基于多重空气层模型的缺陷漏磁场分布模式

基于多重空气层模型的缺陷漏磁场分布模式

漏磁检测基于铁磁性组件中的内磁感应量在缺陷中以磁波的形式隐藏而泄漏。它依靠磁敏元件来记录缺陷的存在，形成缺陷检测信号，并将信号的一些特征作为测量和评估的基础。现在，它通常用于观察缺陷的单峰和双峰。大多数缺陷信号的主要特征是峰值、峰宽或陡峭率。在许多缺陷信号特征分析中，主要集中在不同的缺陷和不同大小的变量上，以导致磁体信号的峰值和峰宽值的形式为重点。然而，对于具有不同性能的丢失探测信号的研究，它只限于对提取效应的影响。由于缺陷探测信号的一些特征被忽略，传统的缺陷探测模型的构建和分析相对较短，因此缺陷探测信号的特征无法与自己的物理局对应[7、8、9、10、11、12和13]。也就是说，由于缺陷磁源泄漏的正确构建和相应的缺陷探测信号特征的挖掘分析，或进行互补性和相互学调查，造成缺陷磁源泄漏物理场的模糊性和信号特征的未知识别，最终导致缺陷磁源检测信号所包含的错误信息的数量减少。在对现有缺陷信号特征的矛盾的基础上，本文对缺陷磁源探测物理场进行了详细的构建，在分析磁源探测物理场和信号特征的基础上，解释了缺陷磁源探测的信号特征及其物理形成机制。1损失截面量的确定当获取缺陷泄漏场时,通常将与磁场平行的磁感应分量称为切向分量,而与构件轮廓面垂直的则称为法向分量,如图1(a)及1(b)所示(横坐标采样点数N隐含其相对距离;S表示信号强度)的单峰和双峰信号.缺陷信号波形的描述参数主要有峰-峰值SPP及峰宽值SW,其中:SPP主要由缺陷漏磁场的强度所决定,反应的是缺陷的损失截面量(深度)等尺寸;SW则主要反应的是缺陷的开口大小.仔细观察图1(a)所示的单峰信号,会发现单峰信号波形的两侧出现了负值,称之为负旁瓣.因此,通常所描述的单峰信号,实际上为三峰波形,只不过负峰值较小而已.依据如图1(b)所示的传统的缺陷漏磁场的磁力线观察模式,无论如何调节磁力线的密集度,所显示的泄漏场的切向分量始终为单向.为此,当切向分量探测磁敏元件扫描缺陷时,得到的检测信号波形也应该始终为单向,也即不会在以正单峰为主体的信号的两侧出现负旁瓣.所以,为什么在单峰信号中出现负旁瓣,是漏磁检测信号特征的疑点之一.另外,从图1(b)中可以看出,相比单峰信号,双峰信号中不存在“负值旁瓣”,同时,正峰值到负峰值是一个迅速的跳变.也即在泄漏磁通大小改变最大的同时,磁通量方向也正在发生改变.而依据图2中的磁力线的“陡峭率”来推断,“陡峭率”为“最大正值”到“最小负值”的时间跨度相比整个泄漏场的穿越扫描过程来说还比较缓慢,可得出正负峰值之间为一个非迅速跳变过程的结论.2“泄漏磁泡”的形成机理分析为了能够对上述疑点做出合理的诠释,探索出检出信号特征的物理形成机制,设置一待检测钢管(Φ60mm壁厚5mm长2m;45号钢,中间管壁有Φ3.2mm通孔)及磁化线圈(内腔Φ120mm外腔200mm宽100mm;匝数650,电流5A),构建更加细致的磁泄漏有限元模型,以获得更加精确的分布.缺陷磁泄漏的主要研究对象为泄漏场,其范围为缺陷附近的空气区域,特别地,构建多个空气层,包围缺陷的底层为网格细化区,最外层为粗略区,中间层是为了避免由于网格精度的差异过大易产生奇异而导致计算失败的而设置,为网格过渡区.在观察方法上,由于传统的磁力线只是磁矢量方向一种粗略描述方式,难以观察到磁现象的某些细微之处,因此采用磁感应云图显示,并进行磁感应云图的细化,获得了缺陷漏磁场分布.磁泄漏场并非为简单的单向泄漏,而是存在着一种气泡边界状分布扩散,可称之为“泄漏磁泡”,它是由于磁场中感应线的不交叉、排斥和封闭性的固有物理特性综合所导致.很明显,“泄漏磁泡”的特有形状直接影响着缺陷漏磁检测信号.当然,此时的“泄漏磁泡”是建立在背景磁场的基础上凸显出来的.所以,为了方便漏磁检测信号的缺陷的“泄漏磁泡”形成机理分析,采用背景场的色泽过滤处理,剔除背景磁场,将缺陷的“泄漏磁泡”以直观的形式显示出来,如图3所示.进一步地,将磁感应线进行层叠标示,建立x-y直角坐标系.如图3所示,依据层叠感应线在x轴方向上的投影,对“泄漏磁泡”进行磁区域划分,分别为A区,B区及A′区,C区和C′区.由磁区与磁感应线在x轴方向的对应关系,可知A区为负磁区,B为正磁区,A′为负磁区.磁感应线的密集度反应磁场的强弱,可知A区、A′区及B区的上半部分区域的磁场较强,而B区的下半部分区域磁场要弱.进一步地,假设磁敏元件的扫描方向平行于x轴,设定不同提离值所对应的扫描路径,分别为①~⑥.观察图3,当探测x方向漏磁分量(切向分量)的磁敏元件的扫描路径为①~④时,要依次通过缺陷“泄漏磁泡”的负磁区A、正磁区B及负磁区A′,所以,磁敏元件所产生的检出信号顺次为负-正-负,形成三峰波形;但由于正磁区B的下部区域强度要比负磁区A及A′大,因此出现以正值为主体,两边产生负旁瓣的信号.因为路径经过正磁区B的的下部区域强磁区,此时信幅值SPP较大,而通过的所有磁区域跨度较小,所以检出信号的SW较小.当扫描路径为⑤~⑥时,只通过“泄漏磁泡”的正磁区B的上部区域的正单向区,检出信号只为正值,负旁瓣不存在;另外,由于通过正磁区B的上方区域的磁场较弱,因此SPP变小,但其跨度区域较大导致SW变大.①~⑥的不同扫描路径上绝对泄漏磁感应强度B的切向分量值曲线如图4所示,从中可以看出,随着磁敏元件探测提离的增大,单峰信号波形的负旁瓣从有到消失;另外,SPP逐渐减小,但SW却不断增大.采用上述相同的方式,建立x-y直角坐标系,磁感应线表示及磁敏元件扫描路径设定,依据层叠磁感应线在y轴上的投影分量,对“泄漏磁泡”进行区域划分:C磁区和C′区,如图3所示.可知C区和C′区分别为正负磁区.当测量y方向的法向磁分量的磁敏元件沿着路径①扫描时,分别通过正矢区和负矢区,获得先正后负的双峰检出信号,并且,由于C正磁区和C′负磁区的磁感应线正反的快速切换,使得正峰值迅速跳变到负峰值,形成窄的双峰信号.从图3中可以看出,由于存在着正磁区C及负磁区C′,因此也就只形成相应的正负双峰检出信号.①~⑥的不同扫描路径上绝对泄漏磁感应强度的切向和法向分量值曲线如图4和图5所示.泄漏磁区跨度与磁区内磁感应线的密集度也同样影响着SW及SPP,提离加大,磁跨区增大,SW增大;而SPP减小,最终使得信号越来越平缓.3法向分量检出信号的物理场分析组建试验台,采用具有静态测磁功能的霍尔元件进行缺陷泄漏场的拾取.通过调节不同的提离高度,获得切向及法向测量分量检出波形图.为了细致地观察波形图的特点,将信号进行了放大调整,如图6所示.很明显,实际检测中,随着霍尔元件与被检测缺陷的提离距离Δh的增大,即扫描路径的不同,缺陷漏磁检出单峰信号的负旁瓣随着距离逐渐减小并消失,而信号跨度却相反逐渐增大,当然正峰-峰值是逐渐减小的.法向分量检出信号随着Δh的加大幅值减小,但正负峰值跳变跨度增大,也即变得缓慢起来.两者的信号幅值都随Δh增大而减小.通过缺陷漏磁检出信号的物理场分析,得出如下结论:a.缺陷“泄漏磁泡”中存在正负磁区,2个负磁区的存在直接导致扫描路径通过该磁区的磁敏元件形成带有负旁瓣的单峰信号,实则为3峰信号;b.磁敏元件的Δh逐渐增大时,扫描路径依次为