（通信与信息系统专业论文）三轴传感器技术在钢管缺陷信号采集中的应用研究.pdf

三轴传感器技术在钢管缺陷信号采集中的应用研究 摘要 在钢管质量无损检测方法中，漏磁检测技术因其检测效率高、可靠性好， 被广泛应用在钢管缺陷检测中，安全评估钢管的生产和运行。 钢管漏磁检测系统主要包括漏磁信号采集、漏磁信号处理、缺陷识别等几个部分。 其中漏磁信号的采集是系统中关键部分之一。目前国内外较先进的漏磁检测系统采集 信号所用的传感器大都是一维传感器，每次采集一个方向的磁场，依次使钢管经过轴 向和周向磁化器，分别检测出漏磁信号的水平分量和垂直分量，可以判定出缺陷长度 信息和深度信息，但是难以准确判定缺陷宽度信息。这种磁化方式比较复杂，对信号 参数的判别精度还有待提高。 本课题从对钢管漏磁检测技术的研究入手，采用三轴传感器一次检测中就能获得 漏磁信号三维分量，提高数据检测的效率，减少磁化装置的复杂度；利用漏磁信号环 向分量，直接界定出缺陷宽度信息，结合漏磁信号三维分量分析得出缺陷尺寸数据， 提高对缺陷参数的判别精度。 本文主要研究内容如下： 1 在基于钢管三维漏磁检测原理的基础上，对三轴传感器检测技术进行研究， 分析磁化方式、磁化强度和磁化方向对漏磁信号的影响，并对直流、交流和永 磁磁路进行分析。 2 应用有限元分析方法，对漏磁信号三维分量进行特征分析。分别对钢管裂纹 和孔洞缺陷仿真得到漏磁信号三维分量，重点对三维分量与缺陷参数之间的关系进行 分析。研究结果表明：由于水平、垂直和环向漏磁信号幅值分别和裂纹长度、深度和 宽度具有拟合关系，通过计算可确定裂纹参数信息；孔洞直径对漏磁信号环向分量峰 值的影响是成近似线性变化，可用来界定孔洞直径大小。 3 设计基于霍尔传感器的钢管三维漏磁信号采集系统。系统采用钢管原地旋转 结合探头直线扫查的工作方式，使用一套磁化装置和一组传感器阵列，完成对钢管缺 陷的扫查，减小了设备的复杂度，节约成本。论文分别设计了三轴传感器、探头、磁 化装置和漏磁信号调理电路。 4 对钢管三维漏磁信号采集电路进行实验。分别预制直径相同、深度不同和深 度相同、直径不同的圆柱体人工缺陷；对钢管缺陷进行漏磁信号采集实验，获得三维 漏磁测试数据，并对测试结果进行分析。 关键字：钢管；采集系统；三轴传感器；磁化装置；三维漏磁信号；缺陷 i i a p p l i e dr e s e a r c ho ft r i a x i a ls e n s o r so na c q u i s i t i o n o ft h es t e e lt u b ed e f e c t ss i g n a l s a b s t r a c t a m o n gt h en o n d e s t r u c t i v et e s tm e t h o d so fs t e e lp i p e s ，t h em a g n e t i cf l u x l e a k a g ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h es t e e lp i p e sd e f e c td e t e c t i o ni n s a f e t ya s s e s s m e n to fp r o d u c t i o na n do p e r a t i o no ft h es t e e lp i p e sb e c a u s eo fi t sh i g h d e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n dg o o dr e l i a b i l i t y s t e e lp i p el e a k a g em a g n e t i cd e t e c t i o ns y s t e mi n c l u d e sm a g n e t i cf l u xl e a k a g e s i g n a la c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g o f m a g n e t i c f l u x l e a k a g e a n dd e f e c t i d e n t i f i c a t i o n a n dt h em a g n e t i cf l u xl e a k a g ed e f e c ts i g n a la c q u i s i t i o ni sak e y p a r t o ft h es y s t e m s e n s o r so fs i g n a l sa c q u i s i t i o nu s e di nd o m e s t i ca n df o r e i g na d v a n c e d m a g n e t i cf l u xl e a k a g ei n s p e c t i o ns y s t e ma r eo n e d i m e n s i o n a ls e n s o r s ，e a c hc o l l e c t s o n ed i r e c t i o no ft h em a g n e t i cf i e l d m a k et h ep i p e sd e t e c tt h eh o r i z o n t a la n d v e r t i c a l c o m p o n e n t s o ft h e m a g n e t i c f l u x l e a k a g et h r o u g h t h ea x i a la n d c i r c u m f e r e n t i a lm a g n e t i z e r si nt u r n ，w h i c hc a nd e t e r m i n et h eb a s i cd e f e c tl e n g t h a n dd e p t hi n f o r m a t i o n ，b u ti ti sd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l yd e t e r m i n ew i d t hi n f o r m a t i o n o ft h ed e f e c t t h i sk i n d o fm a g n e t i z a t i o ni s r e l a t i v e l yc o m p l e x ，a n dt h e d i s c r i m i n a n ta c c u r a c yo ft h es i g n a lp a r a m e t e r si st ob ei m p r o v e d t h es u b j e c ti sf r o mt h es t u d yo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g ei n s p e c t i o no fs t e e lp i p e ， u s i n g t h et r i a x i a ls e n s o rd e t e c t i o nw i l lb ea b l et o g e tt h et h r e e d i m e n s i o n a l c o m p o n e n t o ft h e m a g n e t i c f l u x l e a k a g es i g n a l t h es i g n i f i c a n c e o ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u xl e a k a g ei n s p e c t i o n ：t oi m p r o v et h ed a t ad e t e c t i o n e f f i c i e n c y a n dr e d u c et h e c o m p l e x i t y o ft h e m a g n e t i z i n gd e v i c e ；u s er i n g c o m p o n e n to fm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a lt od e t e r m i n ew i d t hi n f o r m a t i o no ft h e b a s i cd e f e c t t h ec o m b i n a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n a lc o m p o n e n t so ft h em a g n e t i c f l u xl e a k a g es i g n a l st oc o m et ot h ed e f e c ts i z ed a t at oi m p r o v et h ed i s c r i m i n a t i o n a c c u r a c yo fd e f e c tp a r a m e t e r s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u xl e a k a g ed e t e c t i o np r i n c i p l e so f s t e e lp i p e s ，f i r s t l yr e s e a r c ho nt h et h r e e a x i sm a g n e t i cs e n s o rd e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h e o r y ，t h e na n a l y z et h ep r o b ee x c i t a t i o nm o d e a t l a s ta n a l y z et h ee x c i t a t i o n m a g n e t i cc i r c u i t 2 a p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et oa n a l y z et h r e e d i m e n s i o n a l l t t c o m p o n e n to ft h el e a k a g em a g n e t i cf i e l d g e tt h r e e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u x l e a k a g es i g n a lo fp i p ec r a c k sa n dh o l e sd e f e c t b ys i m u l a t i o n ，a n df o c u so n a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h r e e 。d i m e n s i o n a lc o m p o n e n to ft h el e a k a g e m a g n e t i cf i e l da n dt h ed e f e c tp a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：h o r i z o n t a l v e r t i c a l a n dr i n gc o m p o n e n to ft h em a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a lh a sf i t t i n gr e l a t i o n s h i pw i t h c r a c kl e n g t h ，d e p t ha n dw i d t h ，t h e nt h ec r a c kp a r a m e t e ri n f o r m a t i o nb a s i c a l l v d e t e r m i n e db yc a l c u l a t i n g ；p o r ed i a m e t e rh a sal i n e a ri m p a c to nt h er i n gc o m p o n e n t o ft h el e a k a g em a g n e t i c ，w h i c hc a nb eu s e dt od e t e r m i n et h ep o r ed i a m e t e r 3 d e s i g nt h r e e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m o fp i p eb a s e do nh a l ls e n s o r s s t e e l sr o t a t ei np l a c ec o m b i n e dw i t ht h ep r o b el i n e s c a n n i n gm o d e ，u s i n gam a g n e t i z e dd e v i c et oc o m p l e t et h es c a n n i n go ft h es t e e l t u b ed e f e c t s ，r e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ee q u i p m e n t d e s i g nt h r e e a x i ss e n s o r s ， p r o b e s ，m a g n e t i z i n gd e v i c e sa n dm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 4 m a k ee x p e r i m e n t so nt h ea c q u i s i t i o nd e v i c eo ft h r e e d i m e n s i o n a ls t e e lp i p e l e a k a g em a g n e t i c t od e t e r m i n et h e e x p e r i m e n t a l t e s t p r o g r a m ，r e s p e c t i v e l y p r o d u c i n gt w od i f f e r e n ts e t so fa r t i f i c i a lc y l i n d r i c a lf l a w s m a k em a g n e t i cf l u x l e a k a g e d a t a a c q u i s i t i o ne x p e r i m e n t o fs t e e lt u b ed e f e c t sa n do b t a i nt h r e e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u xl e a k a g et e s td a t a ，t h e na n a l y z et h et e s tr e s u l t s f i n a l l ys u m m i n gu pt h ew o r k ，a n dp r o s p e c t i n go nf u r t h e rs t u d yo ft h et r i a x i a l s e n s o rt e c h n ol o g y k e y w o r d s ：s t e e lp i p e ；c o l l e c t i o ns y s t e m ； t h r e e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l ； t r i a x i a l s e n s o r ；m a g n e t i z a t i o nd e v i c e ； d e f e c t 致谢 本论文是在导师张海燕副教授的悉心指导和耐心帮助下完成的。从论文的 选题、课题方案的设计、研究工作的开展以及论文的的审阅无不凝聚了导师的 智慧和心血。张老师在论文的研究思路和研究方法方面给予了建设性的意见， 开阔了我的研究思路。我从张老师身上看到的不仅是认真严谨的治学态度、踏 实勤奋的工作作风，更看到了张老师对工作、教育事业执著的精神，积极进取、 豁达乐观的人生态度，以及待人接物的坦诚与宽容。在论文完成之际，谨向张 老师致以最衷心的感谢和祝愿! 在学习期间，离不开周围许多同学对我的帮助和支持。特别感谢马小芳、 杨积东、严园园和史英杰等同学在读研期间对我的帮助，使我能顺利完成学业。 感谢已毕业的师姐，在课题开始给予我许多帮助。 最后还要感谢我的父母，感谢父母对我的养育之恩，感谢他们对我默默地 支持和鼓励。 毕业论文将要完成，也标志着我在合肥工业大学学习生活将要结束。在这 三年的时光中有太多美好的回忆，将成为我一生中受之无穷的财富。感谢这三 年来所有关心和帮助过我的朋友们! 由于本人知识水平有限，难免论文中存在不妥和不足之处，敬请各位专家、 老师批评指正。 v 方晓艳 2 0 12 年4 月 插图清单 图1 1 铁磁性钢管中的漏磁场4 图1 2 漏磁检测技术原理示意图4 图2 1 三维漏磁检测的工作原理一9 图2 2 霍尔效应原理图1 0 图2 3 磁敏传感器扫查1 2 图2 4 钢管三维参照系1 3 图2 5 钢管的典型磁化特性曲线1 3 图3 1 漏磁信号垂直分量1 7 图3 2 漏磁信号水平分量1 7 图3 3 漏磁信号环向分量18 图3 4 钢管漏磁信号三维分量示意图18 图3 5 裂纹垂直分量1 9 图3 - 6 裂纹水平分量1 9 图3 7 裂纹环向分量2 0 图3 8 长度对水平分量的影响曲线2 0 图3 - 9 裂纹长度与水平分量的拟合曲线2 0 图3 1 0 深度对垂直分量的影响曲线一2 1 图3 1 1 裂纹深度与垂直分量的拟合曲线一2 1 图3 1 2 宽度对环向分量的影响蓝线2 2 图3 。1 3 裂纹宽度与环向分量的拟合曲线2 2 图3 1 4 孔洞直径与垂直分量的关系曲线2 3 图3 1 5 孔洞直径与水平分量的关系曲线2 3 图3 1 6 孔洞直径与环向分量的关系曲线一2 3 图4 1 钢管三维漏磁信号采集系统的立体图2 5 图4 2 三轴传感器空间坐标示意图2 7 图4 3 霍尔元件摆放示意图一2 8 图4 4 条状横向探头2 8 图4 5 磁化装置磁路结构2 9 图4 6n 4 8 退磁曲线31 图4 7 霍尔传感器恒流源电路3 2 图4 8 稳压电路3 2 图4 - 9 片选电路连接方式3 3 图4 1 0 放大电路连接示意图3 4 图4 1 1 带通滤波器电路图3 4 v l | l 图5 1 系统总体框图3 6 图5 2 漏磁信号采集装置的实物图3 6 图5 3 漏磁信号采集系统的试验装置实物图3 6 图5 4 钢管三维漏磁检测采集系统软件界面3 7 图5 5 不同深度圆柱体人工缺陷位置示意图3 8 图5 6 不同直径圆柱体人工缺陷位置示意图3 8 i x 表格清单 表1 1 各种检测方法在铁磁性材料应用中的比较3 表2 1 常见磁敏传感器类型参数表1 1 表4 1 钢管漏磁检测试验装置的技术参数2 6 表4 2 探头参数表2 9 表4 3 钕铁硼n 4 8 的性能参数3 0 表4 4 几种导磁材料特性3 0 表4 5n 4 8 的特性参数表3 0 表4 - 6 励磁器参数表3 2 表4 77 4 h c 4 0 5 2 的控制参数3 3 表5 1 缺陷深度对三维分量影响的测试数据表3 8 表5 2 缺陷直径对三维分量影响的测试数据表4 0 x 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 在我国生产铁磁性钢管企业约有近百家，我国目前是世界上第一大铁磁性 钢管制造国和出口国，加上多达上千家民营钢管公司，共有钢管生产线数千条 【lj 。钢管无疑在油气远距离运输工程、化工行业、压力容器行业等各个行业应 用中起到举足轻重的作用【2 1 。主要被加工成各种承压钢管，大量的应用在工业 上。但是，这些钢管却经常发生损坏导致事故，还造成无法挽回的环境污染损 失，极大影响了人民生活和工业生产。为了保障工业各部门的日常运行，减少 经济效益的损失，需要使用质量更高和性能更好的钢管。所以，为了保证钢管 的质量和运输安全，要在生产制造过程和出厂安装前对其进行不损伤自身的高 速检测。 为了能在不改变被测试件的性能的前提下又能检测到其质量的好坏，应用 无损检测技术1 3 】。无损检测技术又名n d t 技术，无损伤是它最突出的特点。 其目的在于对被测物内缺陷参数与其毁坏程度间的关系进行研究，进一步评估 其剩余寿命和安全可靠性，再将这些信息反馈到生产制造部门，并对生产加工 工艺进行改进，及时发现并有效清除缺陷，保证了质量，并起到一定的预防事 故风险的作用。 近年来，在工业化获得迅速发展的时代，出现了许多新兴的无损检测技术 【4 】。在以新型传感器技术、数字信号处理技术、信息科学技术和计算机技术等 为基础，进行多学科相互交融的n d t 技术，使得其朝着高速化、智能化及可视 化方向快速发展。随着现代化建设中越来越迫切的需求，n d t 技术极其广泛地 应用在机械制造、化工、铁路、石油、医疗诊断、航天航空等领域，并起到关 键的作用。尤其是不可替代的应用在工业产品的检测中，包括其在生产制造或 者使用维护过程中的检测。 目前国内外相关领域专家对无损检测技术进行大量的研究，n d t 技术在物 理学、电磁学、声学、光学、信号检测以及机械设计等基础学科中都有涉及。 根据不同的适用范围，n d t 技术主要检测技术有漏磁、超声波、涡流等几种方 法。其中漏磁检测技术是目前最有效的钢管缺陷无损检测技术之一。 由于漏磁场在空间上的方向是无法直接感知的，是以三维矢量形式存在【5 j 。 目前国内外较先进的钢管漏磁检测采用的传感器大都是一维，每次探测一个矢 量分量的磁场 6 1 ，如果传感器与磁场矢量方向不垂直的时候，获得的感应电压 无法反映磁场强度的实际大小，可能有较大偏差。依次使钢管经过轴向和周向 磁化器，分别检测出二维漏磁信号。其磁化装置较复杂，对信号参数的判别精 度还有待提高。当需要测量空间三维磁场的分布时，需要对传感器位置和角度 进行精确调整才能实现。简单的一维或两维漏磁检测技术己显不足。所以，为 1 了准确方便的测量磁场的大小，三轴传感器检测技术将越来越多的被使用【6 j 。 在这样背景下，本课题尝试三轴传感器对漏磁信号进行采集，一次检测中 就能获得漏磁信号三维分量，通过对漏磁信号分量与缺陷参数的关系分析，提 高对缺陷参数的判别精度。 研究钢管三维漏磁检测技术具有以下的意义： l 、减小设备复杂度，提高检测效率 系统采用三轴传感器采集缺陷信号，相比较传统的漏磁检测要分别经过轴 向和周向磁化装置，三维漏磁检测只需要使用一套磁化装置，就可完成对钢管 缺陷的扫查，减小了设备的复杂度，提高了检测效率。 2 、提高检测精度和识别缺陷能力 传统的漏磁检测系统，其漏磁检测技术仍停留在一维或二维检测技术上， 一次采集漏磁信号的水平分量或垂直分量，可以判定出缺陷长度信息和深度信 息。但是这两个分量都难以准确判定缺陷宽度信息【7 | 。如果只靠增加传感器的 个数并不能提高缺陷宽度信息的检测精度，这也是传统漏磁检测系统难以提高 检测精度的根本原因 j 。 本文设计基于霍尔传感器的钢管三维漏磁采集系统。三轴传感器能同时采 集到三维分量，除了能直接界定出长度信息和深度信息以外，利用漏磁信号环 向分量能较好的判定出宽度信息，是衡量宽度的一个重要指标，提高对宽度的 检测精度；综合判断漏磁信号三维分量分析得出缺陷参数数据，可确定漏磁缺 陷信号波形的形状趋势，提高对缺陷参数的判定精度，有助于定量检测。这也 是三轴传感器检测技术的优势所在j 。 1 2 钢管无损检测技术及发展概况 无损检测是指在不破坏其形状和性能的条件下，对试件所进行的一种检测峭j 。目 前，钢管最常规的无损检测方法是：磁粉检测、超声波检测、涡流检测、射线检测及 渗透检测。还有一些新的无损检测方法也被经常使用，例如红外线检测、激光全息检 测和声发射检测法等，每种方法原理不同，各有其优缺点，要根据不同的应用场合选 择合适的检测方法。对于这五种方法的原理特点介绍如下： ( 1 ) 磁粉检测适用于已经被磁饱和的铁磁性材料的缺陷检测。是利用强导磁性磁粉 的聚集来发现试件近表面或表面的缺陷，这种方法不需要特殊处理表面，能够直观地 显示出缺陷的大小形态及方向【9 1 。检测的灵敏度不受试件表面的影响p j ，可以由检测 人员直观看出检测结果。但是人的主观经验能够影响检测结果，很难实现定量分析。 ( 2 ) 超声检测是利用几兆赫兹的超声波在发射到不同介质的界面时，易于产生反射 的特点来检测试件内部缺陷。超声检测对试件壁厚的检测具有优势。具有速度快，灵 敏度高，检测成本低，能够确定缺陷深度的优势。但是检测过程要求工作表面平滑， 因此需要借助耦合剂。 f 3 ) 涡流检测法利用涡流电磁感应及电荷集肤效应原理，通过检测线圈来感应涡流 信号。涡流通过缺陷位置时，由缺陷的变化引起涡流的变化，通过测定试件内感应涡 流的变化来判断缺陷。由于集肤效应，该方法适用于表面缺陷的检测，而且要求试件 为导电材料。此方法不需要耦合剂、易于实现高速自动化【如】，但是不能定量检测缺陷 参数。 ( 4 ) 射线检测是利用射线的穿透性原理，穿透被检试件所引起的强度衰减不同，将 缺陷检测出来。用计算机辅助断层扫描方法很直观的反映缺陷的图像，较容易判断缺 陷尺寸峭j 。检测中射线易发生散射，会对检测人员及环境造成危害。 ( 5 ) 渗透检测首先将渗透液渗入到固体材料表面的缺陷缝隙处，然后通过毛细血管 的原理将显像剂渗入的渗透液吸出到材料表面而显示缺陷的存在。此方法能够检测出 各种缺陷，尤其是用在无法采用磁性检测的非磁性材料中。但其不能检测出内部缺陷。 在有了漏磁检测技术之后，常将它划进上述常规方法中。从漏磁传感器的工作原 理上看，漏磁检测与涡流检测都是通过电磁感应获得检测信号，可将其划分为一组， 称为电磁检测；若从工作原理上看，漏磁与磁粉检测都是检测铁磁材料的漏磁信号， 可将它们划分为一组，称为漏磁检测。常见的无损检测方法比较见表1 1 。 表1 1 各种检测方法在铁磁性材料应用中的比较 泳： 超声检测射线检测涡流检测磁粉检测漏磁检测 检测性能比较 检测速度( m m i n ) 2 0 左右 小于1 3 0 小于0 5 2 5 7 2 最大检测直径( m m )1 4 01 0 018 0l8 06 6 0 检测缺陷深度( m m ) 2 01 0222 0 检测灵敏度( 孔m m ) 1 51 53 21 51 5 漏检和误检率 一 一 低低同局同 内壁缺陷检测能力无有无无有 最大端头盲区( m m ) 3 0 03 0 03 5 05 02 0 管体缺陷检测能力强无强无强 钢管端头检测能力无有无有强 是否需要耦合剂 必须无无无无 一 最高 低局低 检测成本 同 防护要求无严格 无 无 无 耗材 水或油无无磁粉无 可视化监测能力无无 无 无 有 自动化检测能力 有无有无有 表1 1 表明：对铁磁性钢管缺陷检测的方法进行对比，漏磁检测技术具有检测速 度快，检测直径和深度大，不需要耦合剂能够实现可视化、无盲区及自动化的检测等 优点。漏磁检测逐渐成为一种有着广泛应用领域的无损检测方法【l l 】。 1 3 钢管漏磁检测技术及发展概况 1 3 1 钢管漏磁检测技术基本原理 漏磁无损检测技术是指铁磁性钢管被磁化到磁饱和状态后，若钢管表面和 内部都没有缺陷，则磁通在钢管内部均匀分布；若存在缺陷时，令管壁无缺陷 处的截面积s l ，有缺陷处截面积s 2 ，显然有缺陷时截面积减小、磁通路变窄， s l s 2 ；磁阻r = i ( p s ) ，所以r 2 r l ，磁阻增大；由于同性磁力线相斥，管壁可 容纳的磁力线数量是一定的，导致缺陷附近的磁力线发生压缩而畸变。根据磁 感应线连续性原理，磁力线通过s 2 时被分流成三部分：如图1 1 所示。 ( 1 ) 在管壁内部一小部分磁感应线会穿过缺陷； ( 2 ) 大部分磁感应线从缺陷下面绕过； ( 3 ) 只有另一小部分磁感应线遵循折射定律会穿出管壁而经外部空气绕过 缺陷再次折回钢管内部，其中在钢管表面溢出来的那部分磁通，为漏磁场，其 大小形状取决于缺陷的几何参数。 此时通过磁敏传感器以一定速率相对钢管表面进行扫查，将漏磁场转化为 缺陷信号来发现缺陷参数信息博j ，如图1 2 所示。 垂箍 九： f 一 s 、，一一 s ， ， 图1 1 铁磁性钢管中的漏磁场图1 2 漏磁检测技术原理示意图 1 3 2 钢管漏磁检测技术发展概况 一般将漏磁检测技术研究分为三个方面：( 1 ) 研究漏磁检测装置；( 2 ) 研究 缺陷漏磁场理论【1 2 】；( 3 ) 研究漏磁场特征与缺陷参数间的关系。漏磁检测技术 是高速检测铁磁性钢管的可靠方法之一。 从2 0 世纪3 0 年代开始，z u s c h l u g 首先应用磁敏传感器测量获得了漏磁通； 直到4 0 年代h a s t i n g s 设计了一套完整的漏磁检测系统后，漏磁检测技术才被 大众认可【1 3 】。漏磁检测的出现，使对钢管近表面或内表面缺陷检测成为可能。 同一时期f o r s t e r 研究所研制出漏磁探伤装置，实现了对钢管、棒材的探伤，能 够检测出深度为1 2 壁厚缺陷【1 4 】；t u b o s c o p e 公司研制了对无缝钢管进行检测 的漏磁探伤装置；t u b o m a t 公司研制了钢管漏磁检测的两种工作方式，分别为： 钢管旋转、探头直线前进或探头固定、钢管螺旋前进l l 5 | 。 缺陷漏磁场的定量计算始于2 0 世纪6 0 年代，s h c h e r b i n i n 用磁偶极子模型计 算有限长表面裂纹的漏磁场分布；h w a n g 在1 9 7 5 年采用有限元方法对漏磁场 进行分析，首次把试件内部磁导率、场强与漏磁场幅值联系起来【l6 j ；a t h e r t o n 计算了管壁孔状缺陷漏磁场并和实验测量结果联系起来，得到了较为一致的结 4 论u 6 ；e d w a r d 得出了有限长裂纹的三维表达式，并且得出漏磁场幅度与缺陷 深度呈近似线性的关系。 美国的a p i 标准、英国b s 标准、德国d i n 标准中都规定必须采用漏磁检 测技术来检测铁磁性材料。目前，国际上已颁布了“i s 0 9 5 9 8 - - 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( t c l 7 ) ”和“i s 0 9 4 0 2 一无缝和 焊接铁磁性压力钢管纵向缺陷的传感器和漏磁探伤( t c l7 1 ”两项标准。 我国钢管漏磁检测技术开始于上世纪七十年代末，此时无论是理论研究领 域上，还是工业应用方面，都落后于欧美等工业发达的国家。 2 0 世纪8 0 年代，国内对漏磁探伤技术尚处于了解、认识、引进使用阶段。 由杨洗陈首先详细介绍了国外漏磁场与缺陷参数关系理论【l7 j ；随后张琪等用有 限元方法分析了缺陷参数对漏磁场的影响。在19 9 1 年制定了我国首部“钢管及 圆钢棒的漏磁探伤方法”( g b t l 2 6 0 6 9 0 ) ，规定了铁磁性钢管和圆钢棒表面 缺陷的漏磁探伤方法u 8 ；在19 9 9 年又颁布另一个“钢管漏磁检验方法”， ( g b t 12 6 0 6 9 9 、。 由孙永荪介绍了国外漏磁检测技术的研究现状【l9 】；仲维畅解释了缺陷处漏 磁场的特点并采用磁偶极子模型研究了有限长、无限长带偶极子的漏磁场分布； 李路明等在量化漏磁信号方面做了大量的研究；杨理践等采用有限元分析方法 对漏磁场进行二维和三维静态场分析；胡险峰首次提出了平均磁导率和有效磁 导率的概念；解源等在钢管和钢丝绳的漏磁场研究中做了很大的贡献。 目前制造钢管漏磁探伤设备的企业主要是国外几家有名的无损检测装置制造公 司，我国在工业化探伤设备的制造开发方面还处于探索阶段【20 1 。例如，从9 0 年代开 始，合肥工业大学何辅云等人就开始研制承压铁磁性钢管高速检测系统，检测速度达 到4 5 m m i n ，灵敏度达到壁厚的5 蚶2 1j ；华中理工大学康宜华等人研制的钢管扫描仪， 较大的提高了传感器灵敏度；清华大学也研制出了钢管漏磁检测仪，通过信号处理技 术提高检测精度1 22 j ；天津大学蒋奇等也研制了钢管漏磁检测仪，应用于天津钢管公司 2 1 】。这些探索研究，积累了丰富经验，给钢管漏磁高速检测系统及其技术的进一步发 展奠定了基础j 。 随着现代各领域学科技术相互交叉融合，漏磁检测技术的应用研究也必将 朝着更趋于成熟的方向发展。其发展趋势包括几个方面：( 1 ) 检测速度更快、 操作更简易、界面更直观；( 2 ) 传感器智能和小型化【l6 j ；( 3 ) 多信息融合专家 系统技术、高可靠稳定性【l6 j ；( 4 ) 研究在役设备检测信息管理跟踪分析【23 1 。 1 4 三轴传感器检测技术应用及发展概况 到目前为止，三轴传感器检测技术的应用己深入到工业、生物、宇航、自 动控制工程等各个领域5 1 。当前几乎任何技术领域都离不开传感器的测量。 ( 1 ) 三轴磁敏传感器在国内已逐渐的被应用，磁场测量范围达到l0 。5 l0 3 t 。 目前常见的磁敏传感器主要有霍尔元件、磁敏二极管、线圈传感器和磁阻传感 器等。采用新工艺、新材料研制新型传感器是漏磁检测领域的重点发展方向之 一。随着半导体技术和集成电路的发展，进一步提高了传感器的集成度，聚磁 技术也提高了传感器的检测灵敏度。国内在三轴磁敏传感器的研究起步较晚， 但随着经济和技术发展，其种类和质量也得到了发展。目前，三维磁阻传感器、 三维磁强计等也已相继被开发。还利用三轴传感器技术研制一些特殊的测磁设 备，如磁向导航仪、磁性探伤仪、强磁场磁强计等。 2 0 世纪8 0 年代，随着微机械加工技术和超大规模集成电路的进步，霍尔传感 器从平面向三维方向发展，出现三维甚至四维的霍尔传感器【24 i ，实现了产品批量化、 体积微型化，为霍尔传感器在磁场测量中的广泛应用提供条件【2 引。 在国内首先对三维漏磁检测器进行试验性研究的是中国石油钢管公司，不 仅能识别、判定出腐蚀等常规缺陷的尺寸，还能检测出各类裂纹缺陷，提高了 对缺陷的检测精度。 磁悬浮列车作为陆上交通工具是依靠气隙磁场将列车悬浮于轨道上，用电机推动 而运行的。气隙磁场的变化规律对列车的悬浮、导向都有很大影响，可采用三轴霍尔 传感器对三维气隙磁场测量。然而三轴霍尔传感器应用于钢管漏磁信号采集，要 通过三轴向正交的安装霍尔传感器来实现，目前还处于实验研究阶段，市面上 并无销售。 ( 2 ) 目前，磁敏传感器的研究在国外拥有优势，早在2 0 世纪6 0 年代国外就 开始用高强度的磁敏传感器进行研究工作【5j 。目前国外市场上销售的磁敏传感 器主要品种是霍尔元件、磁阻元件等，而巨磁阻元件也有了很大发展。生产霍 尔元件的代表企业有日本的旭化成和东芝、美国的h o n e y w e l l 和a l l o g r o 公司等； 而s o n y 、p h i l i p s 等公司大量的生产磁阻传感器1 2 引。 2 0 0 3 年，h o n e y w e l l 公司推出了h m c l 0 5 3 三轴磁阻传感器，用在探测像地磁场 一样的弱磁场测量，测量量程为6 g s - 6 g s 。该传感器用于感应三维方向的磁场，它 被封装在一个微型的( 7 4m m 7 4m m x 2 5 m m ) 1 6 引脚芯片内。h m c l 0 5 3 可测出小于 0 1 m g s 的磁场，并可把磁场转换成差分输出电压。它主要用途是供罗盘和导航使用。 磁饱和磁强计是应用磁饱和法原理制成的磁场测量仪，或称为磁通门磁强计。从 2 0 世纪3 0 年代磁饱和磁强计开始用于地磁测量，通过不断发展改进，其分辨力达到 1 0 。1 1 t ，测量弱磁场的范围较宽。并且可靠、耐用且价廉，能够直接测量磁场在空间 上的三维分量，适于在高速运动系统中使用，目前仍然是测量弱磁场的基本仪器之一。 因此，它广泛应用在如地磁研究、宇航工程、金属探测、无损探伤、空间磁场测量等 领域，可用于控制火箭姿态，还可测量月球磁场等。 国外的磁敏传感器工艺技术性能先进、稳定性好。特别是m e m s ( 微机电系统) 关 键技术的迅猛发展，使磁敏传感器的性能得到提升，而且降低了产品价格【5 j 。在硅平 面工艺基础上发展起来的一种精密三维加工技术- - m e m s - v 艺，是研究传感器、微机 械系统的核心技术。应用m e m s 工艺，使现代传感器技术从物性型进入以微电子和微 6 机械集成技术为主导的发展阶段。采用m e m s 技术和集成技术研制的微传感器，具有 成本低、体积小、可靠性高等独特的优点。例如美国研究了在2 c m 2 c m 0 1 5 c m 的体 积内，制造了3 个陀螺和3 个加速度计组成的微型惯性导航系统。 1 5 本文主要研究内容 钢管漏磁检测系统主要包括采集漏磁信号、信号处理、缺陷识别等几个部分【2 7 1 。 而漏磁信号的采集是系统中比较关键的部分之一，它决定系统能否准确的采集到信 号，并显示出数据。 本文主要研究内容如下： 1 在基于钢管三维漏磁检测原理的基础上，对三轴传感器检测技术进行研究， 分析探头的励磁方式，并对励磁磁路进行分析。 2 应用有限元分析方法，对漏磁信号三维分量进行特征分析。对钢管裂纹和孔 洞缺陷仿真得到三维漏磁信号，重点对漏磁信号三维分量与缺陷参数之间的关系进行 分析。研究结果表明：由于水平、垂直和环向漏磁信号幅值分别和裂纹长度、深度和 宽度具有拟合关系，通过计算可确定裂纹参数信息；孔洞直径对漏磁场环向分量峰值 的影响是成近似线性变化，可用来界定孔洞直径大小。 3 设计基于霍尔传感器的钢管三维漏磁信号采集系统。系统采用钢管原地旋转 结合探头直线扫查的工作方式，使用一套磁化装置和一组传感器阵列，完成对钢管缺 陷的扫查，减小了设备的复杂度，节约成本。论文分别设计了三轴传感器、探头、磁 化装置和漏磁信号调理电路。 4 对钢管三维漏磁信号采集电路进行实验。分别预制直径相同、深度不同和深 度相同、直径不同的圆柱体人工缺陷；对钢管缺陷进行漏磁数据采集实验，获得三维 漏磁测试数据，并对测试结果进行分析。 1 6 本文拟解决的关键问题和创新点 1 6 1 本文拟解决的关键问题 ( 1 ) 设计三维漏磁信号的采集系统； ( 2 ) 设计探头和三轴传感器，使采集装置能获取缺陷的三维漏磁信号； ( 3 ) 通过磁路分析，设计合适的磁化装置，达到对钢管进行充分磁化的目的； ( 4 ) 研究漏磁信号三维分量与缺陷参数之间的关系； ( 5 ) 对人工缺陷进行三维漏磁检测实验，并对测试结果进行分析。 1 6 2 本文的创新点 ( 1 ) 本课题采用三轴传感器对漏磁信号进行采集，一次检测中就能获得三维漏 磁信号，提高了采集效率。通过结合漏磁信号三维分量的特征分析，获得缺陷的长度、 宽度和深度信息，提