基于脉冲磁化的阵列磁桥式位移传感器

　　摘要：针对热轧钢管和在役油井管等铁磁性工件的表面无损检测的应用需求，提出一种阵列磁桥式位移传感方法和传感器，实现在一定空间分辨率下针对表面形貌缺陷的磁成像检测。其中传感器与被测工件共同组成磁回路，并采用特定的紧凑型阵列磁化结构，而具体参数设置较灵活可以获得较好性能。首先通过分时激励减小相邻测点间的互扰，并对阵列中单个位移测量磁路施加脉冲磁化;再间隔采样各个测量磁路中的磁场，计算得到对应位置的位移值。通过理论计算和仿真，本文还研究了传感器在不同基础提离下分辨出方槽状表面形变的分辨力性能，分析了在系统的扫查和采样参数影响下对被测表面成像的空间分辨率性能。相较于已有的形磁桥式位移传感器位移测量量程为1~mm，线性度约2%;实验验证了该阵列传感器的量程为.27.0mm，位移传感特性曲线拟合的线性度约为1%。

　　关键词：阵列位移传感器磁桥漏磁检测;分时激励分辨力空间分辨率

　　引言钢材在工业中广泛应用，是重要的工业产品和生产原料。为避免各种表面缺陷造成钢材的失效，提升品质和保证使用寿命，在出厂时及在役期间需要对钢材进行表面检测。漏磁检测方法由于其高灵敏度低成本等优势，是目前主要的自动化钢材检测方法2]。

　　以检测热轧钢管为例，钢管的表面漏磁或涡流检测，通常以检测作为标准伤的人工槽或孔来评价探伤性能;但在检测钢管凹坑、辊印、壁厚减薄等深宽比较小的缺陷时，由于漏磁场变化平缓，易造成漏检;而对于这种大面积的形貌畸变，采用位移传感器对铁磁体表面法向尺寸变化进行测量，可以得到较好的效果。常规非接触位移传感器有电容式位移传感器、光学位移传感器和涡流位移传感器等。

　　其中，电容式位移传感器和光学位移传感器，测量结果会受到钢件表面的铁屑、泥污、氧化皮等介质严重影响[67]。如激光测距仪、光栅尺、干涉仪等的光学位移传感器结构复杂、价格昂贵1011]。涡流位移传感器测量线性度较差，被测的多种电磁参数及外部环境因素、激励因素都会对传感器产生干扰，软硬件抗干扰措施较复杂[1213]。

　　磁性位移传感器更适合于铁磁性材料检测，且对表面有粉尘、水、油、泥污、结垢等非磁性覆盖层不敏感，相对而言拥有高灵敏度、宽量程、高分辨率等优点[4]。近年来测磁传感器发展迅猛，如Hall传感器14、GMR、AMR以及TMR等。本文选择广泛应用的Hal传感器作为测磁元件。本文的单点磁性位移传感器采用抗磁场干扰能力较强的桥式磁路结构，传感器与被测工件共同组成磁回路，参考磁通测量检测技术测量距离铁磁体被测表面的法向位移15。

　　当形磁桥单边靠近铁磁材料时，桥路上测得的磁感应强度不再为，而是随测头下端面到被测表面的位移值的增大而减小。根据论文中的结论及相关前期研究和计算，磁桥式传感器的结构参数决定了传感特性的拟合线性度和量程。其中，传感器拟合关系的线性度与桥磁极的跨距正相关，但两磁极跨距的增大使得测头尺寸增大，限制了该型传感器的分辨力和空间分辨率。针对这一问题，本文提出一种磁桥式位移传感器的阵列化新结构。

　　采用类似于在形磁桥的跨距之间插入另一个形磁桥的方案，可以实现在保证磁桥路等效的跨距足够大的同时，减小传感器的间隔。并进一步采用分时激励的控制方法避免相邻通道间的磁场互扰。在图构建的桥式磁路结构的阵列位移传感器模型中，在桥路铁芯上开槽放置Hall传感器以测量桥路内的磁感应强度。在本文采用空间插补后构成的阵列传感器中，形桥式的铁芯被解构变为单体十字形的铁芯;传感器单体体积缩小，单体为可阵列化、可拓展结构。

　　相对于论文4][5]中形磁桥式位移传感器只能检测尺寸范围大于磁桥跨距的平缓缺陷，可以检测和分辨与单个铁芯底面尺寸相当的形貌缺陷。阵列中各铁芯和激励线圈的规格相同，同一个铁芯上两线圈通电磁化方向相同，相邻两个铁芯的磁化方向相反。在分时激励控制方案中，在同一时间段对两个的铁芯上的线圈进行通电激励，两个铁芯上两组线圈绕向相反。同时只有两个铁芯上的四个线圈串联、通直流电产生相等大小但反向的磁势，而在铁芯之间形成桥式磁路。一维阵列两末端的铁芯上未缠绕线圈，因为两端的铁芯激励磁化时形成的磁路左右不对称。

　　当传感器到被测钢板的基础距离变化，在该尺寸参数下基础提离值分别为.4mm、.0mm时，可以认为位移传感器能够精确测得的最小方槽形形貌其参数至少满足深度分别大于0.2mm、0.7mm左右;而需要辨识和还原被测方槽信息，还需要方槽参数满足宽度约大于mm;在II区域内用测得位移值还原实际深度信息的线性关系的斜率分别近似为0.16、10。3扫查成像空间分辨率针对形貌畸变轮廓尺度比传感器铁芯底面积大的情况，需要考虑用等效位移信息重构被测表面。以分时控制下阵列传感器的“像素”采样间隔来表述位移传感器的空间分辨率特性。

　　对于例如钢管一类零件的圆柱面的扫查检测方案中，测头扫查检测中的覆盖率指标还与旋进扫查的螺距有关。传感器尺寸参数一定，合理设置螺旋角，以及减小旋进速度、改变分时激励频率、增大采样的频率缩小采样点的间距，可以提高测头扫查的覆盖率，可使得传感器在圆柱面上扫查两圈的平行间距C1，相邻测点的在二维平面内的间距v/f，提高传感器扫查检测的空间分辨率。进一步还可以通过灵活设置合理的传感器尺寸参数如尝试更小的线圈和铁芯尺寸，或用多个一维阵列传感器构建二维阵列等方法，提高扫查覆盖率和空间分辨率。

　　实验针对上述理论计算和对传感特性的分析进行实验验证。实验主要搭建了实验平台，对阵列传感器的位移传感特性进行了验证和标定。测头安装在微动滑台上进行精确的位移测量。为了避免磁性材料影响阵列铁芯的磁路，整个阵列传感器除了铁芯均为非铁磁性的不锈钢加工，测头连接架保持阵列铁芯的结构稳定性和下端对齐。阵列传感器的实际制作中调整的阵列位移传感器的参数。

　　结论论文设计了一种磁桥式的阵列位移传感器，提高了检测覆盖率、检测效率。根据检测的磁场磁感应强度与被测量位移值满足的近似双曲函数关系按=k/(+a)+b关系进行拟合，并从等效磁路原理和仿真分析、实验验证了拟合成直线的线性性能。对比形铁芯，阵列十字形铁芯的磁路中非线性漏磁较小、拟合较好。

　　相较于其1.05.0mm时线性度为2%、拟合相关系数=0.9961[5];实验得到该传感器在提离.27.0mm量程范围内，实验结果的拟合曲线线性度在1%左右、拟合相关系数=0.9998，验证了由等效磁路推导的传感器原理和把传感特性拟合成双曲函数的正确性，证明了该阵列传感器作为位移传感器的线性性能较好。进一步，论文对阵列传感器的分辨力和空间分辨率等性能做了分析。当单个铁芯端面的磁极面积越大时，接收敏感范围越大、分辨力越弱;面积越小时，磁阻、磁桥路磁通在经过小的表面突变时变化明显，检测形貌突变的能力较强，但会增大等效磁阻的非线性。

　　以方形槽的形貌畸变为例，分析了在表面形貌畸变的范围小于相邻铁芯间距时，测量得到的位移值与实际深度在深度足够时呈现线性关系、并受方形槽宽度的限制;在0.40mm基础提离下，该阵列位移传感器分辨力性能上能达到分辨出0.2mm深度的表面形貌的突变。从扫查表面缓变形貌特征的应用出发，分析了阵列位移传感器的空间分辨率性能，改变尺寸参数和扫查差参数可以提高空间分辨率。

　　石油论文投稿刊物：《石油机械》(月刊)创刊于1973年，是国家科委批准出版，中国石油天然气集团公司主管，中国石油物资装备(集团)总公司、中国石油学会石油工程学会和江汉石油管理局联合主办的技术类月刊，国内外公开发行。

　　如传感器在钢件圆柱面上进行螺旋扫描检测时，采样时间间隔和旋进扫查进给量制约了空间分辨率。设置合适的扫描参数、采样参数和分时激励参数，可以减小被测表面上二维采样点的间距提高空间分辨率。实验进一步测定了该阵列位移传感器的时间响应性能，研究了分时激励控制参数的阈值问题。除此之外的阵列位移传感器的其他特性及影响因素还需深入分析研究。

　　参考文献：

　　[1]康宜华,邵双方,伍剑波,等.基于钢管旋转的纵向伤高速漏磁检测方法[J].石油机械,2012(7):6366.KANGY,SHAOS,WUJ,etal.SteelPipeRotationbasedHighSpeedMagneticLeakageDetectionSystem[J].ChinaPetroleumMachinery,2012(7):6366.

　　[2]康宜华陈承曦涂君,等一种基于钢管旋转的高速漏磁φ180检测系统[J].无损检测2014,36(2):6770.

　　作者：邓永乐王荣彪*唐健汪圣涵康宜华