磁压缩技术无法解决的漏磁场缺陷问题

由前面分析可知，由于导磁构件的高磁导率使其内部有着高密度的磁通，又由于在缺陷处存在磁折射，使导磁构件内的高密度磁通发生折射，“泄漏”到缺陷附近的空气区域内并形成扩散磁场。但由于前面所分析的较强背景磁压的存在，该扩散磁场在背景磁场的固有物理特性作用下被压缩，最终出现了在漏磁检测方法中存在磁压缩效应，如图2-6所示。原本由折射及扩散所形成的磁扩散场分布如图2-6中的a所示，但实际上，由于较强背景磁场的反向压缩，最终形成如图2-6b所示的漏磁场，即磁敏元件实际所捕获的缺陷漏磁场。磁压缩效应的特征为：缺陷漏磁场的空间范围被压缩，在强度上有所减小。磁压缩效应在漏磁场外围区域表现得更加强烈。背景磁场越强，磁压缩效应越明显。

图2-6 磁压缩效应

为了对上述磁压缩效应的分析与推导进行论证，设计了相关的有限元模型及试验方法。为了避免背景磁场的产生，特建立长路径闭合磁回路，以减小中间缺陷测量区域内的背景磁场。在缺陷漏磁场区域及其附近，另外建立与长路径磁回路不相关联的背景磁场。所采用的证明思路如图2-7所示。

图2-7 磁压缩效应证明用磁回路

首先，对上述证明回路采用有限元法进行数值计算验证。所对应的有限元模型如图2-8所示。铁磁性材料构成的长路径回路中间位置设置的裂纹尺寸为2mm（宽）×3mm（深）×15mm（长）。通过RACE宏命令将“racetrack”电流元建立成跑道形激励线圈而不需要进行网格划分，与电磁铁心Ⅰ、Ⅱ一起构成电磁铁作为回路磁激励源。裂纹附近的背景磁场区通过设置材料特性即磁矫顽力来控制改变其磁场强度。单元类型为solid 117，求解器选为JCG（jacobi conjugate gradient），自由网格划分，钢板材料属性的磁导率按照B-H曲线输入，永磁体和背景区域的材料属性定义相对磁导率分别为1和1.35。

通过电磁铁的磁激励，获得长路径磁回路中的磁通密度为46mT，且通过设置背景磁场空间域的磁矫顽力大小来逐级改变背景磁场大小，最终获得缺陷漏磁场与背景磁压之间的关系，如图2-9所示，其中背景磁通密度由0.05mT逐渐增大到230mT，且图2-9a所示为背景磁场为地磁场大小（0.05mT）时的缺陷漏磁场，图2-9h所示为背景磁场为最大设置时的缺陷漏磁场。

图2-8 磁压缩效应论证用有限元模型

图2-9 缺陷漏磁场磁压缩效应的磁云图

a）BMD：0.05mT b）BMD：35mT c）BMD：50.7mT d）BMD：75.8mT e）BMD：101mT f）BMD：126mT g）BMD：180mT h）BMD：230mT

从图2-9中可以看出，当背景磁场为地磁场大小（即相当于无背景磁场）时，裂纹漏磁场的空间范围呈现最大，但随着背景磁场的逐渐增大，裂纹漏磁场逐渐被压缩变小，直到背景磁场强度达到一定值时，裂纹漏磁场被压缩回缺陷内部，呈现出漏磁场消失的状况，此时，背景磁场强度值是磁回路中磁场的3～4倍。由此从裂纹漏磁场分布范围与背景磁场强度的变化关系上看，漏磁场磁压缩效应确实存在。

通过提离值为3mm的路径设置，分别获得裂纹漏磁场的切向和法向分量数值随着背景磁场增大的两种变化情况，如图2-10所示。(https://www.xing528.com)

从图2-10中可以看出，裂纹漏磁场随着背景磁场的增大而减小，这与前面的磁云图的漏磁场范围分布相一致。并且，从另一方面也说明磁压缩效应使裂纹漏磁场在一定的提离值处强度进一步减弱。

图2-10 裂纹漏磁场磁压缩效应的数值观察图

a）切向分量漏磁场随背景磁场增大的变化关系 b）法向分量漏磁场随背景磁场增大的变化关系

对在不同的背景磁场强度下所形成的漏磁场的峰峰值点进行曲线拟合，获得如图2-11所示的变化关系曲线。从该图中可较清楚地看出，裂纹漏磁场随着背景磁场的增大而逐渐减小，且当背景磁场达到一定的强度（与铁磁性材料内磁感应强度相比）时，裂纹漏磁场呈现消失的状况。

图2-11 裂纹漏磁场与背景磁场的变化关系

依据上述有限元仿真模型结构组建试验台，对磁压缩效应进行试验验证。与有限元模型不同的是，为了能够在磁回路中产生较强的可调磁场，特采用穿过式线圈（1000匝）作为长路径磁化回路中的磁化激励源。背景磁场的建立采用永磁体对（大小为40mm×30mm×10mm），并通过更换具有不同磁能积（NdFeB型，8.0～239kJ/m³）的永磁体来产生不同强度的背景磁场。通过电火花加工的人工刻槽尺寸为2mm（宽）×3mm（深）×15mm（长）。为了避免在改变背景磁场过程中霍尔元件的磁饱和，采用印刷感应线圈（电阻约2.0Ω，匝数为20）匀速扫查获取刻槽漏磁场的相对变化，线圈与钢板的提离值约为3mm，与放大器、滤波器、A-D转换器及计算机处理系统顺序级联。所组建的磁压缩效应试验系统原理如图2-12a所示。图2-12b、c所示为所组建的试验装置实物及探测线圈照片。

图2-12 磁压缩效应试验系统

a）磁压缩效应试验原理 b）磁压缩效应试验装置 c）探测线圈

通过更换不同磁能积的永磁体，可分四个等级不断逐级增大的背景磁场，所获得的人工伤的切向和法向漏磁检出信号如图2-13所示，其中，a、b、c和d分别为背景磁场不断增大时所获得的检出信号。从该图中可以看出，缺陷漏磁场随着背景磁场的增大而减小，这表明当存在背景磁场时，磁压缩效应也存在，与有限元数值模拟相一致。

图2-13 背景磁场不断增大时漏磁检出信号