钢管表面缺陷检测用交变漏磁检测系统

　　工业管道的工作条件非常恶劣,易发生腐蚀、疲劳破坏或由管道内部的潜在缺陷发展成为破损而引起泄漏事故。特别是输油、输气管道在长期使用中,由于表层地基不稳定、介质腐蚀及意外事故等原因,易发生位貌变化,并发生腐蚀与裂纹等缺陷和损伤,一旦发生泄漏,将造成环境污染,带来经济损失和危及人身安全,所以必须对其进行定期无损检测,以保证其正常使用。

　　目前管道检测方法一般有漏磁、超声、远场涡流和射线检测等。漏磁检测是当前检测领域研究的热点,它适用于各种铁磁性材料构件(如钢轨、钢管、钢丝绳及军事上的炮身、炮管、弹体和罐体等)表面及内部缺陷的检测,因此得到深入发展和广泛应用。

　　交变漏磁检测的理论基础和基于永磁铁的漏磁检测原理一致[1~4],只是由于集肤效应,交变磁场只在构件表面存在,无法渗透得很深,但也正因如此,使其对表面或近表面裂纹有很高的灵敏度[5,6]。笔者设计的基于霍尔元件的交变漏磁检测系统,不采用传统的永磁铁激励,而是采用交流信号,测量钢管表面缺陷具有很高的灵敏度和精度,因为一般钢管表面最易出现裂纹等缺陷。而且,交流信号激励还可简化传感器结构,可根据不同检测情况任意选取激励频率和幅值。下面对该检测系统作一介绍。

　　1　传感器设计

　　设计的基于霍尔传感器A3515的传感器结构示于图1。线圈绕在图1a高度为d1、长度为l-2d的磁心中间,霍尔传感器A3515尺寸见图1b,中心是0.4 mm×0.4 mm霍尔元件。由图1知,两个霍尔元件在XOY平面没有位移偏差,而在Z方向上有h的位移。该检测系统利用X和Z两个方向的磁感应强度BX和BZ作为缺陷识别条件,利用BZ的极大值测量缺陷深度,因此,虽然BX的测量位置高于BZ的测量点,但并不会影响该信号的特征,仍然可以满足缺陷识别的条件。

　　A3515是具有高灵敏度、高温度稳定性和优良线性的霍尔元件,输出电压与外加磁场成正比,且具

有约为电源电压50%的静态电压输出,其工作温度允许在-40℃~+150℃,具有50×104mV/T输出灵敏度。芯片内部的集成电路包括一个霍尔元件、用于减少霍尔元件自身灵敏度漂移的温度补偿电路和一个高增益的小信号放大电路,其单调的低阻抗电压输出避免了距离传输对弱信号的影响,可以达到提高测量精度的目的。

　　2　信号调理电路设计

　　由于检测系统采用的激励是交流信号,产生的磁场相应的是时变磁场,对应A3515的输出也是叠加在0.5Vcc(Vcc为A3515工作电源电压)上的交流信号,该交流信号和工件的空间磁场是直接相关的。

　　因此,实现对该交流信号的检测就实现了对空间磁场的检测,笔者采用基于自相关原理设计的AD637作为有效值的测量电路。AD637的优点是①能计算任意交流信号(或直流和交流的叠加信号)的真有效值、均方值或绝对值,输出与之相应的直流电压值。②外围器件简单。仅需一个电容用于设置平均计算周期就可完成相应功能,同时,该电容也决定低频信号的测量精度、信号的允许波动程度以及建立稳定输出的时间。③提供片选脚,允许用户将其设置为低功耗状态,此时的供电电流由2.2 mA减小为350μA,使其适用于电池供电系统。④精度高。在输入有效值为0~2V时的最大线性误差为0.02%,峰值因子(输入信号峰值和有效值之比)为3时的误差仅有0.10%。⑤宽频带工作范围。2 V有效值输入时可达到8 MHz,100 mV的有效值输入时也可达到600 kHz。