(xiàn)大于背景磁場的形態(tài)，而當磁粉聚集在裂紋附近后，磁粉聚集是凸向空氣一側的，根據(jù)磁折射原理，此時的漏磁場形態(tài)與原先方向相反，呈現(xiàn)小于背景磁場的形態(tài)。該方法通過磁粉檢測與漏磁檢測的結合，轉換了檢測對象，實