摘要：針對(duì)熱軋鋼管和在役油井管等鐵磁性工件的表面無損檢測(cè)的應(yīng)用需求，提出一種陣列磁橋式位移傳感方法和傳感器，實(shí)現(xiàn)在一定空間分辨率下針對(duì)表面形貌缺陷的磁成像檢測(cè)。其中傳感器與被測(cè)工件共同組成磁回路，并采用特定的緊湊型陣列磁化結(jié)構(gòu)，而具體參數(shù)設(shè)置較靈活可以獲得較好性能。首先通過分時(shí)激勵(lì)減小相鄰測(cè)點(diǎn)間的互擾，并對(duì)陣列中單個(gè)位移測(cè)量磁路施加脈沖磁化;再間隔采樣各個(gè)測(cè)量磁路中的磁場(chǎng)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)位置的位移值。通過理論計(jì)算和仿真，本文還研究了傳感器在不同基礎(chǔ)提離下分辨出方槽狀表面形變的分辨力性能，分析了在系統(tǒng)的掃查和采樣參數(shù)影響下對(duì)被測(cè)表面成像的空間分辨率性能。相較于已有的形磁橋式位移傳感器位移測(cè)量量程為1~mm，線性度約2%;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該陣列傳感器的量程為.27.0mm，位移傳感特性曲線擬合的線性度約為1%。

　　關(guān)鍵詞：陣列位移傳感器磁橋漏磁檢測(cè);分時(shí)激勵(lì)分辨力空間分辨率

　　引言鋼材在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，是重要的工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)原料。為避免各種表面缺陷造成鋼材的失效，提升品質(zhì)和保證使用壽命，在出廠時(shí)及在役期間需要對(duì)鋼材進(jìn)行表面檢測(cè)。漏磁檢測(cè)方法由于其高靈敏度低成本等優(yōu)勢(shì)，是目前主要的自動(dòng)化鋼材檢測(cè)方法2]。

　　以檢測(cè)熱軋鋼管為例，鋼管的表面漏磁或渦流檢測(cè)，通常以檢測(cè)作為標(biāo)準(zhǔn)傷的人工槽或孔來評(píng)價(jià)探傷性能;但在檢測(cè)鋼管凹坑、輥印、壁厚減薄等深寬比較小的缺陷時(shí)，由于漏磁場(chǎng)變化平緩，易造成漏檢;而對(duì)于這種大面積的形貌畸變，采用位移傳感器對(duì)鐵磁體表面法向尺寸變化進(jìn)行測(cè)量，可以得到較好的效果。常規(guī)非接觸位移傳感器有電容式位移傳感器、光學(xué)位移傳感器和渦流位移傳感器等。

　　其中，電容式位移傳感器和光學(xué)位移傳感器，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到鋼件表面的鐵屑、泥污、氧化皮等介質(zhì)嚴(yán)重影響[67]。如激光測(cè)距儀、光柵尺、干涉儀等的光學(xué)位移傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴1011]。渦流位移傳感器測(cè)量線性度較差，被測(cè)的多種電磁參數(shù)及外部環(huán)境因素、激勵(lì)因素都會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾，軟硬件抗干擾措施較復(fù)雜[1213]。

　　磁性位移傳感器更適合于鐵磁性材料檢測(cè)，且對(duì)表面有粉塵、水、油、泥污、結(jié)垢等非磁性覆蓋層不敏感，相對(duì)而言擁有高靈敏度、寬量程、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)[4]。近年來測(cè)磁傳感器發(fā)展迅猛，如Hall傳感器14、GMR、AMR以及TMR等。本文選擇廣泛應(yīng)用的Hal傳感器作為測(cè)磁元件。本文的單點(diǎn)磁性位移傳感器采用抗磁場(chǎng)干擾能力較強(qiáng)的橋式磁路結(jié)構(gòu)，傳感器與被測(cè)工件共同組成磁回路，參考磁通測(cè)量檢測(cè)技術(shù)測(cè)量距離鐵磁體被測(cè)表面的法向位移15。

　　當(dāng)形磁橋單邊靠近鐵磁材料時(shí)，橋路上測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度不再為，而是隨測(cè)頭下端面到被測(cè)表面的位移值的增大而減小。根據(jù)論文中的結(jié)論及相關(guān)前期研究和計(jì)算，磁橋式傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了傳感特性的擬合線性度和量程。其中，傳感器擬合關(guān)系的線性度與橋磁極的跨距正相關(guān)，但兩磁極跨距的增大使得測(cè)頭尺寸增大，限制了該型傳感器的分辨力和空間分辨率。針對(duì)這一問題，本文提出一種磁橋式位移傳感器的陣列化新結(jié)構(gòu)。

　　采用類似于在形磁橋的跨距之間插入另一個(gè)形磁橋的方案，可以實(shí)現(xiàn)在保證磁橋路等效的跨距足夠大的同時(shí)，減小傳感器的間隔。并進(jìn)一步采用分時(shí)激勵(lì)的控制方法避免相鄰?fù)ǖ篱g的磁場(chǎng)互擾。在圖構(gòu)建的橋式磁路結(jié)構(gòu)的陣列位移傳感器模型中，在橋路鐵芯上開槽放置Hall傳感器以測(cè)量橋路內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在本文采用空間插補(bǔ)后構(gòu)成的陣列傳感器中，形橋式的鐵芯被解構(gòu)變?yōu)閱误w十字形的鐵芯;傳感器單體體積縮小，單體為可陣列化、可拓展結(jié)構(gòu)。

　　相對(duì)于論文4][5]中形磁橋式位移傳感器只能檢測(cè)尺寸范圍大于磁橋跨距的平緩缺陷，可以檢測(cè)和分辨與單個(gè)鐵芯底面尺寸相當(dāng)?shù)男蚊踩毕荨ｊ嚵兄懈麒F芯和激勵(lì)線圈的規(guī)格相同，同一個(gè)鐵芯上兩線圈通電磁化方向相同，相鄰兩個(gè)鐵芯的磁化方向相反。在分時(shí)激勵(lì)控制方案中，在同一時(shí)間段對(duì)兩個(gè)的鐵芯上的線圈進(jìn)行通電激勵(lì)，兩個(gè)鐵芯上兩組線圈繞向相反。同時(shí)只有兩個(gè)鐵芯上的四個(gè)線圈串聯(lián)、通直流電產(chǎn)生相等大小但反向的磁勢(shì)，而在鐵芯之間形成橋式磁路。一維陣列兩末端的鐵芯上未纏繞線圈，因?yàn)閮啥说蔫F芯激勵(lì)磁化時(shí)形成的磁路左右不對(duì)稱。

　　當(dāng)傳感器到被測(cè)鋼板的基礎(chǔ)距離變化，在該尺寸參數(shù)下基礎(chǔ)提離值分別為.4mm、.0mm時(shí)，可以認(rèn)為位移傳感器能夠精確測(cè)得的最小方槽形形貌其參數(shù)至少滿足深度分別大于0.2mm、0.7mm左右;而需要辨識(shí)和還原被測(cè)方槽信息，還需要方槽參數(shù)滿足寬度約大于mm;在II區(qū)域內(nèi)用測(cè)得位移值還原實(shí)際深度信息的線性關(guān)系的斜率分別近似為0.16、10。3掃查成像空間分辨率針對(duì)形貌畸變輪廓尺度比傳感器鐵芯底面積大的情況，需要考慮用等效位移信息重構(gòu)被測(cè)表面。以分時(shí)控制下陣列傳感器的“像素”采樣間隔來表述位移傳感器的空間分辨率特性。

　　對(duì)于例如鋼管一類零件的圓柱面的掃查檢測(cè)方案中，測(cè)頭掃查檢測(cè)中的覆蓋率指標(biāo)還與旋進(jìn)掃查的螺距有關(guān)。傳感器尺寸參數(shù)一定，合理設(shè)置螺旋角，以及減小旋進(jìn)速度、改變分時(shí)激勵(lì)頻率、增大采樣的頻率縮小采樣點(diǎn)的間距，可以提高測(cè)頭掃查的覆蓋率，可使得傳感器在圓柱面上掃查兩圈的平行間距C1，相鄰測(cè)點(diǎn)的在二維平面內(nèi)的間距v/f，提高傳感器掃查檢測(cè)的空間分辨率。進(jìn)一步還可以通過靈活設(shè)置合理的傳感器尺寸參數(shù)如嘗試更小的線圈和鐵芯尺寸，或用多個(gè)一維陣列傳感器構(gòu)建二維陣列等方法，提高掃查覆蓋率和空間分辨率。

　　實(shí)驗(yàn)針對(duì)上述理論計(jì)算和對(duì)傳感特性的分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)主要搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)陣列傳感器的位移傳感特性進(jìn)行了驗(yàn)證和標(biāo)定。測(cè)頭安裝在微動(dòng)滑臺(tái)上進(jìn)行精確的位移測(cè)量。為了避免磁性材料影響陣列鐵芯的磁路，整個(gè)陣列傳感器除了鐵芯均為非鐵磁性的不銹鋼加工，測(cè)頭連接架保持陣列鐵芯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和下端對(duì)齊。陣列傳感器的實(shí)際制作中調(diào)整的陣列位移傳感器的參數(shù)。

　　結(jié)論論文設(shè)計(jì)了一種磁橋式的陣列位移傳感器，提高了檢測(cè)覆蓋率、檢測(cè)效率。根據(jù)檢測(cè)的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測(cè)量位移值滿足的近似雙曲函數(shù)關(guān)系按=k/(+a)+b關(guān)系進(jìn)行擬合，并從等效磁路原理和仿真分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了擬合成直線的線性性能。對(duì)比形鐵芯，陣列十字形鐵芯的磁路中非線性漏磁較小、擬合較好。

　　相較于其1.05.0mm時(shí)線性度為2%、擬合相關(guān)系數(shù)=0.9961[5];實(shí)驗(yàn)得到該傳感器在提離.27.0mm量程范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線線性度在1%左右、擬合相關(guān)系數(shù)=0.9998，驗(yàn)證了由等效磁路推導(dǎo)的傳感器原理和把傳感特性擬合成雙曲函數(shù)的正確性，證明了該陣列傳感器作為位移傳感器的線性性能較好。進(jìn)一步，論文對(duì)陣列傳感器的分辨力和空間分辨率等性能做了分析。當(dāng)單個(gè)鐵芯端面的磁極面積越大時(shí)，接收敏感范圍越大、分辨力越弱;面積越小時(shí)，磁阻、磁橋路磁通在經(jīng)過小的表面突變時(shí)變化明顯，檢測(cè)形貌突變的能力較強(qiáng)，但會(huì)增大等效磁阻的非線性。

　　以方形槽的形貌畸變?yōu)槔�，分析了在表面形貌畸變的范圍小于相鄰鐵芯間距時(shí)，測(cè)量得到的位移值與實(shí)際深度在深度足夠時(shí)呈現(xiàn)線性關(guān)系、并受方形槽寬度的限制;在0.40mm基礎(chǔ)提離下，該陣列位移傳感器分辨力性能上能達(dá)到分辨出0.2mm深度的表面形貌的突變。從掃查表面緩變形貌特征的應(yīng)用出發(fā)，分析了陣列位移傳感器的空間分辨率性能，改變尺寸參數(shù)和掃查差參數(shù)可以提高空間分辨率。

　　石油論文投稿刊物：《石油機(jī)械》(月刊)創(chuàng)刊于1973年，是國(guó)家科委批準(zhǔn)出版，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司主管，中國(guó)石油物資裝備(集團(tuán))總公司、中國(guó)石油學(xué)會(huì)石油工程學(xué)會(huì)和江漢石油管理局聯(lián)合主辦的技術(shù)類月刊，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。

　　如傳感器在鋼件圓柱面上進(jìn)行螺旋掃描檢測(cè)時(shí)，采樣時(shí)間間隔和旋進(jìn)掃查進(jìn)給量制約了空間分辨率。設(shè)置合適的掃描參數(shù)、采樣參數(shù)和分時(shí)激勵(lì)參數(shù)，可以減小被測(cè)表面上二維采樣點(diǎn)的間距提高空間分辨率。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)定了該陣列位移傳感器的時(shí)間響應(yīng)性能，研究了分時(shí)激勵(lì)控制參數(shù)的閾值問題。除此之外的陣列位移傳感器的其他特性及影響因素還需深入分析研究。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]康宜華,邵雙方,伍劍波,等.基于鋼管旋轉(zhuǎn)的縱向傷高速漏磁檢測(cè)方法[J].石油機(jī)械,2012(7):6366.KANGY,SHAOS,WUJ,etal.SteelPipeRotationbasedHighSpeedMagneticLeakageDetectionSystem[J].ChinaPetroleumMachinery,2012(7):6366.

　　[2]康宜華陳承曦涂君,等一種基于鋼管旋轉(zhuǎn)的高速漏磁φ180檢測(cè)系統(tǒng)[J].無損檢測(cè)2014,36(2):6770.

　　作者：鄧永樂王榮彪*唐健汪圣涵康宜華