環境磁場對磁記憶檢測信號的影響研究

陳海龍，崔子浩，吳 奇，熊湘曦，何 洋，王長龍

(1.63850部隊，吉林 白城 137000; 2.陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003)

0 引 言

在國防、石油、化工等行業中，很多機械設備都是由鐵磁材料制成的，如火炮身管、導彈、裝甲車輛、管道和壓力容器等。這些機械設備在使用過程中，由于疲勞、腐蝕、磨損、應力或意外的機械損傷等原因，在其表面或內部會產生各種缺陷，而這些缺陷是導致機械結構和設備失效乃至發生事故的重要原因。為避免不必要的損失和事故，需對這些設備進行定期的無損檢測[1-2]。磁記憶檢測因其設備簡單、操作方便等優點，以及在鐵磁材料早期診斷方面的應用潛力，自提出后就受到廣泛關注[3-4]。金屬磁記憶效應的實質是鐵磁性構件在弱磁場（地磁場）下的力磁耦合效應，屬于一種弱磁場信號[5]，其信號強度往往與地磁場在一個數量級或略大于地球磁場。在工程檢測中，環境磁場會對鐵磁物質的磁性產生一定影響，進而對磁記憶檢測信號產生影響。由于環境磁場并不是一個恒定場，在不同的測試環境下，磁場的方向和大小都會存在一定的差異。因此，研究外界磁場環境對磁記憶信號的影響非常有必要。

針對環境磁場對磁記憶檢測信號影響問題，許多學者開展了相關的實驗研究，但目前還未形成統一的認識。文獻[6]通過對比試件不同放置方向時焊縫殘余應力表面磁場分布，認為環境磁場對檢測信號數值有很大影響，但對磁記憶場的整體形貌沒有影響；文獻[7-8]也是認為無論試件如何放置，其表面的磁場強度分布規律不會發生變化；而文獻[9]實驗結果表明，疲勞斷裂試件不同放置方向下測得的磁記憶信號，并不是簡單數值的平移，其整體形貌產生也有較大變化；文獻[10-11]也認為不同放置方向對磁記憶檢測結果的影響是不同的，試件南北放置影響程度要比東西放置大；文獻[12-13]通過對比地磁場和外加激勵磁場兩種情況下磁記憶檢測效果，認為存在外加激勵磁場條件下檢測效果明顯好于地磁場環境下的檢測效果。

上述實驗研究環境磁場對磁記憶信號檢測的影響時，主要通過改變試件擺放方向測量分析試件表面磁場信號變化情況，或者通過人為改變外界磁場強度和方向觀察磁記憶信號變化情況來判斷外界磁場變化對磁記憶檢測的影響，但相同原理的實驗，關于環境磁場對磁記憶信號是整體形貌和檢測結果的影響，還是簡單的數值平移，并未形成一致的結論。上述多數實驗的研究思路是對比磁場變化時檢測到的信號變化情況，分析地磁場對金屬磁記憶信號檢測的影響，但沒有考慮檢測得的磁場信號的成分和被測試件損傷缺陷類型因素。因此，本文通過分析磁記憶檢測信號的組成，并對比不同放置方向下，對比的裂紋、應力集中以及無損傷3種區域的磁場變化，研究環境對磁記憶檢測信號的影響。

1 實驗材料及測試方案

本文選用45號鋼材料制作實驗試件，試件長180 mm，寬40 mm，厚度2 mm，利用剪切的方法在試件上預先設置長度為19 mm的裂紋，裂紋左右各50 mm長度區域為檢測區域，被測試件實物如圖1所示。

圖1 被測試件實物圖

為了驗證環境磁場對不同缺陷區域磁記憶信號的影響，本實驗共布置7條測量跡線，如圖2所示，跡線1~跡線3位于裂紋區域，跡線1在試件邊緣處，跡線2在裂紋中間處，跡線3在裂紋邊緣處；跡線4位于裂紋尖端處；跡線5位于應力集中區域；跡線6在正常區域的中間處；跡線7靠近試件邊緣處。

圖2 檢測跡線設置

為準確測量試件表面磁記憶信號，搭建磁記憶信號檢測系統，其實物圖如圖3所示。

檢測系統中的自動掃描裝置采用UYJ110型三維移動平臺（雙向重復精度±0.02 mm），傳感器探頭采用的是霍尼韋爾公司生產的HMC5883L型號三軸磁敏傳感器（量程±8 Gs，分辨率5 mGs，1 Gs=1×10-4T）。通過設置平臺的移動速度和傳感器的采樣頻率，可以實現磁記憶信號的空域等距采樣，同時測量3個不同方向的磁場分量信號。

圖3 磁記憶信號檢測系統實物圖

試件分別按照南-北、北-南、東-西、西-東4個方向擺放，如圖4所示，設置信號采樣間隔0.2 mm，傳感器提離值1.0 mm。

圖4 試件放置方向示意圖

2 實驗結果

將被測試件按照南-北、北-南、東-西、西-東4個方向水平放置，不同檢測跡線上測得的4組磁記憶信號曲線如圖5所示。

由圖可知，放置方向對磁場信號的幅值和整體形貌都有影響，但不同跡線影響程度有所區別。對裂紋區的跡線1、2在信號的幅值和整體形貌上影響都較大，特別是跡線1在裂紋區域出現較大范圍的變動，應力集中區跡線3、4、5在幅值和形貌有一定影響，但分布形貌變化相對較小。跡線6、7整體分布形貌變化較小，且整體幅值有一定變化。

在相當大的區域內可以認為地磁場是一個均勻穩定的磁場，但實際檢測中由于地理位置、建筑及其他機械設備等原因，實際檢測區域的環境磁場強度會有一定的變化，圖6為本實驗中未放置被測試件前不同檢測線上的磁場分布情況。

從圖中可以看出，試件未放置前不同方向檢測區域內7條檢測跡線上的磁場都在極小的波動范圍內變化，可認為是均勻穩定的磁場，其空間方向如圖7所示，試驗中環境磁場的水平分量沿著東北方向。其中He為環境磁場總強度；H//為He在水平面投影，稱為水平強度或水平分量；H⊥為He在垂直面投影，稱為垂直強度或垂直分量。

如果環境磁場對試件磁場信號有影響，則試件南-北方向放置與西-東方向放置時磁場分布相似，而北-南方向與東-西方向放置時磁場分布相似。以切向分量為例，不同方向上測得的磁場信號進行相關系數如表1所示。

圖5 不同方向時檢測結果

圖6 不同跡線環境磁場信號分布

圖7 環境磁場矢量方向

表1 不同放置方向切向信號曲線的相關系數

表中h1、h2、h3、h4的曲線分別為南-北、北-南、東-西、西-東檢測方向檢測得到磁場信號，c(hi,hj)表示相應方向檢測信號曲線的相關系數。從表可以看出，c(h1,h4)和c(h2,h3)數值要高于其他情況，說明試件南-北與西-東、北-南與東-西方向放置時磁場分布更為相似，這從側面反映了環境磁場會對試件表面磁場信號產生影響，與文獻[14]中試件不同放置方向檢測時，扣除背景磁場后的檢測結果不一致的現象吻合。從表中還可以看出，檢測跡線1、2的相關系數較小，跡線6、7相關系數較大，說明環境磁場對試件無損傷區域磁場分布影響較小，對裂紋區域漏磁場影響較大。

3 環境磁場影響討論與分析

處于地磁場環境下的鐵磁構件受載荷的作用，其內部會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向或不可逆的重新取向，從而導致應力或應變集中區域表面的漏磁場Hp發生改變，出現切向分量Hp(x)具有峰值及法向分量Hp(y)過零點的現象，如圖8所示。鐵磁構件這種磁狀態的不可逆變化在工件載荷消除后仍被保留[15]。因此，磁場標量或矢量的特征描述方法利用測磁儀器來測定構件表面漏磁場，通過分析試件表面漏磁場信息，推斷該工件的應力集中部位及預損傷區缺陷的特征。

圖8 金屬磁記憶檢測原理圖

磁記憶檢測方法中試件表面所測得的磁場信號H，如圖9所示，由缺陷區域的漏磁場Hp、環境磁場He以及試件自身的感應磁場HB是3個部分組成，即

圖9 損傷區域漏磁場分布圖

以試件切向信號為例，假設在試件兩個不同擺放方向時測得的磁場信號的分別為Hx1、Hx2，則水平分量可以為：

當試件放置方向變化時，也就是環境磁場發生微小變化時，測得磁場信號變化量主要由ΔHBx、ΔHpx、 ΔHex決定。

環境磁場He包括地磁場、其他構件和設備產生的磁場，一般情況下主要指地磁場，在特定的范圍內可認為是一個恒定的磁場。改變試件擺放方向時，環境磁場信號Hex只是在相應方向上分量的數值變化了ΔHex，對整體分布形貌沒有影響。

漏磁場Hp指的是無外磁場條件下試件表面的漏磁場，是由環境磁場和應力共同作用于該處的磁疇，使其產生定向的不可逆重新取向，這種磁狀態不僅在載荷消除以后還會保留形成磁疇固定結點，與最大作用應力有關，而且在遇到反向強磁場或反向強應力作用之前是不可逆的，這也是磁記憶效應能夠應用到應力集中或缺陷檢測的根本原因。因此，缺陷區漏磁場Hp可以認為是在缺陷生成過程中已經確定的，不會隨外部微弱的環境磁場變化而變化。

試件自身的感應磁場HB是由試件在環境磁場作用下磁化產生的，如果檢測過程中試件受到外力作用，則是由環境磁場和應力共同作用引起試件磁化產生的磁場。假設試件的磁化率為χm，真空磁導率為μ0，鐵磁質試件的相對磁導率為μ1，則試件在外磁場He作用下磁化時，其內部磁場強度可表示為：

磁力線總是走磁導率最大的路徑，當磁場由鐵磁質試件（區域1）進入空氣中（區域2）時，如圖10所示，根據邊界磁通守恒定律可以得到：

圖10 感應磁場 H B示意圖

假設空氣的相對磁導率為μ2，則根據式（5）可以得到：

式（6）表明，試件自身的感應磁場HB不僅與外磁場He相關，還與試件的磁導率以及磁導率不均勻程度相關。

結合不同檢測區域不同放置方向下的檢測結果進行分析，圖11為實驗中無損傷區域跡線7扣除環境磁場分量后的磁場分布情況。

圖11 試件不同放置方向下第7條跡線的磁場分布

從圖中可以看出，當試件無損傷缺陷時，測得的磁場分布形貌主要由試件自身漏磁場HB決定，試件不同放置方向時，試件表面分布磁場分布形貌變化不大，但是在數值上有較大的差異。其原因在于試件不同方向放置時，環境磁場He沿試件軸線方向分量會出現變化，影響了鐵磁試件的磁化狀態，導致泄漏到試件表面的感應磁場HB發生變化，但由于無損傷區域磁導率分布相對比較均勻，試件自身感應磁場HB沒有出現明顯的畸變，因此在不同放置方向下磁場整體分布形貌變化不大。

圖12和圖13分別為裂紋區域與應力集中區域不同放置方向時檢測到的磁場切向信號分布。

圖12 試件不同放置方向下第1條跡線的磁場分布

從圖中可以看出，當試件存在缺陷時，放置方向會對試件表面磁場由一定影響，但對裂紋區域磁場分布影響較大，對應力集中缺陷區域的磁場分布影響很小。其原因主要在于試件有損傷缺陷時，測得的磁場分布形貌主要由試件自身漏磁場HB和缺陷區域的漏磁場Hp共同決定，無損傷區域的檢測結果說明放置方向會對HB有較大影響，由于裂紋缺陷出現了有限寬度的強斷裂面，試件在裂紋區域的磁導率急劇降低，試件自身感應磁場HB會在裂紋缺陷區域出現畸變，進而對試件表面磁場分布產生較大影響，但由于應力集中缺陷區域的磁導率變化較為緩慢，所以試件自身漏磁場HB僅僅在應力集中并且發生漏磁的地方有一定的改變。

如果將缺陷處應力和外磁場共同作用磁化產生的磁場稱為磁記憶性質磁場，而外磁場對試件磁化作用產生的磁場稱為漏磁性質磁場，則缺陷區域的磁場分布形貌是由磁記憶性質磁場和漏磁性質磁場共同決定的。對于應力集中缺陷而言，由于漏磁性質磁場在應力集中缺陷區域畸變較小，缺陷區域的磁場分布特征以磁記憶性質磁場為主，試件放置方向對檢測信號分布形貌影響很小；對于裂紋缺陷而言，由于出現了有限寬度的斷裂面，漏磁性質磁場會在裂紋區域出現畸變，若應力和外磁場共同作用引起的磁記憶性質磁場遠大于外磁場磁化引起的漏磁性質磁場，則測得的磁場信號還是以磁記憶性質磁場信號為主，若應力引起的磁化與外磁場磁化作用相似或者更小時，則不同放置方向時，試件磁化狀態發生變化，測得的磁場信號整體分布形貌也會有發生較大變化。

4 結束語

本文通過研究分析不同試件放置時，不同類型缺陷區域的磁記憶檢測信號變化規律得出：環境磁場對金屬磁記憶檢測信號的影響是環境磁場（地磁場）、被測試件自身磁化狀態以及試件材料的磁特性（缺陷類型）共同作用的結果，被測試件不同放置方向時，測得的磁場信號不能簡單認為只是幅值上的整體漂移，其整體形貌也可能會發生一定變化。在工程檢測過程中，相對于被測試件的環境磁場需盡量保持不變。