管道弯头磁性检测方法与便携式仪器-机械电子工程硕士论文

华中科技大学 硕士学位论文 管道弯头磁性检测方法与便携式仪器 姓名 谢三洋 申请学位级别 硕士 专业 机械电子工程 指导教师 武新军 康宜华 20070107 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 管道弯头在工业管道中起到改变介质传输方向的作用 比管道其他部分更容易产生 缺陷 严重威胁管道传输安全性 目前 国内外对工业管道弯头还没有高效 便捷 经 济的检测方法 针对管道弯头结构特征及检测特点 研究了分离式漏磁检测方法 包括励磁磁路分 析 磁化强度计算及磁化方式选择等 为实现管道弯头外表面缺陷便捷检测 提出并研 究了基于局部磁场的开放磁路检测方法和基于主磁通的开放磁路检测方法 重点研究了 开放磁路特征参数对检测信号的影响以及对盲孔检测时的量化特征 针对管道弯头内外表面缺陷 设计了分离式漏磁检测传感器及基于两种开放磁路的 检测传感器 在此基础上 研制了管道弯头便携式磁性无损检测仪 包括检测传感器 嵌入式仪器和检测信号处理电路 并对不同规格管道弯头标样缺陷进行检测 试验结果 表明 分离式漏磁检测传感器对直径为 32mm 厚度为 3mm 管道弯头 可检测出 20 壁厚深度的圆锥盲孔及 1 6mm 通孔 对直径为 219mm 厚度为 20mm 管道弯头 可 检测出 40 壁厚深度的圆锥盲孔 基于两种开放磁路的检测传感器对 32 273mm 的 管道弯头 可以有效检测出 3mm 的通孔 尤其对大直径厚壁管道弯头具有较好的检 测效果 检测结果表明该管道弯头便携式磁性无损检测仪具有结构简单 操作方便 检 测灵敏度较高的特点 达到了检测实际应用要求 具有广泛的应用前景 关键词关键词 管道弯头 开放磁路 分离式 漏磁 无损检测 盲孔 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Curved pipes are widely used in pipeline for changing the flowing direction Compared with other parts of pipeline the curved pipe may cause defects more easily which brings problems to the safety of the pipeline There is still no high efficiency convenient and economical inspecting method for curved pipes inside and outside the country The thesis researched the separated mode of magnetic flux leakage MFL inspecting method based on the characteristic of the structure of the curved pipe It includes the analysis of the magnetic circuit the calculation of the intensity of magnetization and the mode of the magnetization In order to inspect outside defects of the curved pipe conveniently the thesis advanced the opened magnetic circuit testing method based on local magnetic field and the opened magnetic circuit testing method based on the main flux Especially the thesis focused on researching the characteristic parameters effects on the inspecting signal and the quantitative characteristic of the defects by using the opened magnetic circuit testing method The sensor based on separated mode of magnetic flux leakage and two kinds of sensors based on the opened magnetic circuit testing method are designed aimed at the inside and outside defects It developed a kind of portable non destructive testing instrument for the curved pipe which includes the inspecting sensor the embedded instrument and the signal processing circuit The instrument is applied in inspecting of the curved pipe samples of different specs The results show that the separated mode of magnetic flux leakage sensor can inspect the through hole with dimension of 1 6mm and the taper blind hole with the depth of 20 of the pipe s thickness inside the curved pipe of 32mm Also it can inspect the taper blind hole with the depth of 40 of the pipe s thickness inside the curved pipe of 219mm The sensors based on the opened magnetic circuit testing method can inspect through holes with the dimension of 3mm on the curved pipe of specs from 32 to 273mm The sensors have great effect on inspecting the large diameter curved pipes with thick wall especially The testing result shows that the instrument has some advantages such as the simple structure convenient operation and high inspecting sensitivity It can satisfy the requirement of application which has bright application future Keywords Curved pipe Opened Magnetic Circuit Separated Mode Magnetic Flux Leakage Non Destructive Testing Blind Hole 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 本论文属于 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 保密 在 年解密后适用本授权书 不保密 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 1 绪绪 论论 1 1 课题概述课题概述 1 1 1 课题来源课题来源 本课题来源于华中科技大学机械学院和中国石油化工股份公司天津分公司合作项 目 弯管漏磁检测仪的研制 1 1 2 课题的提出 课题的提出 工业管道在工业介质传输中发挥着重要作用 然而 管道在传输过程中受到环境及 传输介质的影响 会产生腐蚀 疲劳裂纹等缺陷 管道缺陷给管道安全带来了极大的隐 患 如不及时有效的检测出管道上存在的缺陷并采取相应的处理措施 管道事故造成的 后果是不堪设想的 1989 年苏联一条天然气管道发生泄漏 引起大爆炸 死伤 800 多人 成为 1989 年 震惊世界的灾难性事故 1 1993 年委内瑞拉同样是一条天然气管道发生泄漏 造成重大 事故 近年来还有其他一些国家如俄罗斯 巴基斯坦 加拿大和英国等国家的工业管道 发生事故的报道 2 我国的工业管道也曾不同程度地发生各种事故 据不完全统计 截至 1990 年 我 国仅输油工业管道在近 20 年时间里 共发生大小事故 628 次 天然气工业管道和石化 管道也曾多次发生事故 后果更为严重 特别是工业管道泄漏造成了严重的环境污染 给人民生命财产造成严重损失 2 例如 国内某石油化学有限公司乙醇生产装置中的高 温蒸汽管道弯管处发生泄漏 造成很大的经济损失 3 国内某公司化纤厂热媒管道 45 弯头侧壁靠近焊缝部位发生泄漏造成起火事故 4 管道投入运行的早期和后期是事故的高发期 特别是服务后期 管道事故发生的可 能性随着服务期限的增加急剧增加 而我国多数管道服务都已有 20 多年了 到了事故 高发期 2 为了达到对管道状况有全面准确的了解 防止管道事故的发生 长期以来人 们研究开发了许多方法和技术 使管道检测水平不断提高 国内工业管道检测技术的研究水平及应用水平都较低 处在起步阶段 尚未制定统 一的标准 这就造成了我国的工业管道修复大都是由于工业管道发生泄漏 爆破后被迫 进行的抢修 若掌握高水平的工业管道检测技术 变抢修为计划检修 有计划地更换个 别管段 即可避免上述灾害 大大减少工业管道维修费用 此外 对管道的运行状态不 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 清楚往往使决策者做出错误决策 导致由于盲目地报废某些管道再建新管道而造成的浪 费 例如 我国有一条工业管道曾多次发生泄漏 最后决定将其全线报废另建新工业管 道 在拆除旧工业管道时发现 大部分钢管没有腐蚀或只有轻微腐蚀 估计要更换的工 业管道不足十分之一 因此 大力发展和普及工业管道检测技术是十分必要的 2 弯头作为管道的重要组成部分 用来改变管道中介质的传输方向 由于其结构的特 殊性 相对于管道的其他部位 更容易遭受流体介质的冲刷腐蚀 研究表明 弯头的冲 蚀磨损比直管部分的磨损大约严重 50 倍 5 在用工业管道定期检测规程 中明确规定管 道弯头 弯管 为重点检查部位 6 然而 现有的管道弯头检测技术还不够成熟 无法满 足管道弯头检测应用的需要 因此 本课题致力于管道弯头检测方法的研究和检测仪器 的研制 达到管道弯头检测应用的要求 1 1 3 课题的目的和意义 课题的目的和意义 工业管道弯头应用广泛 规格不一 而且其结构较为复杂 因而 采用常规的检测 方法很难准确 高效 便捷地检测管道缺陷 本课题的目的就在于 针对目前工业管道 弯头检测还没有可靠 高效的检测方法这一问题 从检测方法上进行理论和实验研究 研究能够有效管道弯头这一特殊对象的检测方法 并在此基础上研制能够满足实际检测 需要的检测仪器 1 课题研究的理论意义在于通过对整体磁化分离式漏磁检测方法的研究 优化 管道弯头检测磁路设计 为管道弯头检测仪的研制提供理论支持 扩充漏磁检测的应用 范围 2 课题研究的实践意义在于研制出管道弯头漏磁检测仪 为管道弯头的检测提供 一种新方法 解决管道弯头可靠 高效检测问题 对于防止由于管道弯头的缺陷而引起 的各种危害和损失将起到积极的作用 为工业管道的维护提供可靠的依据 产生巨大的 经济效益和社会效益 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 目前 国内外对管道弯头的无损检测常用方法有超声检测 磁粉检测 涡流检测 射线成像检测 漏磁检测等方法 1 超声检测 超声检测原理是 将高频声波脉冲导入被检测的材料 当声波传输的过程中遇到缺 陷时 一部分声波会被反射回 产生回波 系统可检测到这些回波 并进行放大处理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 转换成数字信号 呈现在屏幕上 从而获得被测材料的缺陷状况 超声检测方法可以应用于管道弯头内壁缺陷检测 检测精度比较高 而且操作方便 但超声检测方式是点检测 检测效率较低 同时需要耦合剂 实现快速检测比较困难 由于管道弯头结构特殊 表面形状复杂 在弯头上检测时超声探头与弯头的贴合程度不 一样 对检测结果会造成一定影响 而且对于弯头某些部位由于结构元件 探头无法检 测 近年来 为了适应快速的检测要求 人们在不断研究超声波的耦合技术 如空气耦 合 电磁超声 激光超声和直接磁致伸缩耦合等技术 德国采用水淋超声耦合技术实现 工业管道壁厚和纵向裂纹的综合检测 它能满足从多个探伤面同时进行多种缺陷全面检 测的需要 并能实现自动扫描 数字化控制和数据采集 从而提高了探伤的速度和超声 波探伤的可靠性 7 11 Hansen P B Kristensen W D 和 Dam J 研制了管道弯头焊缝超声成像自动扫描仪 实现了管道弯头焊缝快速 可靠检测 12 宋绍河 张昕和柴武研究了超声波探伤方法运 用于中小口径弯管纵向裂纹检测 研制了双晶凹面超声波探头 较好的解决薄壁弯管裂 纹的探伤 特别适用于探测微小裂纹 13 李树军和孙芳从理论和实践两方面分析总结了 管制弯头内壁纵向裂纹探伤中探头 K 值的选取原则 14 2 磁粉检测方法 磁粉检测原理是当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷从而导致该处的磁 场有足够的变化时 在材料表面空间可形成漏磁场 将细微的铁磁性粉末 磁粉 施加在 此表面上 漏磁场吸附磁粉形状磁痕显示出缺陷的存在及形状 15 20 管道弯头外壁裂纹可以通过磁粉检测方法有效检出 而管道弯头检测重点为弯头内 壁缺陷 磁粉检测方法无法检测管道弯头内部缺陷 所以磁粉检测方法还不能有效地检 测管道弯头 3 涡流检测方法 用一个高频振荡器供给激磁线圈产生激磁电流 并在被检测件中感应出涡状电流 涡流又产生自己的磁场 涡流磁场的作用削弱激磁磁场的变化 由于涡流磁场中包含着 管材状况等各种信息 如钢管材料中存在的各种缺陷 仪器通过检测线圈把涡流信号 检出 进行滤波 鉴相 放大等处理 并抑制非缺陷的各种噪声信号 如材料性能的差 异 运动不平稳等 以此来判别管材中缺陷的存在 21 27 涡流检测方法应用于管道弯头表面缺陷检测 具有检测灵敏度高 不需要耦合剂等 优点 但渗透深度不能够满足管道弯头内部缺陷检测的需要 宋树波 邵泽波等研究了高温蒸汽弯管的在役涡流检测技术 分析了温度对涡流检 测信号的影响 提出抑制环境温度影响的措施 并对缺陷和涡流信号响应特征之间的关 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 系进行了分析和研究 检测结果表明 涡流检测技术可以有效地检测弯管表面裂纹等缺 陷 3 4 射线成像检测 射线成像检测可以显示管道弯头内部图像 对腐蚀和堵塞不但一目了然 而且还可 以定量的显示腐蚀后的壁厚和堵塞后的堵塞率 是一种较为理想的检测方法 但是普通 的射线成像装置用大电流 高功率的强 X 射线源 用几百个检测器组成阵列 在几百个 方向上取投影数据 设备大而且笨重 无法到现场应用 有的采用小而轻的弱 射线源 用少量检测器 采用特殊的射线成像重建算法 并用开合式结构制作了适用现场的工业 管道 CT 检测仪 成功的应用于现场 28 29 李兆太通过射线源定心支撑的方法解决了大口径厚壁管焊缝拍片效率低和特厚管 线不能双壁透照的难题 30 5 漏磁探伤方法 漏磁探伤的基本原理是通过外加强大的磁场对铁磁性材料进行磁化 当被磁化的铁 磁材料存在缺陷时 即在材料表面形成漏磁场 检测线圈或霍尔元件检测到漏磁场并将 其转化为电流或电压的大小 依此反映出缺陷的大小和位置 漏磁检测法具有速度快 灵敏度高 穿透能力强 不受油水影响等特点 对管道内部缺陷的检测具有较好的灵敏 度 且成本低 操作简单 适合用于管道弯头检测 31 37 由于传统漏磁检测方法运用于管道弯头检测时 结构上较难实现 所以采用分离式 整体漏磁检测方法检测管道弯头 即磁化器和检测探头分离 利用磁化器将管道弯头部 分整体磁化至饱和状态 磁化器静止不同 检测探头在弯头上扫描检测弯头缺陷形成的 漏磁场 程顺峰 武新军等对管道弯头漏磁检测方法进行了研究 采用固定的磁化器对 弯头进行整体磁化 检测探头沿管道弯头外表面扫描检测 38 该方法可以有效的检测出 小直径 薄壁弯头内部及外部缺陷 但不能可靠检测出大直径 厚壁弯头缺陷 除此之外 近年来国内外针对导波检测技术运用于管道弯头检测进行了大量的研 究 Hideo Nishino Kenichi Yoshida 等将超声导波检测方法运用于管道弯头检测 研究了 弯曲半径为 12 5mm 不同角度弯管中的导波传播现象 39 A Demma P Cawley 和 M J S Lowe 运用有限元建模得出导波在弯管中的频散曲线和传播模式 40 A Demma P Cawley 和 M J S Lowe 研究了弯管中导波的纵向模态和扭转模态下的模态转换 分析 了弯曲半径和弯曲长度对导波传播的影响 41 何存富 刘增华等利用超声导波技术对弯 管缺陷检测进行了实验研究 对 90 弯管中的人工周向缺陷和结构缺陷等进行了检测 分析了周向缺陷尺寸的变化对缺陷回波幅值大小的影响 并且对同时存在多个缺陷的检 测进行了研究 42 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 Ship V V Muravin G B 和 Chaburkin V F 研究了声发射方法在管道焊缝检测中的应 用 阐述了测焊缝裂纹发展的声发射监测原理 43 Weil G J 和 Graf R J 研究了管道泄漏的红外热像检测方法 研制了计算机处理红外 热像管道检测仪 可以非接触大面积检测管道泄漏及腐蚀 44 1 3 研究策略及论文的主要工作研究策略及论文的主要工作 本学位论文通过实验研究提出了一种开放磁路检测方法 在此基础上研制了管道弯 头开放磁路检测传感器 将其运用于管道弯头的表面缺陷检测 本学位论文通过实验研 究了管道弯头的分离式漏磁检测方法 并对其磁路进行分析确定了检测传感器结构参 数 研制了管道弯头便携式磁性无损检测系统 包括检测传感器和嵌入式检测仪 论文 主要包括以下几部分 第一章为绪论 首先概述了本学位论文课题的来源和意义 然后综合介绍了国内外 关于管道弯头无损检测方法的研究情况 并对本文作者所做的工作进行了简述 第二章介绍管道弯头表面缺陷的开放磁路检测原理与方法 通过实验研究了局部磁 场开放磁路检测方法和主磁通开放磁路检测方法 分析了检测方法的参数特征 第三章介绍管道弯头便携式检测仪的研制 包括检测传感器的结构设计 嵌入式检 测仪的研制以及检测电路设计 第四章介绍管道弯头便携式检测系统的应用情况 对不同规格管道弯头试样进行了 检测 确定了检测传感器的检测能力 第五章对全文进行了总结 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 2 基于开放磁路的管道弯头缺陷检测方法基于开放磁路的管道弯头缺陷检测方法 2 1 引言引言 众所周知 漏磁检测方法需要磁化器与被测构件形成磁回路 使其缺陷产生漏磁场 在漏磁检测方法基础上 区别于漏磁检测原理 开放磁路检测方法不需要构建磁回路 利用磁铁与被测构件间形成的开放式磁场实现被测构件表面缺陷的检测 本章将对开放磁路检测方法的检测原理进行研究 通过实验研究其参数特征和缺陷 量化特征 实验表明 开放磁路检测方法在构件表面检测上具有结构简单 操作方便 检测灵敏度较高的突出特点 可应用于管道表面缺陷检测 2 2 局部磁场开放磁路检测原理与方法局部磁场开放磁路检测原理与方法 2 2 1 局部磁场开放磁路检测原理 局部磁场开放磁路检测原理 将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 2 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 2 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 局部磁场开放磁路检测原理 为获得试件表面的磁场分布特征 设计磁通密度测量实验 实验结构参数如图 2 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 7 所示 图 2 2 磁通密度测量实验 在厚度为 18mm 的试样板上 2 个尺寸为 18 8mm 圆柱磁铁 霍尔元件与试样板 间距离为 1mm 磁铁与试样板间距离参数为 d 霍尔元件与磁铁中心轴线距离参数为 L 当 L 变化时 测量霍尔元件输出电压 利用霍尔效应的线性可以表征试样板表面垂直方 向上的磁通密度 当提离距离 d 2mm 3mm 4mm 5mm 时 测量不同距离 L 下的 霍尔元件输出电压 对电压值拟合得到霍尔元件输出电压与距离 L 的关系曲线如图 2 3 所示 1020304050607080 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 距离L mm 霍 尔 元 件 输 出 电 压 v d 2mm d 3mm d 4mm d 5mm V 2 5v 图 2 3 霍尔元件输出电压与距离关系曲线 磁通密度分量为 0 时 霍尔元件输出电压为 2 5V 由霍尔元件的线性 从图 2 3 可 以看出 磁通密度的垂直分量随距离的增大从一个方向上迅速减小到零后沿反方向增大 至最大后缓慢减小至零 当提离距离 d 增加时 霍尔元件测量点的磁场强度变强 使得 霍尔元件容易饱和 磁力线通过空气耦合进入试样板的范围变大 在此范围内的缺陷引 起磁通密度的变化会相对变小 也就不利于缺陷的检测 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 4 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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 磁场主要集中于试件表面 距离试件表面 2mm 测量磁通密度垂直分量 By 沿水平方向 上的变化 得到其曲线如图 2 5 所示 比较图 2 3 和图 2 5 磁通密度垂直分量 By 水平 方向上的变化特征基本一致 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 4 有限元仿真磁通密度 By 分量分布 1020304050607080 0 12 0 1 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0 02 0 04 距离L mm 磁 感 应 强 度 垂 直 分 量 B y T 图 2 5 有限元仿真磁通密度 By 分量水平方向变化 磁铁 试样板 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 2 2 局部磁场开放磁路检测方法参数特征局部磁场开放磁路检测方法参数特征 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 5 5mm 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 2 6 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 2 6 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 11 522 533 54 0 100 200 300 400 500 600 700 800 霍尔元件提离距离 mm 信 号 峰 峰 值 m v b 图 2 6 霍尔元件提离距离对检测信号的影响 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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 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 3 8mm 对试样板上 3 5 5mm 深盲孔多次检测 磁铁提离距离为 3mm 时检测信号波形如图 2 7 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 2 7 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 33 544 555 566 577 58 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 磁铁提离距离 mm 信 号 峰 峰 值 m v b 图 2 7 磁铁提离距离对检测信号的影响 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 磁铁提离距离不同时 试样表面的磁感应强度分布会发生变化 如前文图 2 3 所示 磁铁提离过程中 磁场的变化示意图如图 2 8 所示 随着提离距离的增加 扩散进入试 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 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 图 2 7 中当提离距离小于 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 2 8 磁铁提离示意图 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局部磁场开放磁路检测的 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 5 5mm 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 2 9 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 2 9 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 饱和区 检测区 磁铁 试样板 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 a 1010 51111 51212 51313 51414 515 0 100 200 300 400 500 600 700 800 霍尔元件水平距离 mm 信 号 峰 峰 值 m v b 图 2 9 霍尔元件水平偏移距离对检测信号的影响 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 2 2 3 局部磁场开放磁路检测方法缺陷量化分析 局部磁场开放磁路检测方法缺陷量化分析 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 制作如表 2 1 所示的标样缺陷 表 2 1 不同直径盲孔标样缺陷 孔径 mm 1 4 1 8 2 2 2 7 3 3 3 8 深度 mm 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 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 13 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 2 10 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 2 10 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 b 图 2 10 盲孔直径大小与检测信号大小关系 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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 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 制作如表 2 2 所示的盲孔缺陷 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 2 11 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 2 11 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 表 2 2 不同深度盲孔标样缺陷 孔径 mm 3 3 3 3 3 3 3 3 深度 mm 0 9 1 1 1 3 1 5 1 8 2 1 2 4 2 7 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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 11 21 41 61 822 22 42 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 盲孔深度 mm 信 号 峰 峰 值 m v b 图 2 11 盲孔深度与检测信号大小关系 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 2 3 主磁通开放磁路检测原理与方法主磁通开放磁路检测原理与方法 2 3 1 主磁通开放磁路检测原理 主磁通开放磁路检测原理 将磁铁置于铁磁性试件表面一定距离 磁铁在空间形成一开放磁场 用检测线圈测 量磁铁磁力线耦合进入试件的主磁通 若检测线圈覆盖的试件表面存在缺陷 磁力线会 向外扩散 使得通过线圈的磁通减小 从而感应出表征缺陷的电压信号 通过对电压信 号的处理就可以实现对缺陷的检测 主磁通开放磁路检测方法示意图如图 2 12 所示 图 2 12 主磁通开放磁路检测方法示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 2 3 2 主磁通开放磁路检测方法参数特征 主磁通开放磁路检测方法参数特征 1 提离距离对检测信号的影响 磁铁和检测线圈与试件间的距离即提离距离对检测信号的大小都有较大的影响 通 过实验研究提离距离与检测信号的关系 在磁铁提离距离恒定为 8mm 的条件下 改变 线圈的提离距离 1 5mm 对钢板上 3 5 5mm 深盲孔反复检测 检测过程中保持检测 线圈扫描速度一致 其中线圈提离距离为 1mm 时检测信号波形如图 2 13 a 所示 在检 测线圈提离距离恒定为 1mm 的条件下 改变磁铁的提离距离 4 11mm 对同样的缺陷 反复进行检测 其中磁铁提离距离为 4mm 时检测信号波形如图 2 13 b 所示 通过检测信号得到信号峰峰值与线圈提离距离的关系及信号峰峰值与磁铁提离距 离的关系如图 2 13 c 中线圈提离曲线所示 曲线表明 检测信号对线圈的提离距离很敏 感 随着提离距离的增加检测信号的大小迅速衰减 当线圈提离距离为 5mm 时 信号 峰峰值仅为提离距离为 1mm 时的 20 检测信号对磁铁的提离距离同样很敏感 随着 磁铁提离距离的增加 缺陷信号会明显减小 但信号大小的衰减程度不及线圈提离 当 磁铁提离距离达 11mm 时 信号峰峰值为提离距离为 4mm 时的 30 比较图 2 13 中线圈提离曲线和磁铁提离曲线 可以看出检测线圈的提离距离对检测 信号的影响更为明显 a b 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 1234567891011 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 提离距离 mm 信 号 峰 峰 值 m v 线圈提离曲线 磁铁提离曲线 c 图 2 13 提离距离对检测信号的影响 a 线圈提离距离为 1mm 时检测信号 b 磁铁提离距离为 4mm 时检测信号 c 信号峰峰值与提离距离关系曲线 2 线圈匝数对检测信号的影响 线圈匝数同样是主磁通开放磁路检测方法的关键参数 线圈匝数关系到检测信号的 大小 由电磁感应定律可以知道 dt d NE 在 dt d 一定的条件下 线圈输出感应电压E与线圈匝数N成正比 实验绕制匝数分别为 20 40 60 80 100 120 线圈 线圈内径相同 利用不同 匝数线圈对钢板上 3 5 5mm 深盲孔反复检测 检测过程中保持检测线圈扫描速度一 致 其中线圈匝数为 80 时检测信号波形如图 2 14 a 所示 通过检测信号得到信号峰峰 值与线圈匝数的关系如图 2 14 b 中曲线所示 从图中可以看到 随线圈匝数的增加 信 号峰峰值并非线性增加 当线圈匝数N小于 80 时 信号峰峰值随线圈匝数增加而增加 增加幅度逐渐减小 而线圈匝数大于 80 时 信号峰峰值随线圈匝数增加而减小 当线圈匝数增加时 线圈的厚度增加使得磁铁的提离距离增加 从信号峰峰值与磁铁提 离距离关系曲线中可以知道 信号峰峰值大小随磁铁提离距离的增加而减小 同时 线 圈匝数增加时 线圈的电阻也会增加 使得信号放大电路中前级放大电阻增加 放大倍 数减小 得到的信号的峰峰值会减小 由以上分析可知 检测信号的峰峰值不是单纯的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 随线圈匝数的增加而线性增加 信号峰峰值与线圈匝数关系曲线中会存在极值 这与实 验获得的曲线关系是一致的 a 2030405060708090100110120 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 线圈匝数 N 信 号 峰 峰 值 m v b 图 2 14 线圈匝数对检测信号的影响 a 线圈匝数为 80 时检测信号 b 信号峰峰值与线圈匝数关系曲线 3 磁化强度对检测信号的影响 磁铁的磁化强度也会影响到检测信号的大小 改变磁铁的数量会改变磁化强度 实 验在线圈与试样垂直距离恒定为 2mm 磁铁与试样垂直距离恒定为 5mm 的条件下 增加 14 8mm 圆柱磁铁数量 1 4 以增加磁化强度 对钢板上 3 5 5mm 深盲孔反复检测 检测过程中保持检测线圈扫描速度一致 其中磁铁数量为 1 时检测信号波形如图 2 15 a 所示 通过检测信号得到信号峰峰值与磁铁数量的关系如图 2 15 b 中曲线所示 从图中 可以看出 当磁化强度较小时 检测信号随磁化强度增加而增大 而磁化强度达到一定 值时 检测信号随磁化强度的增加而增大很小 在磁化强度较小时 圆柱磁铁在试样表面形成的扩散磁场范围较小 缺陷引起的磁 通的相对变化也小 增加磁铁数量时 磁化强度增加 扩散磁场范围扩大 缺陷引起的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 磁通的相对变化也变大 a 11 522 533 54 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 磁铁数量 N 信 号 峰 峰 值 m v b 图 2 15 磁化强度对检测信号的影响 a 磁铁数量为 1 时检测信号 b 信号峰峰值与磁铁数量关系曲线 2 3 3 主磁通开放磁路检测方法缺陷量化分析 主磁通开放磁路检测方法缺陷量化分析 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 在线 圈与试样垂直距离为 2mm 圆柱磁铁与试样垂直距离为 5mm 条件下 对表 2 3 所示标 样缺陷进行多次检测 检测过程中保持检测线圈扫描速度一致 其中 2 7mm 盲孔检测 信号波形如图 2 16 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 2 16 b 所示 从图中可以看出 1 4mm 盲孔不能得到明显检测信号 在盲孔直径较小 时 检测信号的大小几乎不变 盲孔直径增大到一定大小时 检测信号的大小随盲孔直 径的增大而增大 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 表 2 3 不同直径盲孔标样缺陷 孔径 mm 1 4 1 6 1 8 2 2 2 7 3 3 3 8 深度 mm 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 由于线圈感应截面积上的磁通变化 面积越小 线圈对缺陷的分辨能力越高 即能 检测到的缺陷越小 比较图 2 10 中局部磁场的开放式检测方法检测信号峰峰值与盲孔直 径大小关系曲线 可以发现霍尔元件比线圈具有更高的缺陷分别能力 a b 图 2 16 盲孔直径大小与检测信号大小关系 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 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 在霍 尔元件与钢板垂直距离为 2mm 磁铁与钢板垂直距离为 5mm 条件下 对表 2 2 所示标 样缺陷进行多次检测 检测过程中保持检测线圈扫描速度一致 检测信号波形如图 2 17 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 2 17 b 所示 从图中可以 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 看出 缺陷信号的大小几乎与盲孔深度的大小无关 比较图 2 11 局部磁场的开放式检测 方法检测信号峰峰值与盲孔深度关系曲线 由于线圈的面积效应 霍尔元件比线圈具有 更高的缺陷分别能力 a 11 21 41 61 822 22 42 6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 盲孔深度 mm 信 号 峰 峰 值 m v b 图 2 17 盲孔深度与检测信号大小关系 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 2 4 开放磁路检测方法特征开放磁路检测方法特征 开放磁路检测方法的特征在于磁铁与试样之间构建一个开放磁场 试样表面存在缺 陷时 会引起开放磁场分布的变化 通过传感器获得磁场的变化以获得试样表面缺陷的 相关信息 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 前文所述局部磁场开放磁路检测方法和主磁通开放磁路检测方法在原理上一致 区 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 别在于磁场变化的获取方式不一样 局部磁场开放磁路检测方法比主磁通开放磁路检测 方法具有更高的缺陷分辨能力 同时检测元件的位置要求也更高 主磁通开放磁路检测 方法比局部磁场开放磁路检测方法获得的信号具有更好的稳定性 在开放磁路检测原理的基础上 其检测方法结构形式并不唯一 图 2 18 所示管道内 表面检测方法是局部磁场开放磁路检测原理的一种实现形式 图 2 19 所示磁铁主磁通检 测方法是主磁通开放磁路检测原理的一种实现形式 图 2 18 管道内检测方法结构示意图 图 2 19