摘要：針對熱軋鋼管和在役油井管等鐵磁性工件的表面無損檢測的應用需求，提出一種陣列磁橋式位移傳感方法和傳感器，實現在一定空間分辨率下針對表面形貌缺陷的磁成像檢測。其中傳感器與被測工件共同組成磁回路，并采用特定的緊湊型陣列磁化結構，而具體參數設置較靈活可以獲得較好性能。首先通過分時激勵減小相鄰測點間的互擾，并對陣列中單個位移測量磁路施加脈沖磁化;再間隔采樣各個測量磁路中的磁場，計算得到對應位置的位移值。通過理論計算和仿真，本文還研究了傳感器在不同基礎提離下分辨出方槽狀表面形變的分辨力性能，分析了在系統的掃查和采樣參數影響下對被測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量量程為1~mm，線性度約2%;實驗驗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%。

　　關鍵詞：陣列位移傳感器磁橋漏磁檢測;分時激勵分辨力空間分辨率

　　引言鋼材在工業中廣泛應用，是重要的工業產品和生產原料。為避免各種表面缺陷造成鋼材的失效，提升品質和保證使用壽命，在出廠時及在役期間需要對鋼材進行表面檢測。漏磁檢測方法由于其高靈敏度低成本等優勢，是目前主要的自動化鋼材檢測方法2]。

　　以檢測熱軋鋼管為例，鋼管的表面漏磁或渦流檢測，通常以檢測作為標準傷的人工槽或孔來評價探傷性能;但在檢測鋼管凹坑、輥印、壁厚減薄等深寬比較小的缺陷時，由于漏磁場變化平緩，易造成漏檢;而對于這種大面積的形貌畸變，采用位移傳感器對鐵磁體表面法向尺寸變化進行測量，可以得到較好的效果。常規非接觸位移傳感器有電容式位移傳感器、光學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位移傳感器，測量結果會受到鋼件表面的鐵屑、泥污、氧化皮等介質嚴重影響[67]。如激光測距儀、光柵尺、干涉儀等的光學位移傳感器結構復雜、價格昂貴1011]。渦流位移傳感器測量線性度較差，被測的多種電磁參數及外部環境因素、激勵因素都會對傳感器產生干擾，軟硬件抗干擾措施較復雜[1213]。

　　磁性位移傳感器更適合于鐵磁性材料檢測，且對表面有粉塵、水、油、泥污、結垢等非磁性覆蓋層不敏感，相對而言擁有高靈敏度、寬量程、高分辨率等優點[4]。近年來測磁傳感器發展迅猛，如Hall傳感器14、GMR、AMR以及TMR等。本文選擇廣泛應用的Hal傳感器作為測磁元件。本文的單點磁性位移傳感器采用抗磁場干擾能力較強的橋式磁路結構，傳感器與被測工件共同組成磁回路，參考磁通測量檢測技術測量距離鐵磁體被測表面的法向位移15。

　　當形磁橋單邊靠近鐵磁材料時，橋路上測得的磁感應強度不再為，而是隨測頭下端面到被測表面的位移值的增大而減小。根據論文中的結論及相關前期研究和計算，磁橋式傳感器的結構參數決定了傳感特性的擬合線性度和量程。其中，傳感器擬合關系的線性度與橋磁極的跨距正相關，但兩磁極跨距的增大使得測頭尺寸增大，限制了該型傳感器的分辨力和空間分辨率。針對這一問題，本文提出一種磁橋式位移傳感器的陣列化新結構。

　　采用類似于在形磁橋的跨距之間插入另一個形磁橋的方案，可以實現在保證磁橋路等效的跨距足夠大的同時，減小傳感器的間隔。并進一步采用分時激勵的控制方法避免相鄰通道間的磁場互擾。在圖構建的橋式磁路結構的陣列位移傳感器模型中，在橋路鐵芯上開槽放置Hall傳感器以測量橋路內的磁感應強度。在本文采用空間插補后構成的陣列傳感器中，形橋式的鐵芯被解構變為單體十字形的鐵芯;傳感器單體體積縮小，單體為可陣列化、可拓展結構。

　　相對于論文4][5]中形磁橋式位移傳感器只能檢測尺寸范圍大于磁橋跨距的平緩缺陷，可以檢測和分辨與單個鐵芯底面尺寸相當的形貌缺陷。陣列中各鐵芯和激勵線圈的規格相同，同一個鐵芯上兩線圈通電磁化方向相同，相鄰兩個鐵芯的磁化方向相反。在分時激勵控制方案中，在同一時間段對兩個的鐵芯上的線圈進行通電激勵，兩個鐵芯上兩組線圈繞向相反。同時只有兩個鐵芯上的四個線圈串聯、通直流電產生相等大小但反向的磁勢，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，因為兩端的鐵芯激勵磁化時形成的磁路左右不對稱。

　　當傳感器到被測鋼板的基礎距離變化，在該尺寸參數下基礎提離值分別為.4mm、.0mm時，可以認為位移傳感器能夠精確測得的最小方槽形形貌其參數至少滿足深度分別大于0.2mm、0.7mm左右;而需要辨識和還原被測方槽信息，還需要方槽參數滿足寬度約大于mm;在II區域內用測得位移值還原實際深度信息的線性關系的斜率分別近似為0.16、10。3掃查成像空間分辨率針對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被測表面。以分時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。

　　對于例如鋼管一類零件的圓柱面的掃查檢測方案中，測頭掃查檢測中的覆蓋率指標還與旋進掃查的螺距有關。傳感器尺寸參數一定，合理設置螺旋角，以及減小旋進速度、改變分時激勵頻率、增大采樣的頻率縮小采樣點的間距，可以提高測頭掃查的覆蓋率，可使得傳感器在圓柱面上掃查兩圈的平行間距C1，相鄰測點的在二維平面內的間距v/f，提高傳感器掃查檢測的空間分辨率。進一步還可以通過靈活設置合理的傳感器尺寸參數如嘗試更小的線圈和鐵芯尺寸，或用多個一維陣列傳感器構建二維陣列等方法，提高掃查覆蓋率和空間分辨率。

　　實驗針對上述理論計算和對傳感特性的分析進行實驗驗證。實驗主要搭建了實驗平臺，對陣列傳感器的位移傳感特性進行了驗證和標定。測頭安裝在微動滑臺上進行精確的位移測量。為了避免磁性材料影響陣列鐵芯的磁路，整個陣列傳感器除了鐵芯均為非鐵磁性的不銹鋼加工，測頭連接架保持陣列鐵芯的結構穩定性和下端對齊。陣列傳感器的實際制作中調整的陣列位移傳感器的參數。

　　結論論文設計了一種磁橋式的陣列位移傳感器，提高了檢測覆蓋率、檢測效率。根據檢測的磁場磁感應強度與被測量位移值滿足的近似雙曲函數關系按=k/(+a)+b關系進行擬合，并從等效磁路原理和仿真分析、實驗驗證了擬合成直線的線性性能。對比形鐵芯，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時線性度為2%、擬合相關系數=0.9961[5];實驗得到該傳感器在提離.27.0mm量程范圍內，實驗結果的擬合曲線線性度在1%左右、擬合相關系數=0.9998，驗證了由等效磁路推導的傳感器原理和把傳感特性擬合成雙曲函數的正確性，證明了該陣列傳感器作為位移傳感器的線性性能較好。進一步，論文對陣列傳感器的分辨力和空間分辨率等性能做了分析。當單個鐵芯端面的磁極面積越大時，接收敏感范圍越大、分辨力越弱;面積越小時，磁阻、磁橋路磁通在經過小的表面突變時變化明顯，檢測形貌突變的能力較強，但會增大等效磁阻的非線性。

　　以方形槽的形貌畸變為例，分析了在表面形貌畸變的范圍小于相鄰鐵芯間距時，測量得到的位移值與實際深度在深度足夠時呈現線性關系、并受方形槽寬度的限制;在0.40mm基礎提離下，該陣列位移傳感器分辨力性能上能達到分辨出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用出發，分析了陣列位移傳感器的空間分辨率性能，改變尺寸參數和掃查差參數可以提高空間分辨率。

　　石油論文投稿刊物：《石油機械》(月刊)創刊于1973年，是國家科委批準出版，中國石油天然氣集團公司主管，中國石油物資裝備(集團)總公司、中國石油學會石油工程學會和江漢石油管理局聯合主辦的技術類月刊，國內外公開發行。

　　如傳感器在鋼件圓柱面上進行螺旋掃描檢測時，采樣時間間隔和旋進掃查進給量制約了空間分辨率。設置合適的掃描參數、采樣參數和分時激勵參數，可以減小被測表面上二維采樣點的間距提高空間分辨率。實驗進一步測定了該陣列位移傳感器的時間響應性能，研究了分時激勵控制參數的閾值問題。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：

　　[1]康宜華,邵雙方,伍劍波,等.基于鋼管旋轉的縱向傷高速漏磁檢測方法[J].石油機械,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的高速漏磁φ180檢測系統[J].無損檢測2014,36(2):6770.

　　作者：鄧永樂王榮彪*唐健汪圣涵康宜華