涡流效应对脉冲漏磁检测信号的影响

李娟

摘要：脉冲漏磁检测技术(PMFL)结合了漏磁检测技术和脉冲涡流检测技术两者的优势，使用频谱丰富的脉冲方波信号作为激励。相较于传统漏磁检测技术而言，其可以分别通过时域和频域分析漏磁信号，得到不同深度的缺陷信息，因而广泛应用于铁板、管道、轨道等导磁材料的缺陷检测中。基于此，本文主要对涡流效应对脉冲漏磁检测信号的影响进行分析探讨。

关键词：涡流效应；脉冲漏磁检测信号；影响

前言

脉冲漏磁检测探头主要由磁芯、磁敏传感器(如霍尔元件)和励磁线圈组成，检测时，励磁线圈上加载脉冲方波电压激励，在被测样本中形成脉冲磁场，当样本存在缺陷时，缺陷附近的磁场会发生畸变，一部分磁场将穿出样本表面形成漏磁场，使用磁敏传感器可以检测出这部分漏磁场并将其转化成电压信号，从而实现对缺陷的检测。

１、有限元仿真模型的建立

为了对比分析仿真与试验结果，在仿真模型中设置与试验系统相同的参数。选择瞬态场作为求解类型，使用有限元分析软件建立了脉冲漏磁检测的二维仿真模型。钢板长１５０mm，高１１mm，表面有宽１mm，深５mm的缺陷;磁芯长７４mm，高３３mm，磁极宽１４mm;上下线圈截面的长宽分别为４０mm和５mm。设置仿真边界条件为气球边界，表示磁场是一个开域，在无限远处磁场强度为零。设置线圈材料为铜;磁芯材料为铁氧体，相对磁导率为１５０，电导率为０．０１S·m－１;钢板样本材料为４５钢，电导率为４×１０６S·m－１，初始磁化特性曲线(B-H曲线)如图1所示(B为磁感应强度，H为磁场强度)。ANSYSMaxwell软件具有自适应的网格剖分功能，但是其初始网格较为粗糙，为了提高仿真分析结果的精确度，需对检测模型进行手动剖分，在缺陷正上方建立长１０mm，宽５mm的加密区进行单独加密剖分以提高漏磁场计算的精度。选择基于内部的剖分方式，设置线圈、磁芯、钢板、加密区和空气域剖分网格的最大边长分别为２，２，１，０．１，５mm，仿真模型剖分结果如图2所示。

图1４５钢初始磁化特性曲线图2仿真模型剖分结果

由图2可以看出，主磁场回路与漏磁场回路所经过区域的网格剖分非常精细，有利于精确计算磁场大小与分布情况。设置激励线圈匝数为６００，将上下线圈设置成一个绕组，并在绕组上施加１０V的阶跃电压激励，线圈的电阻、电感与所施加的激励参数设置。设置仿真的总时长为２５０ms，时间步长为５ms。

２、仿真结果分析

２．１涡流对激励的影响

在仿真中使用阶跃电压作为漏磁检测的激励源，０时刻激励电压阶跃上升，激励电流快速增大，此时缺陷处的漏磁场也将迅速变大，与使用脉冲激励信号时漏磁场的变化情况相同。随着磁场强度的快速上升，被测钢板样本中感应出了电涡流，阻碍了磁路中瞬态磁场的迅速变化。通过建立考虑涡流效应和不考虑涡流效应两组仿真模型，对比分析了感生电涡流对励磁电流的影响，每隔５ms记录一次仿真结果，所描绘的激励电流波形结果显示了在开始阶段考虑涡流效应模型的激励电流上升得更快，这是由于在０时刻激励电压发生突变，样本内部的激励磁场强度也快速增大，从而引起了很强的涡流效应。根据电路理论分析可知，涡流回路的等效电感较大，使得整个电路的等效阻抗在０时刻瞬间相对于没有涡流效应时的等效阻抗偏小，所以在０时刻后的一小段时间内，考虑涡流效应模型的激励电流增大较快。同时，因为涡流的产生阻碍了激励磁场的变化，所以相比较而言，考虑涡流效应模型中的磁场到达稳态的时间更长，而不考虑涡流效应模型的激励电流将先达到稳态。

２．２钢板内部磁场和涡流分布

开始阶段(１０，３０ms)磁场变化非常明显，并且磁场集中分布在钢板样本的上表面，在缺陷下方材料连续处的磁感应强度最大。随着激励电流趋于稳定(１５０，２００ms)，磁场变化减缓，呈现外扩的趋势，并逐渐分布在整个钢板样本内部，进入稳态。由于涡流只存在于磁场产生变化的区域，所以涡流分布与图７中磁场的分布相似。开始时(５ms)涡流集中分布在钢板样本的上表面，并且越靠近表面处涡流密度越大，随后由于磁场的扩散，涡流的分布范围也随之增大。在２０ms前，由于激励电流快速上升，磁场变化剧烈，因而感生涡流逐渐增强;随着时间的推移，励磁电流的上升速率减小，磁场变化减缓，涡流随之减小;在１００ms时，激励电流和磁场趋于稳定，涡流几乎完全消失。

２．３涡流效应对漏磁场的影响

仿真分析钢板样本中涡流效应对缺陷漏磁场的影响，缺陷正上方１mm处漏磁感应强度随时间的变化。考虑涡流效应模型的缺陷处漏磁场在０时刻后一段时间内存在明显的过冲信号，随后缓慢下降趋于稳定，而不考虑涡流效应模型的漏磁场随时间单调上升至稳态值的情况。这是由于钢板样本内部的感生涡流阻碍了原磁场的变化，所以钢板内部磁阻增大，通过钢板的磁场相对减小，漏磁场有所增强;随着涡流减小并逐渐消失，钢板的磁阻也逐渐减小，通过钢板的磁场有所增强，漏磁场随之减小。仿真结果表明，漏磁检测信号在该模型条件下存在一个大约１００ms的过冲现象，之后趋于稳定。为了分析不同大小的磁场激励对脉冲漏磁信号的影响，分别改变激励磁芯的相对磁导率μr和激励电压U，仿真分析不同磁场激励情况下漏磁信号随时间的变化如图3所示。其中，图3(a)的激励电压U为１０V，磁芯μr分别为１５０，３００，４５０，６００;图3(b)的磁芯μr为１５０，激励电压U分别为１０，２０，３０，４０V。仿真结果表明，当激励磁场相对较弱时(μr较小或U较小)，漏磁信号波形在激励信号０时刻后存在短暂的过冲现象，随后缓慢下降至稳态，且稳态值较小;而当激励磁场相对较强时(μr较大或U较大)，脉冲漏磁信号单调上升。因为钢板内感生涡流的存在增大了漏磁场的变化率，所以在开始阶段信号上升较快，之后一段时间内上升速率先减小后增大，最后缓慢达到稳态，且稳态值也更大。通过对仿真结果的分析表明，在磁场激励较小的情况下，涡流效应对漏磁信号的影响较大，漏磁信号先上升后下降直至稳态，存在过冲现象;而在磁场激励较大的情况下，漏磁场本身更强，涡流效应对漏磁信号的影响较小，漏磁信号单调上升直至稳态，不存在过冲现象，并且漏磁信号的稳态值随着激励磁场的增大而增大。

图3不同磁场激励情况下漏磁信号随时间的变化

3、结语

当激励磁场较小时，涡流效应对漏磁场的影响较大，漏磁信号存在过冲现象;当激励磁场较大时，涡流效应对漏磁场的影响较小，漏磁信号单调上升至稳态，不存在过冲现象。搭建了脉冲漏磁检测试验平台进行检测试验，试验结果和仿真分析结果相一致。研究了当激励磁场较小时应用漏磁信号的峰值和稳态值作为特征值量化评估缺陷深度的方法，对比分析表明，基于脉冲漏磁信号峰值特征的缺陷深度量化评估具有更高的精度。

参考文献：

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