用集成霍尔元件定量检测缺陷漏磁场的特点_金建华

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1、第20卷第2期1998年2月无损检测义DTVol.20Feb.No. 2199 8用集成霍尔元件定量检测缺陷漏磁场的特点金 建华康宜华武新军卢文祥(华中理工 大学机械学院,武汉4 30 07 4)摘要基于裂纹漏磁场 实验结果,分析磁化磁场强度、裂纹 深度、裂纹宽度和裂 纹埋藏深度对 裂纹漏磁场 的影响。阐述 集成霍尔元件对局部漏磁场的检测特点及三维漏磁场信号的准确获取方 法。集成霍尔元件和现代 信息处理技术的结合可 实现 铁磁性材料的表面 和近 表面裂纹的自动 定量检测。主 题词漏磁场检测集 成霍尔元件裂纹定 量评价CHA R A C T ERI STICS OFQUAN T ITATI VE

2、 TE ST ING OFMAGNE T ICLEAKAGEF LUXCA U SEDBYF L AWSWITHINT E G R ATE DHA LLE L EME NTSJinJi助huaKangYihu aWuXinjunLuWen 笼iang(c Shoolofc SieneeandMechanie alEngine e ring,HuazhongUnive rsityof SeieneeandTe ehnology)Abstr actTherelationshipbetwe enthemagneticleakagef lu xeaus edbyflawsa ndr elatedfae

3、torss uehasmagnetizationandf lawdepth,w idthanden山eddeddepth15dis e u s s ed basedonexperimentalres ultsofmagnetiele akagef luxtesting.C ha r a ete ristiesofIoeali:edmagnetieleakageflu xtestz ngbyusingin tegr atedHalelemenrsandeo【le etionofthr e e一d imensio nal leakageflu xaredes:r又b ed.Auton raticq

4、u antitat亏vee valuationofs urfaeeornea r-surfaeeflawsinfe rr omagnetiematerialseanbereali:ed bymeansofintegratedHallelementsandn rode rns :gn alPr o e e s singtechn一qu e漏磁场检测 法利用励磁磁场和缺陷相互作用 产 生的漏磁现象来 检 测 材料表 面或近表面 的缺陷,而准确地获取缺陷产生 的漏 磁场信号是漏磁场检测 法实现 检测结 果定 量 化的关键。8 0年代以来,国内外许多 学者尝试过用数学 或物理的方法计 算一定尺寸缺陷的

5、 漏 磁场 分 布一3二,得到 的计算结 果 对漏 磁 场检测 具有一 定的指导作用。笔者认为,缺陷漏磁场信号 的获取乃至缺陷尺 寸 的定量评价,都需通 过合理的检 测方法和手 段来实现。因此,注意检测理论研究的同时不能忽视传感器和检测 方法 的研 究,因为,此三 者是漏 磁场检测技 术发展相辅相 成的 主导方面。针 对磁 化磁场强 度、缺陷尺寸和缺 陷埋藏深度 与缺陷漏磁场之 间的关系以及 如何实现缺陷漏磁场信号的获取及缺陷特 征尺寸 的定量评价等问题,笔者在 遵循电磁理论 的前提下,结合现代信息 获取和处理技术,以集成霍尔元件为磁传感器,通过 实验对多种几何尺寸的表面和近表面裂纹产生 的漏

6、磁场进行了实测,进而系统地研究了磁化磁场强度、裂纹深度、裂纹 宽度以及 裂纹的埋藏深度等因素对裂纹漏磁场分布的影响。l实验1,l实验用数 据采集系统的构成3 4.实验 用数据采集系统由控制通路和信号通路两大部分组成,其系统装 置如图1所示。1.1.1信号的等空间间隔采样等空间l司隔脉 冲编 码器由导轮、光栅、光源、光敏元件和编码 电路构 成。实验过程 中,导 轮在细 绳的带动下作纯滚 动,并带动光栅作同步运动。当试 件相对 于检 测元 件每移动一个空间 采样间隔 长山时,等空间 间隔脉冲编码器 发出一个具有一定宽度的空域图1实验用数据采集 系统示意图等空间间隔脉冲编码器2.磁化线圈3.试块4.

7、屏蔽罩5.弹簧6、集成霍尔元件7.直流稳压 电源8.低碳钢棒9.打印机10.系统软件n.计算机1 2. A/D转换13,信号预处理器1 4.小锤15.细绳金建华等:用集成霍尔元件定量检测缺陷漏磁场的特点等距触 发脉冲信号,控制计算机 对裂 纹的漏磁场信号进行采 样。通 常,触 发信号接于计算机 的IRQZ或I RQ3非 机 器 本身应 用 的中断上或者与A/D转换器 的外部触发信号 端 相联川。在 空间 域信号采样 通 道 中,不但要使空 间 采样间隔山满 足空间域采样 定理,即空 间采样间 隔山(1/( 2奋。),其中泞。为漏磁场信号 的上限空间域截止频率。而且应使时 间域采样 间隔山满足

8、时间域采样定理,否则,采样通 道 在时间域处理过程中将会产生失 真或 误差,当空 间域采样 间隔山确定 后,时 间域采样 间隔必 须满足山(山v /,其中v为检测元件 与被 检对象 之间 的相对运动速度。空间采样 间隔山的大 小可由下式表 示(l)换器将检测到的模拟 量信号转换成计算机可以接收的数字 量信号。系统软件的主要任 务是数据采集、波形显示及数据存 取。1.2实验参数励 磁 电流 为0一IA连 续 可 调。磁 化线 圈有2个,每 个线圈匝数为1 85 0匝;线径 为 卯.51mm。放大器的增益 为 3 5.5倍。空间采样 间 隔为0.1 8m m。A/D转换器精度为1 2位;转换周期为

9、25娜。钢棒的材料 为低碳钢;尺 寸是 妞omm只6 00m m。试 块的材料为含硅。.4 5% 的硅钢片;尺寸 是 4 8mmxsmmx0.smn t及96mm义smm义0.25n r m。1.3实验方法采 用 外接 可调 电源的线圈励磁 法,利用通人 线圈 中 的直流 电 流 产生的直流磁场 连续地 对试 块 励磁。一方面,可以克服交 流励磁时 的集肤效应影响,另一方面,通 过调节励 磁 电流可使试块 处于最佳磁化状 态。利 用CT3一A型特斯拉计标定通 电线圈的磁化磁 场强度Hm。妞omm低碳钢棒的中部 铣有一比试块 略 宽的平面槽,两块硅 钢 片 紧密 对 贴于槽平面上,利用两块 硅钢

10、片间 的间隙作为模拟裂纹,其深度随硅 钢片 的层数而 变化。平面 槽 长度随模拟裂 纹宽度变化而调整,以保证试块的 两端部与平面槽端口紧密接触。采用在 表面 裂纹上 覆 盖无 缺陷试块的方法模拟近表面裂纹,模拟裂纹宽度用 塞规标定。屏蔽罩用于屏蔽平面槽两端口产生的漏 磁场及其它外 界 杂散磁场的干扰。集 成霍尔元 件UG N-3 501 T用来 检测裂纹 漏磁感应强 度 的法向分量B、,它 的提离距离为0.smm,其检测信号经信号 预处理 及A/D转换后,由计算机进行空间域 采样。几一恤7 T J一N一一式 中D,导轮直径,mmN,光栅一周的目数a ,分频器的分频比调 整上述三参数,可以获 得

11、所需 的空间采样间隔,对于裂纹检测山的推荐值为。.0 1。.2mm。1.1.2集成霍尔元 件本实验采 用美国史普拉格电子有 限公司生 产的线性单端输人集成霍尔元件U GN一3501T作为磁敏检测元件,其输人特性如图2所示。该元件将线性集成 电路技术与霍 尔效应相结合,并将它 们制作在一块心片上,其典型线 性灵敏度通常7V/T(裸件霍尔元 件的灵 敏度最高只能达2 00mV/T),感应 面积为。2 54mmx0.25 4m m。该元件不仅可简 化后续处理 电路,而且可增 强 检 测信号 的可靠性和稳定性并提高检测 的信噪比。该元件的另一显著特点是 其输出电势与检 测元件相对于磁场的运动速度无关。

12、信号预处理器完成信号 的放大及 滤 波。A/D转+5.6十1.6j j j j j/ 尸一一/ / / / / / /一一浏尸洲洲洲/ / / / /v。二12v v v v vT T T T T T T T T。二25R R R R R R R R R一10kn n n n n蕊10 0020 0北极 敬感应强度B/mT图2UGN一35olT输出特性曲线2实验 结 果分析2.1磁场强度对 裂纹 漏磁场的影响图3表示三 种表面裂纹的漏 磁感应强度峰峰值B,与磁化磁场强度 Hm之间的关系。图4为三组 表面裂 纹漏 磁场实测波形,图4a,b和c中,h分别为. 05,1O和1sm m。裂 纹漏磁感应

13、强度峰峰值 凡p随着磁化磁场强度 Hm的增大而增大,但当磁化磁场 强 度 Hm达到 一定强度后,Bpp增 大 趋于平 缓,而且,当裂纹 深度h小 时,平缓区对 应的磁化磁场 强度Hm也小。由电磁学困中的磁荷观点知,磁 化磁场强度Hm在试 件 两端面和裂 纹两边的侧 壁上 磁化出正、负磁 荷,当磁 化 磁 场强度 1 1。增 大至某一定值时,即使再加大磁化磁场强度l Im,试件两端面 及裂纹 两边侧 壁上的磁荷量也 将增加得 非 常缓 慢,此时,铁磁性材 料已进人磁饱和状态。裂 纹所产生的漏磁金建华等:用集成霍 尔元件定量检测缺陷 漏磁场的特点卜 日兮闷娜套全侧颊倒镇粗璐- 透爹,一r一x 泛:

14、。户口口产.1 216202428323 6卜 日、时翅考侧考惑侧旗璐粗磁化磁场强度月./xl o,A/。图3裂纹漏 磁感应 强 度峰峰值尽p与磁化磁场 强 度Hm的关系l=8.Ommb=0.4m mh1smt n2.h一1.Omm2.h=0.smr n裂纹深度h /图5漏磁感应强 度峰峰值凡p与裂纹深度h的关系l二8om mb二0.4m m1.H、=36 00A/m2.H。=2SOOA /m3.H二=2oO OA/m4.Hn=1Zo0A/m牛牛、分分+. 了/mI T T T一一 工 5- - -3 3 3+ + +15 5 5右、/mT T T直直直畴飞飞图4表面裂纹漏磁场实侧波形Hm二3

15、 200A/m2.H。=24 0 0A /。3.H.=1 60 0A/m这种趋势受磁 化状 态 的影响很小。为此,定量检测 时 必须针对具体检测对象,通过实验确定其线性区和非线性区的变 化 范围,以便对裂纹深 度h定量 评价时进 行有效的非线性修正。2.3裂 纹宽 度对裂 纹 漏磁场的影 响图6表示裂纹 漏磁感应强度峰峰值尽p与 裂纹宽度b的关系。当裂纹 宽度b很微小b (0.Zmm)时,裂纹漏 磁感应强 度峰 峰值Bpp随着 裂纹 宽度b的增大而增 加很快。当裂 纹 宽度b为0.2一1.omm时,裂纹漏 磁 感应强度峰峰值尽p对裂纹宽度b的 变化不再敏感。虽然当裂 纹宽度b达 到一定值后,裂

16、纹 漏 磁感应强度峰峰值尽p对 裂纹 宽度b的变化 不再敏感,但裂纹宽度b的变 化会改 变 裂纹 漏磁场 的分布宽度,随着裂 纹 宽度b的增 加,裂纹漏 磁 场沿宽度方 向的分布趋于平缓。日及勺套翻全侧颊侧镇招收场取决于裂纹边缘的磁荷量,因此,铁磁性 材料 进人磁饱和状态后,外界磁化磁场 强 度 H。对 裂纹 漏 磁场的增加影 响不 大。图3所示曲线不过零点,引 起这 一 现象的 原因有两个:一 方 面,当磁化磁场强度H。过小 时,材料中的磁感应强度B很小,不 足以在 裂 纹处产生强度合适的漏磁场或根 本 不能产生漏磁场。另一方面,由于检 测 元件提离效应 的影 响,当裂 纹 处 的漏磁场过小 时,裂 纹漏 磁场信号可能被背景噪声所掩盖。2.2裂 纹深 度对 裂 纹漏磁场 的影晌图5表示裂纹 漏磁感应 强度峰峰值 尽p与 裂纹深 度h的关系。由图5可知,在裂纹 深 度h达到1.5mm之前,漏磁感应强度峰峰值 尽p随着裂纹 深度h的增 加呈线性增加,裂 纹深度h超 过1.smm后,漏磁感 应强度峰峰值凡p的变化 进人 非线