永磁扰动无损检测原理详解

磁场的主要固有物理特性有：磁能尽可能趋近低势稳态；磁力线彼此不交叉，具有相斥性和封闭性，且路径最短，在磁极处最密。当磁相互作用的局部发生变化时，由于磁能要趋近低势稳态，会引起局部磁场强度或磁感应强度的突变。在磁场的上述固有物理特性的约束下，该局部磁场的突变会引起磁通密度变化，产生磁收缩、膨胀以及磁力线重构，并遵循介质分界面处磁感应强度的法向分量连续和磁场强度切向分量连续的规则进一步扩散，最终引起大范围的变化，即磁扰动，它普遍存在于各种电磁作用场中。磁扰动的形成与扩散，也是短时间内电磁场中诸多不稳定性的一种结果，如扭曲不稳定性、漂移不稳定性、互换不稳定性及耗散不稳定性等宏观变化。磁相互作用场中，从初稳态到出现扰动再到次稳态，经历了扰动源的扩散与衰变，最终以扰动的衰减而结束，这一过程的出现与衰减存在着电磁能、机械能以及热能的转换。

假设原有稳态磁场为B₀，引入扰动量ξB，则磁扰动方程可描述为

B=B₀+ξB （4-6）

通过拉格朗日变换，可获得由ξB所引起的磁扰动δ_LB为

δ_LB=×（ξ×B） （4-7）

通过欧拉变换，可获得由ξB所引起的磁扰动δ_EB为

δ_EB=ξ·B+δ_LB （4-8）

由式（4-7）及式（4-8）可以得到由磁扰动源ξB所引起的扰动δB。

对磁扰动的扩散做进一步描述，建立极坐标系，定义扰动量ξB（r，ϑ，z），有

磁场扰动方程细化为

可以获得

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因为，，式（4-9）可简化为

rA（r，z）=const （4-12）

式（4-12）描述了由磁扰动所引起的场变化及其扩散。磁扰动引起磁场的重构及磁力线的重连接，形成所谓“磁岛”。图4-14中左边的两个小孔状扰动可传递为右边的单个磁岛。

将永磁体靠近导磁构件，建立磁相互作用，形成磁扰动的环境。以铁磁性材料上的不连续即缺陷作为扰动源，试图获取该扰动源所形成的磁场扰动。在这里，构造二维有限元数值模拟模型，永磁体在铁磁性材料（铁磁体）上方一定提离距离匀速移动，并与铁磁体保持相对姿态不变，着重关注几个关键位置变化点：永磁体经过铁磁体无缺陷处（图4-15a）、经过铁磁体上缺陷处（图4-15b～d）。这样，当永磁体在铁磁体上匀速运动时，就会出现局部扰动源从无到有的突变过程。首先，通过有限元法的磁力线观察，获得如图4-15所示的几个状态的磁力线变化图。

图4-14 磁场扰动及其传递

图4-15 永磁扰动有限元磁力线变化图

观察图4-15，铁磁体上出现不连续即缺陷的磁扰动源时，在缺陷的上方，特别是永磁体内并没有发现明显的异常，这可能是由于永磁体内强大的自身磁场强度掩盖了扰动的影响；另外，由于在有限元的观察模式中，磁力线观察只能较为粗略地反映磁场的趋势，可能是该种观察模式未能较为细致地体现缺陷磁扰动源所形成的磁扰动及其传递。

鉴于此，将磁力线的观察方式改为磁云图观察，并对其进行特别细化和色泽过滤处理，最后呈现出清晰的磁分布，磁云图如图4-16所示。很显然，从图4-16b～d可以看出，当铁磁体上出现不连续即缺陷时，永磁体上存在较大的磁扰动变化，并且当缺陷在永磁体正下方时，磁扰动最为强烈，如图4-16c所示。

图4-16 永磁扰动有限元细化磁云图观察