基于磁导率无损检测U型传感器优化设计研究

任仙芝，钱小吾

(镇江高等专科学校 基础部，江苏 镇江 212028)

磁导率检测技术是一种绿色检测技术，使用专门的磁导率检测平台检测铁磁试件应力集中、疲劳损伤等表面不连续性或表面组织结构变化所造成的磁导率变化，从而实现工业构件可靠性评估[1-2]。其中，检测传感器是磁导率检测平台的核心部分，其性能决定整个系统的检测精度[3]。因此，实现磁导率无损检测技术检测传感器的优化设计至关重要。

对磁导率检测技术[4-6]而言，磁芯的选择(U型、M型等)、线圈特征(匝数、线径等)、激励信号特征(激励幅值、信号频率等)都会影响检测传感器的性能。传感器检测灵敏度越高，磁导率检测平台测得的试验数据越稳定，试验结果越精确，检测应力分布、疲劳损伤、微观组织变化时效果越明显[7-8]。该检测方法是检测材料某一被测区域的组织结构变化、蜕化、老化程度，可以解决如超声检测、射线检测、硬度检测等传统检测方法难以解决的问题，而且检测精度高。吴德会等[9]基于微分磁导率设计了一种特殊的检测探头，通过扫查铁磁材料表面微分磁导率的分布，反演铁磁材料内部缺陷特征。任尚坤等[10-11]基于磁导率检测技术设计了针对棒状、板状铁磁试样的检测传感器，并进行拉伸、疲劳试验，根据磁导率特征，反演铁磁试样内部应力疲劳的分布状态。其他还未见类似的研究报道。采用磁导率检测技术研究在恒压源、恒流源两种激励源下，激励电压频率、激励电流频率、激励电压幅值、激励电流幅值、检测线圈匝数与传感器检测灵敏度的关系，重点从激励信号方面优化U型传感器系统，对检验铁磁构件某一区域的组织结构变化、腐蚀老化、应力疲劳等微观缺陷具有重要现实意义。

1 磁导率检测原理及关系分析

磁导率检测技术以微观力磁效应和电磁感应原理为理论基础，U型传感器结构如图1所示。在U型磁轭梁部缠绕激励线圈，两腿部缠绕检测线圈(串联)，当探头置于铁磁试件上时，探头和铁磁试件形成有效的磁回路。若向探头激励线圈通入正弦交流激励信号，则根据电磁感应原理，在磁轭内部会形成磁化场环境，检测线圈处会有感应信号输出。若被检测铁磁试件内部存在应力、疲劳、腐蚀等不连续性微观结构变化，则会导致闭合回路内部磁通发生畸变，从而导致检测线圈输出信号的差异性，通过反演运算实现被测铁磁试件不连续缺陷的检测。

图1 传感器结构示意图

在恒压源、恒流源两种激励源下向U型传感器激励线圈通入正弦交流激励信号，根据基尔霍夫磁路第一定律和第二定律，被检测铁磁试件磁导率改变时会引起闭合磁路中磁通密度的变化，即磁通密度的变化率能反映磁导率的变化，而磁通密度的变化可通过U型传感器检测线圈输出感应信号。

Φ=i(Rm外+L·μ-1S-1)-1，

μ，L，S分别为被测试件的磁导率、区域长度(mm)、平均等效截面积(mm2)。

依据麦克斯韦第二方程

(1)

其中N2为检测线圈匝数。由式(1)可知，检测线圈电压输出信号随被检测铁磁试件磁导率μ的变化而变化，其中，符号为负表示输出电压和激励电流具有相反的极性。铁磁构件磁导率与其内部组织结构有关，如构件内部发生腐蚀老化、应力疲劳、性能蜕变等微观结构变化时，磁导率就会改变，故可通过检测线圈输出感应值的变化判断待测构件内部的结构状态。对确定的待检试件，磁导率μ一定，电流的变化di/dt很小，对恒流源为常数。式(1)可表示为

uout=aμ(μ+b)-1，

其中，a，b为常数，可以根据试验数据确定。可见，U型传感器检测线圈输出感应电压信号u(V)可以直接反映待测试件的磁导率，大小可以通过输出感应电压信号反演计算，从而反映铁磁构件内部结构状态。

2 磁导率检测U型传感器参数优化的试验分析

2.1 试验平台的搭建

试验平台主要由激励源、示波器、电压表、电流表、传感器、被测铁磁试件、带通滤波、信号放大电路等组成。U型磁轭选用高磁导率的锰锌铁氧体材料，外形尺寸为58 mm×13 mm×33 mm。在U型磁轭梁部缠绕激励线圈形成偏置磁化的磁路，在磁轭极靴上缠绕检测线圈以输出感应信号值。其中，检测线圈采用双线圈对称性结构，两组线圈串联，线圈采用一定绕线截面积的漆包线，在骨架上绕制相应的匝数，分别对称安装于U型磁轭的两个极靴上。选用正弦波为激励源进行试验，以恒压源为激励源时，试验材料选用430不锈钢构件，外形尺寸如图2所示，激励信号选用任意波形发生器DG4000产生；以恒流源为激励源时，试验材料选用45号钢钢板，外形尺寸为560 mm×150 mm×10 mm，激励信号由双极性电源BP4610产生。检测信号值在示波器上读取，试验平台装置图如图3所示。

图2 430铁素体不锈钢试件外形尺寸图(单位：mm)

图3 试验平台装置图

试验中测得两个回路中的检测信号值分别对应铁磁回路和空气回路。将探头置于被测试件上，二者构成闭合回路，称为铁磁回路；将探头置于空气中，探头和空气环境构成的闭合回路称为空气回路。若存在某参数能使两回路的差值最大化，则称为最优参数。两回路的差值即为检测灵敏度，若存在一激励频率使两回路差值信号最大，即检测灵敏度最高，即为最优频率。

2.2 交流激励频率与检测灵敏度的关系模型

试验传感器采用双线圈绕组，即激励线圈和检测线圈均绕制上、下两层。试验表明，上层线圈和下层线圈下的检测灵敏度基本相同，即双线圈绕组下研究各参数对检测灵敏度的影响是可行的，符合试验要求。

图4为以恒压源为激励源时，铁磁回路、空气回路检测信号及两者差值信号随激励频率的变化关系，检测线圈端感应电压信号均为峰-峰值(Vpp)。传感器参数：交流电压幅值3 V，线圈匝数300，线圈线径0.2 mm。图5为以恒流源为激励源时，铁磁回路、空气回路检测信号及两者差值信号随激励频率的变化关系。传感器参数：交流电流幅值0.08 A(峰-峰值)，线圈匝数300，线圈线径0.2 mm。图4表明，激励电压频率增大，铁磁回路和空气回路检测信号值均先增大后趋于恒定，但在不同频率段的增加速率不同。激励电压频率增大，两回路差值信号值(传感器检测灵敏度)先增大后减小，存在一极大值，即检测灵敏度最高，对应频率为最优频率。图5表明，激励电流频率增大，铁磁回路和空气回路检测信号值均先增大后减小，存在一极值。同样，不同频率段增加的速率不同，两回路差值信号值(传感器检测灵敏度)先增大后减小再增大，最后趋于恒定，存在2个极值，即存在2个最优频率。

图4 以恒压源为激励源检测信号随频率变化曲线

图5 以恒流源为激励源检测信号随频率变化曲线

2.3 交流激励幅值与检测灵敏度的关系模型

图6，图7分别为以恒压源、恒流源为激励源时，不同电压、电流幅值条件下检测灵敏度随频率的变化曲线。激励电压、激励电流幅值增大，检测灵敏度升高。而当激励频率为300 Hz左右时检测灵敏度均达到最大值，即最优频率与电压幅值无关；当激励频率为1 000 Hz和1 460 Hz左右时检测灵敏度均达到最大值，即最优频率与电流幅值无关。进一步研究表明，检测灵敏度随激励(电压、电流)幅值增大线性升高，如图8，图9所示。但激励幅值过大会提高电平，增加噪声信号，产生发热、振动等现象，应合理选择。

图6 不同激励电压幅值下检测灵敏度随频率变化曲线

图7 不同激励电流幅值下检测灵敏度随频率变化曲线

图8 检测灵敏度随交流激励(电压)幅值的变化曲线

图9 检测灵敏度随交流激励(电流)幅值的变化曲线

2.4 检测线圈匝数与检测灵敏度的关系模型

图10为以恒压源为激励源时检测灵敏度随检测线圈匝数的变化曲线。传感器参数：交流电压幅值5 V，激励线圈匝数300，线圈线径0.2 mm，激励频率f=300 Hz。

图10 以恒压源为激励源，检测灵敏度随检测线圈匝数的变化曲线

图11表示以恒流源作为激励源时，检测灵敏度随检测线圈匝数的变化曲线。

图11 以恒流源为激励源，检测灵敏度随检测线圈匝数的变化曲线

传感器参数：交流电流幅值0.06 App，激励线圈匝数300，线圈线径0.2 mm，激励频率f=1 000 Hz。在两种激励源下，检测线圈匝数增加，检测灵敏度均升高，并且呈线性关系。进一步试验研究发现，检测线圈匝数不能过多，否则影响磁轭的性能，故可适当增加，而且最优频率与检测线圈匝数无关。

3 结束语

磁导率检测技术是一种高精度提前预测铁磁构件某区域应力集中状况特征的检测方法，是依据探头闭合磁路中磁感应强度的变化检测试件磁导率变化的评价技术。由磁导率无损检测U型传感器的设计和试验研究可知，在恒压源和恒流源两种激励源下，检测灵敏度随交流激励频率、激励幅值、检测线圈匝数的变化关系。

1) 传感器检测灵敏度随交流激励电压频率的增加先升后降，存在1个最优频率；随交流激励电流频率的增加先升后降再升，最后趋于恒定，存在2个最优频率。

2) 传感器检测灵敏度随激励(电压、电流)幅值的增加而升高，并呈线性上升趋势。但应根据实际试验合理选择激励幅值，不宜过高，否则会提高噪声信号，影响检测精度。

3) 在一定检测线圈匝数范围内，传感器检测灵敏度随检测线圈匝数增加而升高，近似线性关系。

研究表明，交流激励频率、幅值，检测线圈特征均会影响磁导率U型传感器的检测灵敏度，合理选择参数可以提高磁导率U型传感器的检测灵敏度。本研究可以为磁导率检测技术在应力集中、疲劳损伤、热处理的应用研究提供理论依据。