脉冲漏磁检测技术中新型传感器设计及实验验证

　　漏磁检测作为一种电磁无损检测方法, 被广泛应用于石油、城市供水、天然气及化工等行业中铁磁性金属材料的检测[ 1] 。它的优点是无污染、不需耦合剂、快速、高可靠性且成本相对低廉。

　　漏磁检测的基本原理是: 当铁磁性材料在外加磁场的作用下被磁化, 如果材料材质连续、均匀, 那么磁感应线将几乎都通过铁磁性材料; 若材料的表面或近表面存在裂纹等缺陷, 由于缺陷磁导率小、磁阻大, 在缺陷附近的磁感应线分布会发生变化, 一部分将泄漏出铁磁材料表面, 形成漏磁场[ 2-3] 。采用漏磁检测传感器可以检测漏磁信号。而缺陷的尺寸如长度、宽度和深度以及缺陷壁具体几何形状不同都将影响漏磁信号的分布。运用漏磁检测技术对被测试件进行检测前, 需要对试件进行磁化。漏磁检测技术中的主要磁化方式有三种: 直流磁化、永久磁化和交流磁化。这三种磁化方式各有优缺点。交流磁化具有可检测表面粗糙工件, 而且成本低廉、磁路设计简单、不需要退磁的优点, 缺点是由于集肤效应使磁化的磁场集中于被测试件表面, 难以检测表面下缺陷[ 2] 。

　　近几年, 脉冲涡流检测技术由于丰富的频率成分, 感应信号包含缺陷的更多信息, 体现出一定的优势, 日益得到人们的关注。Ali Sophian, Gui YunTian 提出采用脉冲漏磁检测方法以提高铁磁性材料的检测灵敏度[ 4-5] , 但仅限于提取与外加磁场方向及试件表面垂直的法向分量进行分析, 所能提供的缺陷信息有限[ 6-7] 。本文利用有限元法, 模拟实际检测条件, 不需要设计大量的人工缺陷试样和传感器结构, 对所设计的新型脉冲漏磁传感器的缺陷漏磁场三维分量进行仿真分析, 为实验设计提供依据。文中最后给出了实验验证, 实验结果与仿真分析有较好的一致性。

　　1 脉冲漏磁检测原理

　　在磁性无损检测技术中, 对被测试件的磁化是实现检测的首要条件。如上节所述, 交流磁化方式的优点十分明显; 但由于集肤效应, 对于材料表面和近表面缺陷的检测具有较高的灵敏度, 但对于深层缺陷的检测或管壁内侧缺陷难以识别。

　　电磁场所能透入金属导体的深度由集肤效应决定。将磁场所能透入导体的深度称为透入深度, 用D表示, 它定义为电磁波的幅值衰减到其表面值1/e( 即37% ) 时的距离的金属表面间隔为标准透入深度, 也称为集肤深度。集肤深度D 的表达式如下[ 8-9] :

　　从式( 1) 可以获知集肤深度D随频率f 的增大而减少。大多数交流磁化方式的漏磁检测系统采用单一频率正弦波激励, 检测表面和近表面缺陷时选用高频率正弦波, 为了检测深度缺陷将选用低频激励, 这种根据检测缺陷深度不同而改变激励信号频率难以达到最佳测试效果, 尤其是对于大多数检测近表面缺陷情形而言会降低检测系统的灵敏度。由傅立叶级数, 脉冲信号可以展开成为基波和无限多个谐波分量之和, 具有很宽的频谱。因此采用脉冲交流磁化方式的漏磁检测将能提高缺陷的检测灵敏度。基于脉冲漏磁原理检测铁磁性材料的原理示意图如图1 所示。它与正弦交流磁化的漏磁检测类似, 采用便携式磁轭, 包含磁化用激励线圈和检测线圈。