缺陷磁真空泄漏的理論分析

0基于磁真空泄漏原理的漏磁檢測(cè)方法1922年，美國(guó)人霍夫發(fā)現(xiàn)了一種基于磁粉檢測(cè)的泄漏試驗(yàn)原理?；阼F磁性材料的高磁導(dǎo)率和磁折射物理特性基礎(chǔ)之上的漏磁檢測(cè)原理也一直沿用到現(xiàn)在,這些應(yīng)用主要還是以定性檢測(cè)為主。其相應(yīng)的理論研究有楊叔子等及SUSHANT等的磁偶極子(ZATSEPIN等提出)和HUANG等的有限元法(HWANG等提出)的磁場(chǎng)靜態(tài)分布求解問(wèn)題、AMEET的漏磁逆向反演問(wèn)題、MUKHOPADHYAY等的缺陷幾何參數(shù)與其泄漏場(chǎng)及掃描速度之間相互影響關(guān)系分析。但上述理論研究目前與定性漏磁檢測(cè)的應(yīng)用銜接有一定的距離;而與實(shí)際探傷工程聯(lián)系更為緊密的研究主要有縱橫向傷復(fù)合檢測(cè)技術(shù)、儀器裝備及信號(hào)處理等,它們分別如RANDEL等的復(fù)合檢測(cè)方法、康宜華等所形成的儀器裝備以及ZHANG等的信號(hào)處理。但這些技術(shù)均建立在現(xiàn)有的漏磁檢測(cè)原理認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)之上,也即缺陷的磁泄漏從機(jī)制上講是由被檢測(cè)導(dǎo)磁構(gòu)體的磁導(dǎo)率所決定的。這導(dǎo)致現(xiàn)有的漏磁檢測(cè)方法存在著有待解決的工程問(wèn)題,主要為缺陷的漏磁場(chǎng)微弱,加上探頭與被檢體之間相對(duì)姿態(tài)的抖動(dòng)所引起的磁噪聲一直存在,使得檢測(cè)方式始終為“零”距離接觸式探測(cè),檢測(cè)探靴只能緊貼在被檢測(cè)體上進(jìn)行工作。這產(chǎn)生以下的不足:(1)檢測(cè)探靴存在嚴(yán)重的磨損問(wèn)題,降低了探靴使用壽命;(2)由于探靴的磨損改變了其探測(cè)提離值,使得設(shè)備需要不斷標(biāo)定才能獲得一致的檢測(cè)靈敏度;(3)探靴緊貼被檢體的實(shí)現(xiàn)需要輔助的浮動(dòng)與跟蹤機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí),端頭的檢測(cè)盲區(qū)大;(4)難以適應(yīng)高溫導(dǎo)磁構(gòu)件的探傷。于此同時(shí),現(xiàn)有漏磁檢測(cè)方法中一直存在的磁噪聲使得檢測(cè)信號(hào)的信噪比不高,探測(cè)靈敏度一直未能得到很好的提高;另外,某些磁敏器件如霍爾元件的飽和不工作現(xiàn)象也一直存在。雖然也有努力去提高和改善漏磁檢測(cè)靈敏度的研究,如日本川崎制鐵株式會(huì)社提出的一種聚磁法以及GWAN等提出的一種傳感器靈敏度增強(qiáng)法,但他們都只是在現(xiàn)有漏磁檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上試圖盡可能地多收集感應(yīng)到已形成的缺陷漏磁場(chǎng),實(shí)際上是屬于檢測(cè)信息鏈中的末端(已形成了的漏磁場(chǎng))技術(shù)的一種優(yōu)化嘗試,對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象及設(shè)備,有不同的優(yōu)化結(jié)構(gòu),從根本上和通用性上來(lái)講改善作用有限。其中的磁噪聲或者霍爾元件飽和現(xiàn)象依舊存在,或者磁噪聲可能反而加劇。本文從磁折射物理特性的分析出發(fā)形成一套磁真空泄漏假設(shè),提出一種基于磁真空泄漏原理的漏磁檢測(cè)新方法;并將采用有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)該方法進(jìn)行證實(shí)。1磁射波的偏轉(zhuǎn)傳輸過(guò)程中磁泄漏的發(fā)生,主要表現(xiàn)為212磁場(chǎng)具有擴(kuò)散與聚集特性,如圖1所示,在介質(zhì)的分界面處,磁場(chǎng)的擴(kuò)散與聚集傳遞遵循連續(xù)條件:(1)切向磁場(chǎng)強(qiáng)度相等;(2)法向磁感應(yīng)強(qiáng)度相等。即式中,e是垂直于界面的單位矢量,由介質(zhì)1指向介質(zhì)2;1B(1H)及2B(H2)分別為介質(zhì)1(磁導(dǎo)率為1μ)和介質(zhì)2(磁導(dǎo)率為μ2)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)強(qiáng)度),它們?cè)诮橘|(zhì)1及2內(nèi)與中法線e的夾角分別為1α、α2。由式(1)可得或式中,Bne(Hne)及nBτ(Hnτ)分別為在介質(zhì)n(n=1,2)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)強(qiáng)度)的法向分量和切向分量,也即得式(2)構(gòu)成磁折射擴(kuò)散規(guī)則。磁的折射偏轉(zhuǎn)方向與入射角以及介質(zhì)的導(dǎo)磁率有關(guān)。磁場(chǎng)方向與介質(zhì)面幾何形狀構(gòu)成入射角1α。由于1α=0°或1α=90°的磁入射角只有在理想的介質(zhì)面幾何形狀條件下發(fā)生,所以結(jié)合實(shí)際的磁入射角范圍0<α1<90°對(duì)式(2)作如下討論。(1)當(dāng)μ2=μ1時(shí),有α2=α1,磁感應(yīng)線直接穿越界面不發(fā)生折射,如圖2a所示。在同一磁化場(chǎng)H下,由B=μH可知B2=B1,此時(shí)兩者磁壓相等,磁壓差為零的情況下互不發(fā)生磁泄漏。(2)當(dāng)μ2≤μ1時(shí),有α2≤α1,μ2介質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)線發(fā)生折射,且折向法線n,形成磁通量由1μ介質(zhì)向μ2介質(zhì)的泄漏擴(kuò)散,如圖2b所示。此時(shí),由于B2=μ2H≤μ1H=B1,存在著由1μ介質(zhì)向μ2介質(zhì)的磁壓差,會(huì)形成由前者向后者的磁泄漏擴(kuò)散。當(dāng)1μ介質(zhì)為導(dǎo)磁構(gòu)件,μ2介質(zhì)為空氣時(shí),最終形成由導(dǎo)磁構(gòu)件向空氣的磁泄漏。由于在介質(zhì)的交界面,突變的缺陷也即0<α1<90°條件,所以這就是現(xiàn)有的缺陷磁空氣泄漏原理及其相應(yīng)的漏磁檢測(cè)方法。但不管怎樣,因?yàn)棣?(μair=1)≥1,所以可見,由于μ2(μair=1)≥1的存在,導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)泄漏角有最大值90°-α2。(3)由(1)、(2)分析,進(jìn)一步地,假設(shè)存在某種介質(zhì)μ2→0或μ2=0,則會(huì)得到或這樣,磁感應(yīng)線的折射線更加偏向中法線并與之重合,發(fā)生最為嚴(yán)重的極端折射,導(dǎo)致最終磁泄漏如圖2c所示。此時(shí),由于B2=μ2H=0,μ2介質(zhì)內(nèi)無(wú)磁感應(yīng)線,也即對(duì)于1μ介質(zhì),其背景磁場(chǎng)呈“磁真空”狀,形成μ2介質(zhì)對(duì)1μ介質(zhì)的磁吸附作用趨勢(shì),或者說(shuō)μ1介質(zhì)內(nèi)磁通泄漏時(shí)無(wú)反向磁壓作用,使得缺陷所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)最徹底,達(dá)到最大化。在這里,將此種磁泄漏稱之為磁真空泄漏。2提高磁真空泄漏的質(zhì)量在現(xiàn)有漏磁檢測(cè)方法中,總是存在較強(qiáng)的背景磁場(chǎng)且一直被人們所忽略。對(duì)此,有別于該磁空氣泄漏漏磁檢測(cè)方法,形成一種基于磁真空泄漏原理的漏磁檢測(cè)新方法:人為地清除較強(qiáng)的背景磁場(chǎng),讓被磁化的待檢測(cè)導(dǎo)磁構(gòu)件體內(nèi)的磁通在缺陷處無(wú)反向磁壓最大化地泄漏到所創(chuàng)造的磁真空區(qū)域,形成最大化的缺陷漏磁場(chǎng);同時(shí),將磁敏元件布置于該磁真空區(qū),拾取該最大化的缺陷泄漏場(chǎng)。磁真空泄漏原理與其相應(yīng)的檢測(cè)方法如圖3所示。從理論上講,所提出的上述磁泄漏原理和方法有以下幾個(gè)特性。(1)磁真空泄漏將缺陷的磁泄漏最大化,所形成的漏磁場(chǎng)在空間范圍和強(qiáng)度上均有所增大,特別是在空間范圍的增大上更為顯著,所以,相對(duì)于傳統(tǒng)的缺陷磁空氣泄漏漏磁檢測(cè),磁敏探頭的可探測(cè)距離可得到提高,可實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)距離非接觸式漏磁檢測(cè),從而解決傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)方式所帶來(lái)的不足。(2)在傳統(tǒng)的磁空氣泄漏漏磁檢測(cè)方法中,磁敏探頭在較強(qiáng)的背景磁場(chǎng)中的抖動(dòng)時(shí)易于形成磁噪聲,而在磁真空泄漏漏磁檢測(cè)方法中,磁敏探頭置于磁真空區(qū)域內(nèi),其抖動(dòng)不再易于形成磁噪聲,從而可很好地提高信噪比及其檢測(cè)靈敏度。(3)缺陷漏磁場(chǎng)的最大化,也就是剔除了傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)中的由于背景磁場(chǎng)的存在而導(dǎo)致的反向壓縮失真之后對(duì)其的修正,最終形成最大化單一的漏磁矢量,這有助于簡(jiǎn)化缺陷的定量檢測(cè)評(píng)估的難度,特別是逆問(wèn)題,因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的漏磁檢測(cè)中所捕獲的漏磁場(chǎng),實(shí)質(zhì)上是缺陷真實(shí)泄漏場(chǎng)(缺陷磁真空泄漏場(chǎng))與較強(qiáng)背景磁場(chǎng)的一種矢量疊加量。(4)可消除或減少某些磁敏元件如霍爾等的飽和不工作現(xiàn)象,從而可進(jìn)一步增大導(dǎo)磁構(gòu)件的外加磁激勵(lì)強(qiáng)度。在傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)方法中,磁敏元件所布置的區(qū)域存在較強(qiáng)的的背景磁場(chǎng),經(jīng)常性地出現(xiàn)霍爾元件的飽和不工作現(xiàn)象,這使得外加磁激勵(lì)強(qiáng)度不能過(guò)大而導(dǎo)致被檢體磁化不透徹。但通過(guò)磁真空泄漏漏磁檢測(cè)方法,在清除了較強(qiáng)背景磁場(chǎng)的同時(shí),也即消除或減少了置于該區(qū)域的霍爾等磁敏元件的飽和不工作現(xiàn)象,從而可進(jìn)一步地增大外加磁化強(qiáng)度,直到被檢體上細(xì)微缺陷都能夠被激發(fā)出泄漏場(chǎng)并被檢測(cè)觀察出。在創(chuàng)建磁真空泄漏物理環(huán)境的實(shí)際漏磁檢測(cè)應(yīng)用過(guò)程中,絕對(duì)的磁真空區(qū)域不易獲得,所以實(shí)際上只能盡可能地減少背景磁場(chǎng),形成接近磁真空,這樣缺陷的磁泄漏也盡可能地最大化。圖4給出了一種磁真空創(chuàng)建方法:采用U形磁屏蔽器,收集被檢測(cè)導(dǎo)磁構(gòu)件體外背景磁場(chǎng)并引導(dǎo)開,形成局部磁真空區(qū)泄漏環(huán)境。3磁空氣泄漏檢測(cè)結(jié)果分析與試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了證實(shí)磁真空泄漏原理及基于該原理的漏磁檢測(cè)方法的可行性,首先采用有限元法進(jìn)行仿真。所建立的有限元模型如圖5所示,主要由磁化線圈、磁屏蔽器(旋轉(zhuǎn)截面為U形)、鐵磁性材料及空氣區(qū)域構(gòu)成。其中,用以形成磁真空區(qū)域的磁屏蔽器區(qū)位于磁化線圈內(nèi)腔中央;在磁屏蔽器的中間位置處的局部鐵磁性材料上建有寬1.0mm、深0.8mm、長(zhǎng)15.0mm的橫向刻槽,它由于區(qū)域疊交操作也合并成為空氣區(qū)域。另外,磁屏蔽器區(qū)域的材料設(shè)置為鐵磁性和空氣時(shí),則其模型分別代表所提出的磁真空泄漏和傳統(tǒng)的磁空氣泄漏漏磁檢測(cè)方法。在這里,磁真空泄漏原理與其相應(yīng)檢測(cè)方法的效果如何主要是看與沒有磁屏蔽器時(shí)也即傳統(tǒng)的磁空氣泄漏模型的對(duì)比。同時(shí),旋轉(zhuǎn)截面為U形的磁屏蔽器模型的尺寸主要依據(jù)整個(gè)模型規(guī)格而設(shè)置,其U形的中間跨距不能太小,否則可能起反作用,也即聚磁而增大該區(qū)域的背景磁場(chǎng)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算,發(fā)現(xiàn)磁屏蔽器確實(shí)能夠起到盡可能地消除背景磁場(chǎng)的作用,其磁屏蔽效果如圖6所示。進(jìn)一步地,獲得了同一缺陷在磁真空泄漏和磁空氣泄漏條件下所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)分布,如圖7所示,其中圖7a與7b、7c與7d分別是缺陷的磁空氣泄漏與磁真空泄漏的磁力線與磁云的分布觀察圖。從圖7中的對(duì)比觀察可以看出,磁真空泄漏所形成的缺陷泄漏場(chǎng)要比磁空氣泄漏的有所擴(kuò)散加強(qiáng),特別是空間范圍的增大表現(xiàn)得尤為明顯;進(jìn)一步地,背景磁場(chǎng)越強(qiáng),缺陷的漏磁場(chǎng)表現(xiàn)得越弱。類似于上述有限元仿真模型,建立試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)所提出的原理及方法進(jìn)行進(jìn)一步地驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)原理與主要裝置如圖8所示,穿過(guò)式磁化線圈對(duì)外徑為60mm(壁厚9mm)且有人工橫向刻槽(1.0mm×0.8mm×15.0mm)的鋼管進(jìn)行軸向磁化,用以拾取人工傷漏磁場(chǎng)的3515霍爾元件布置于磁屏蔽器的中央,且提離值為3mm。試驗(yàn)時(shí),使用和不使用磁屏蔽器時(shí)的檢測(cè)狀況分別代表所提出的磁真空泄漏和傳統(tǒng)的磁空氣泄漏漏磁檢測(cè)方法;另外采用鋼管沿其軸心線勻速直線運(yùn)動(dòng)的掃查方式實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的獲取。通過(guò)霍爾元件拾取缺陷漏磁場(chǎng)的切向和法向分量,分別獲得如圖9所示的磁真空泄漏和磁空氣泄漏漏磁檢測(cè)信號(hào)1和2。從圖9中可以看出,在信號(hào)幅值上,磁真空泄漏漏磁檢測(cè)信號(hào)要比磁空氣泄漏的要大。這與有限元仿真的觀察結(jié)果是一致的。同時(shí),前者的信噪比要比后者好。所以在檢測(cè)靈敏度上要更加高。這主要是由于在磁真空泄漏原理與方法中,用于拾取缺陷漏磁場(chǎng)的磁敏元件置于無(wú)背景磁場(chǎng)的磁真空區(qū),其抖動(dòng)不再易于形成磁噪聲。另一方面,在試驗(yàn)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加磁場(chǎng)進(jìn)一步增大時(shí),磁空氣泄漏漏磁檢測(cè)方法中的霍爾元件很快會(huì)達(dá)到飽和而出現(xiàn)不工作現(xiàn)象,而在所提出的磁真空泄漏試驗(yàn)中,由于背景磁場(chǎng)的屏蔽,在磁真空區(qū)域里也不易出現(xiàn)霍爾元件飽和不工作現(xiàn)象。另外,提離值越大,對(duì)比效果越是明顯。4磁異常檢測(cè)技術(shù)(1)有限元仿真及試驗(yàn)一致性地證實(shí)了所提出的磁真空泄漏原理及漏磁檢測(cè)新方法具有可行性。相比傳統(tǒng)磁空氣泄漏漏磁檢測(cè)方法,該原理與方法增大了缺陷漏磁場(chǎng),特別是其空間范圍的增大尤為顯著,從而提高了磁敏