基于物理场的缺陷漏磁检测信号特征优化

漏磁检测靠磁敏元件拾取磁场信号，分析漏磁检测信号特征及其物理形成机制，将有助于挖掘检测信号里包含的丰富缺陷信息，从而获得更加精确的缺陷信息。通常所获得的检测信号是由漏磁场的切向或法向分量构成的二维波形图，主要特征为单峰或双峰，通常以峰峰值、峰宽值或陡峭率作为缺陷的主要参照描述参量。

采用逐步细化的多重空气层建模法对缺陷磁泄漏场进行细致的物理构建，在磁泄漏物理场及信号特征相结合分析的基础上，对缺陷漏磁检出信号特征及其物理形成机制进行诠释。获得细致的缺陷泄漏场分布模式——泄漏磁泡，通过对泄漏磁泡背景场色泽过滤处理、磁感应线的层叠标示、正负磁区的划分及扫描路径的规划，进而获得检测信号的特征及其形成机制。

1.缺陷漏磁检测信号特征及其疑点

在获取待检测铁磁性材料上的缺陷泄漏场时，通常将与磁场平行的磁感应分量称为切向分量，而与磁化场方向以及待检面垂直的分量称为法向分量。经典的检测信号波形如图2-14a所示的单峰信号和图2-14b所示的双峰信号。缺陷检测信号波形的描述参数主要有峰峰值S_PP及峰宽值S_W。其中，S_PP主要由缺陷漏磁场的强度所决定，反映的是缺陷的损失截面量（深度）等尺寸；S_W则主要反映缺陷的开口大小等尺寸。

观察图2-14a所示的单峰信号会发现，单峰信号波形的两侧出现了负值，称为负旁瓣。如图2-15a所示，将单峰信号放大，发现负旁瓣越发明显，因此，通常所描述的单峰信号实际上为三峰波形，只不过另两个峰值较小而已。依据图2-15b所示的现有的缺陷漏磁场磁力线观察模式，无论怎样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，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2-14中可以看出，与单峰信号相比，双峰信号中不存在负旁瓣，同时，从正峰值到负峰值是一个迅速的跳变。即在泄漏磁通大小改变最大的同时，磁通量方向也发生改变。而依据图2-15b中磁力线的陡峭率来推断，陡峭率从最大正值到最小负值的变化速度相比整个泄漏场的扫描过程来说比较缓慢，则得出正、负峰值之间为一个非迅速跳变过程的结论。

图2-14 缺陷漏磁检出信号波形

a）漏磁场切向分量检出信号 b）漏磁场法向分量检出信号

图2-15 单峰信号的负旁瓣及磁泄漏场的磁力线观察

a）漏磁场检测的单峰信号里的负旁瓣 b）缺陷漏磁场的磁力线观察

从单、双峰漏磁检测信号特征可以看出，在现有漏磁检测的应用分析中，缺陷漏磁检测信号特征一直没有很好地与其自身磁泄漏物理场对应起来。由于缺少缺陷漏磁场的准确构建和对漏磁检出信号特征的挖掘分析，导致对缺陷磁泄漏物理场的模糊性以及检出信号特征的认识不明晰，最终导致缺陷漏磁检测反演量化困难。

2.缺陷漏磁场的细致物理建模

为了能够对上述疑点做出合理的诠释，探索出检测信号特征的物理形成机制，构建更加细致的磁泄漏有限元模型，以获得精细的分布。缺陷的相关信息是以漏磁场来传递表达的，在这里将关注并细化缺陷泄漏场，其主要空间范围为缺陷附近的空气区域。有别于传统的单一空气有限元模型，采用多层空气逐渐细化的建模方式，如图2-16所示。该方法的具体步骤为：①建立包含关系的三层空气区域，如图2-16a所示；②第一层空气层为缺陷附近空间区域，进行单独的网格细化，尽显其泄漏场的细致之处，如图2-16b所示；③第三层构建整个磁激励场的传递空间，使磁场导入到被检测导磁构件内，但不需要过分细化，以减少计算量，如图2-16c所示；④中间的第二层起着第一层与第三层网格划分的过渡作用。由于第三层空气区域较大，网格划分较粗略才能减少计算量以迅速完成计算，而第一层空气区域较小以便能够很好地细化网格，获得更加细致、精确的缺陷漏磁场分布。当网格差异较大时易形成网格划分的畸变，所以采用第二层空气区域作为网格划分的过渡。此时，缺陷附近的铁磁性材料可与第一层细致空气区域形成接近的细化网格，如图2-16d所示；细化的缺陷附近待检测体如图2-16e所示，最终使得缺陷附近的场的分布计算很精确。

图2-16 多层空气细致建模法

a）多层空气模型 b）第一层细致空气区域 c）第三层粗略空气区域 d）第二层过渡空气区域 e）细化的缺陷附近待检测体

由上述多层空气逐渐细化建模的方法，可获得铁磁性材料上如孔、横向伤及轴向伤的漏磁场细致分布，如图2-17所示。

图2-17 孔、横向伤及轴向伤的漏磁场细致分布

a）孔附近漏磁场分布 b）横向伤附近漏磁场分布 c）轴向伤附近漏磁场分布(www.xing528.com)

在观察方法上，由于传统磁力线只是磁矢量方向的一种粗略描述方式，难以观察到磁现象的细微之处。所以，采用磁感应云图显示，并进行磁感应云图的细化。通过多层空气建模数值模拟方法，按照漏磁检测方法实施过程中的习惯扫描方法，在沿着磁梯度方向上获得如图2-18所示的类似于“泡”状的缺陷泄漏场。

图2-18 缺陷的“泄漏磁泡”

从图2-18可以看出，磁泄漏场并非简单的单向泄漏，而是呈气泡边界状分布扩散，可称之为“泄漏磁泡”。它由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致。很明显，“泄漏磁泡”的特有形状直接影响缺陷漏磁检测信号。当然，此时的“泄漏磁泡”是在背景磁场的基础上凸显出来的。所以，为了便于分析缺陷的“泄漏磁泡”形成机理，采用背景磁场的色泽过滤处理，剔除背景磁场，将缺陷的“泄漏磁泡”以绝对形式显示出来，如图2-19所示。在图2-19中，将磁感应线进行层叠标示，建立x-y直角坐标系。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。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区为正磁区，A′区为负磁区。磁感应线的密集度反映磁场的强弱，可知A区、A′区及B区的上半部分区域的磁场较强，而B区的下半部分区域的磁场较弱。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2-19，当探测x方向漏磁分量（切向分量）的磁敏元件扫描路径为①～③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，磁敏元件所检出信号值顺次为负—正—负，形成三峰波形；但由于正磁区B的下部区域强度比负磁区A及A′的大，所以，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的下部强磁区，此时信号幅值S_PP较大，而通过的所有磁区域跨度较小，所以检出信号的S_W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的上部区域磁场较弱，S_PP变小，但其跨度区域较大，导致S_W变大。不同扫描路径①～⑥上磁感应强度的切向分量值如图2-20所示。

图2-19 缺陷的去背景磁场“泄漏磁泡”的标示以及磁区A、B及A′的划分

图2-20 不同扫描路径上磁感应强度的切向分量值

注：1Gs=10^-4T。

图2-20显示，随着磁敏元件探测提离值的增大，单峰信号波形的负旁瓣从有到无（消失）；另外，S_PP逐渐减小，但S_W却不断增大。

采用上述相同的方式，建立x-y直角坐标系、磁感应线和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，划分为C区和C′区，如图2-21所示。可知C区和C′区分别为正负磁区。当测量y方向的法向磁分量磁敏元件沿着路径①扫描时，分别通过正磁区和负磁区，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2-21可以看出，由于存在着正磁区C及负磁区C′，所以形成相应的正负双峰检出信号。不同扫描路径①～⑥上磁感应强度的法向分量值如图2-22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S_W及S_PP。提离值加大，磁跨区S_W增大，而S_PP减小，最终使信号越来越平缓。

图2-21 去背景磁场“泄漏磁泡”的标示以及磁区C、C′的划分

图2-22 不同扫描路径上磁感应强度的法向分量值

组建试验台，采用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①～⑥，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2-23所示。随着提离值的增大，即扫描路径的不同，缺陷漏磁检出单峰信号的负旁瓣随着提离值逐渐减小并消失，而信号跨度却逐渐增大，峰峰值逐渐减小。法向分量检出信号随着提离值的加大，幅值减小，但正负峰值跳变跨度增大，即变得缓慢起来。两者的信号幅值都随着提离值的增大而减小。

图2-23 缺陷漏磁切向和法向分量检出信号波形图

a）缺陷漏磁切向分量检出信号波形 b）缺陷漏磁法向分量检出信号波形