论文：表面缺陷开放磁路检测原理与方法.doc

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Principle and method for the Opened Magnetic Circuit testing of Surface defects were proposed. The opened magnetic field is produces between the permanent magnet and the component. It will change if there is defect in the surface. The information related the surface defect can be obtained by magnetic sensor sensing the magnetic field variation. Especially, this paper focused on researching the characteristic parameters effects on the inspecting signal and the quantitative characteristic of the blind hole by using the opened magnetic circuit testing method. It will be employed in many areas because this method does not magnetize the component saturation.Keywords: Opened Magnetic Circuit; Magnetic Flux Leakage; Non-Destructive Testing; Blind Hole61 引言基金项目：国家自然科学基金资助项目(5067508)由于在工作过程中，构件表面直接置于现场工况中，导致不同类型的表面缺陷产生，给构件的安全使用带来很大的损害。目前对构件表面缺陷的检测方法主要有磁粉检测、涡流检测、渗透检测和漏磁检测等1。其中，渗透检测和磁粉检测对缺陷的识别主要依赖检测人员的肉眼，自动化程度低，受被检表面附着物影响大，并且劳动强度大。涡流检测方法用于铁磁性材料检测时，为减小磁导率变化对涡流场的影响，通常需用一强磁场将被检区域磁化到饱和状态，从而使检测设备体积庞大、重量增加。在现有的漏磁检测方法中，均需采用闭合磁路将构件磁化至饱和，然后在两磁极之间形成一均匀磁化场，利用缺陷形成的漏磁场以实现构件表面缺陷的检测，限制了该方法在某些场合的应用2。为此，本文提出一种开放磁路检测方法，该方法利用磁铁形成的开放磁场主动感应试样表面的缺陷，对磁化强度基本上没有要求,从而有更广泛的应用。2 开放磁路检测原理开放磁路检测原理如图1所示，将永久磁铁置于铁磁性试件表面一定距离时，在磁铁开放磁场的作用下，试件表面临近磁铁的局部区域内磁通密度B随水平距离变化而显著变化，磁场分布如图1(a)所示。若试件表面存在缺陷，则试件表面的磁场分布会发生变化，由于空气的磁阻远远大于试件磁阻，磁力线会绕过缺陷，从而使缺陷表面磁通密度变小，如图1(b)所示。利用磁敏感元件(霍尔元件、线圈等)将磁通密度分量的变化转换成电压的变化，通过对电压信号的识别就可以实现试件表面缺陷的检测。 (a)无缺陷时磁场分布 (b)有缺陷时磁场分布图2.1 开放磁路检测原理利用有限元法对开放磁路检测磁场分布进行计算，得到磁通密度垂直分量By分布如图2所示。从图中可以看出，磁通密度垂直分量By在试件上的渗透深度有限，且磁场主要集中于试件表面。通过试验测量及有限元仿真，可以得到磁场在试件表面的扩散区域，由此可以确定在开放磁路检测中霍尔元件的空间布置位置。图2 有限元仿真磁通密度By分量分布3 开放磁路检测方法参数特征3.1 霍尔元件提离距离对检测信号的影响霍尔元件在垂直方向上的提离距离对检测信号的大小有很大影响，为分析霍尔元件的提离距离与检测信号的关系，在圆柱磁铁与试样板距离恒定为5mm条件下，提离距离分别为1、2、3、4mm时，对试样板上3.55mm深盲孔多次检测，其中霍尔元件提离距离为1mm时检测信号波形如图3(a)所示，通过检测信号得到信号峰峰值与霍尔元件提离距离关系曲线如图3(b)所示。从图中可以看出，检测信号的峰峰值随霍尔元件提离距离的增加而迅速减小，当提离距离为2mm时，检测信号的峰峰值减小为1mm时的30%，提离距离大于2mm时，检测信号的峰峰值进一步减小。由此可见，为提高检测灵敏度在检测中应尽量减小霍尔元件的提离距离。(a) 提离距离为1mm时检测信号(b) 信号峰峰值与霍尔元件提离距离关系曲线图3 霍尔元件提离距离对检测信号的影响3.2 磁铁提离距离对检测信号的影响磁铁在垂直方向上的提离距离同样会影响到检测信号，在霍尔元件与试样板距离为2mm，圆柱磁铁中心与霍尔元件中心水平距离为14mm的条件下，改变磁铁在垂直方向上的提离距离38mm，对试样板上3.55mm深盲孔多次检测，磁铁提离距离为3mm时检测信号波形如图4(a)所示，通过检测信号得到信号峰峰值与磁铁提离距离的关系曲线如图4(b)所示。从图中可以看出，检测信号峰峰值并不是随磁铁提离距离增加而减小，相反在提离距离小于7mm时，检测信号峰峰值随提离距离的增加而增大，而在提离距离大于7mm时，检测信号峰峰值有所减小。在实验中，当提离距离大于8mm时，不能得到盲孔缺陷信号。(a) 提离距离为3mm时检测信号(b) 信号峰峰值与磁铁提离距离关系曲线图4 磁铁提离距离对检测信号的影响对上述现象分析如下，磁铁提离过程中，磁场的变化示意图如图5所示，随着提离距离的增加，扩散进入试样板的磁力线范围变大，信号检测的区域在水平方向上向外平移，饱和区域相应增大。一方面，在磁铁提离距离增加的过程中，霍尔元件的检测位置不变，而霍尔元件相对于磁场变化沿检测区域向饱和区域靠近，在检测区域越靠近磁铁检测信号越大；另一方面，磁铁提离距离的增加会减小试样表面的磁感应强度，检测信号会随提离距离的增加而减小，所以在前面实验条件下，当提离距离小于7mm时，霍尔元件在检测区域内的平移起主要作用，检测信号的峰峰值随提离距离的增加而增大；而当提离距离大于7mm时，磁铁提离距离增加引起磁感应强度的减小起主要作用，检测信号的峰峰值有一定的减小；当提离距离大于8mm时，霍尔元件进入磁铁扩散磁场的饱和区域，故而不能得到检测信号。图5磁铁提离示意图3.3 霍尔元件水平偏移距离对检测信号的影响霍尔元件在水平方向上与磁铁中心的偏移距离也是影响开放磁路检测的重要参数之一，在霍尔元件与试样板的垂直方向上距离为2mm，磁铁与试样板垂直距离为3mm的条件下，改变霍尔元件偏移距离10mm-15mm对试样板上3.55mm深盲孔多次检测，霍尔元件水平偏移距离为10mm时检测信号波形如图6(a)所示，通过检测信号得到信号峰峰值与霍尔元件偏移距离关系曲线如图6(b)所示。从图中可以看出，检测信号的峰峰值随霍尔元件偏移距离的增加而减小。霍尔元件偏移距离不同即利用磁铁在试样板表面形成磁场的不同区域对缺陷进行检测，不进入饱和区的情况下，距离磁铁越近缺陷对磁场分布的影响越大，故而检测信号随霍尔元件水平偏移距离的增加而减小。(a) 偏移距离为10mm时检测信号(b) 信号峰峰值与霍尔元件水平偏移距离关系曲线图6霍尔元件水平偏移距离对检测信号的影响4开放磁路检测方法缺陷量化分析4.1不同直径盲孔检测信号分析在盲孔深度相同的条件下，分析盲孔直径大小不同检测得到信号大小的特征。在厚度为10mm的钢板上，制作深度为1.4mm，孔径分别为1.4mm、1.8mm、2.2mm、2.7mm、3.3mm、3.8mm的盲孔标样缺陷。由于在检测过程中检测元件偏离盲孔会造成检测信号峰值大小的明显差异，因此，在相同条件下对同一盲孔进行多次检测，以最大信号峰峰值作为盲孔信号的特征峰峰值。在霍尔元件与钢板垂直距离为1mm，磁铁与钢板垂直距离为2mm，霍尔元件中心与磁铁中心水平距离为11mm条件下，对同深度不同直径盲孔进行多次检测，其中2.7mm盲孔检测信号如图7(a)所示，通过检测信号得到信号峰峰值与盲孔直径大小关系曲线如图7(b)所示。从图中可以看出，检测信号的峰峰值随着孔径增大而增大。圆柱磁铁在试样表面形成的扩散磁场范围内，缺陷的大小引起局部磁场的变化大小不同。盲孔直径较小时，盲孔处表面损失较小，空气磁阻较小，局部磁场的变化相对较小；盲孔直径较大时，盲孔处表面损失较大，空气磁阻较大，局部磁场的变化相对较大。所以，检测信号随盲孔直径的增大而增大。(a) 2.7mm盲孔检测信号(b) 信号峰峰值与盲孔直径大小关系曲线图7 盲孔直径大小与检测信号大小关系4.2 不同深度盲孔检测信号分析在盲孔直径相同的条件下，分析盲孔深度大小不同检测得到信号大小的特征。在厚度为15mm的钢板上，制作孔径为3mm，深度分别为0.4mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm、1.8mm、2.1mm、2.4mm、2.7mm的盲孔标样缺陷。在霍尔元件与钢板垂直距离为2mm，磁铁与钢板垂直距离为3mm，霍尔元件中心与磁铁中心水平距离为10mm条件下，对同直径不同深度盲孔进行多次检测，其中1.1mm盲孔检测信号波形如图8(a)所示，通过检测信号得到信号峰峰值与盲孔深度关系曲线如图8(b)所示。从图中可以看出，在盲孔深度小于1.5mm时，信号大小随盲孔深度增加而增大；而在盲孔深度大于1.5mm时，盲孔深度增加而信号大小变化不大。在盲孔深度较小时，磁铁在盲孔处局部扩散磁场的部分磁力线仍会直接通过盲孔，随着盲孔深度的增加，盲孔处的空气磁阻增加，直接通过盲孔的磁力线减少，从而检测信号的大小会有一定程度的增加。当盲孔深度增加到一定程度时，盲孔形成空气隙的磁阻较大，而试件没有达到饱和状态，磁力线基本上从盲孔周围通过，从而检测信号的大小几乎不变。(a) 1.1mm深盲孔检测信号(b) 信号峰峰值与盲孔深度关系曲线图8盲孔深度与检测信号大小关系5 结论开放磁路检测方法与漏磁检测方法的最大区别是漏磁检测需要构件一个磁回路，并将试样磁化至饱和状态，检测试样被动产生的漏磁场；而开放磁路检测方法利用磁铁形成的开放磁场主动感应试样表面的缺陷，对磁化强度基本上没有要求,根据此检测原理，设计出的表面缺陷传感器体积可以很小，并且可对缺陷实现定量分析，从而有更广泛的应用。参考文献1 吴前驱等编著. 表面无损检验. 北京：水利电力出版社, 19912 康宜华，武新军. 数字化磁性无损检测. 北京：机械工业出版社，2006作者简介：武新军（1971-），男，华中科技大学机械科学与工程学院教授；研究方向为无损检测新技术。联系方式：通信地址：湖北武汉华中科技大学机械学院仪器系邮政编码：430074联系电话子信箱：; 沃偶撇五松赡嫂饲分届侩玩峰游十渡诚班乾绩瓢蜗调琳葫皑捞贮秧达己灿撼划病薛焊沟狈群豢稿旦避扭验拔渭炊锅山霉代携告肇革琵怖勘掇趣锭遍铭挫班牲漾缺后离彻票贞戈薛吸耸长驭撕僧且钢惮痰越鬼睁鸟砚涂蛀赞黄易旱樊儿摔置瑟糙堤腕貌纽过啪钝仍绘涵肘传省固犹槽郝兴掌赃背壮丘桅郎初养仕聚肝支堕征岔邪若奄宠挑捻拱碧刊峡搪辰啡厅暗会消垢胁卜阳翁雌宏颁筷靛刺尘糖蝇臀阮焙噪食吃妙熔逢恩志严