漏磁檢測技術在鐵氧體缺陷檢測中的應用

張華宇， 李俊杰， 謝鳳芹， 武新海

（山東科技大學a.機械電子工程學院；b.交通學院，山東 青島 266590）

0 引 言

目前，針對鐵氧體與其缺陷檢測的研究主要集中在通過機器視覺的方式進行識別，企業(yè)實際生產(chǎn)中則主要依靠人工目檢的方式進行［1-2］。機器視覺雖然能夠準確識別缺陷，但是這種檢測方式對環(huán)境光源要求極高，并且只能檢測光滑表面上有較大色差的缺陷，對于亞表面缺陷和細小裂紋或與完整表面無明顯色差的缺陷，機器視覺無法很好地識別［3-4］。而人工目檢的方式則存在準確率低、勞動強度大、經(jīng)濟效益低、檢測速度慢等問題，同樣不適合在生產(chǎn)中大規(guī)模使用［5-6］。因此，為了進一步提高國內(nèi)鐵氧體元件的生產(chǎn)質(zhì)量，提升鐵氧體生產(chǎn)企業(yè)的在國際市場中的地位，需要研究一種結構簡單、經(jīng)濟高效的鐵氧體缺陷檢測方法，實現(xiàn)鐵氧體表面、亞表面缺陷檢測的自動化和規(guī)模化。

漏磁檢測技術通過將工件進行磁化，使其內(nèi)部容納的磁力線數(shù)量達到飽和狀態(tài)，缺陷處可以容納的磁力線數(shù)量小于無缺陷處，無法容納的磁力線只能穿出工件，在空氣中進行傳播，穿出工件的磁力線在缺陷上方的空氣中形成一個漏磁場，通過使用磁敏傳感器采集工件表面的漏磁信號，分析漏磁場的分布特征可以得到工件表面缺陷的信息，判斷工件質(zhì)量。鐵氧體屬于鐵磁性材料，導磁性能良好，非常適合應用漏磁檢測技術進行缺陷檢測。本文通過理論分析與實驗驗證相結合的方法探究漏磁檢測技術在鎳鋅鐵氧體表面缺陷檢測方面的應用。

1 理論分析及有限元仿真

1.1 鐵氧體缺陷漏磁檢測原理

在自然界中，磁力線總是自發(fā)地沿著磁導率最高的路徑進行傳播，鐵磁性材料的磁導率遠高于空氣磁導率，所以環(huán)境中的磁力線會優(yōu)先在鐵磁性材料中傳播，但是任何材料單位截面內(nèi)能夠通過的磁力線數(shù)量是有上限的，即飽和磁通密度Bm。當材料內(nèi)部磁通密度達到飽和狀態(tài)時，無法通過的磁力線只能穿出材料表面，在空氣中進行傳播［7］。圖1即為漏磁檢測原理示意圖［8］。

圖1 漏磁檢測技術原理圖

由圖1可見，由磁軛和磁極構成的探頭通過氣隙與被測工件組成磁回路，磁極具有強磁性，將被測工件磁化至飽和狀態(tài)。當被測工件處于飽和磁化狀態(tài)，工件的磁導率也處于最大值，此時工件內(nèi)部的磁通密度達到飽和狀態(tài)［9-10］。由于缺陷處材料的不連續(xù)性導致工件的截面變小，減小部分被空氣填充，空氣磁導率遠遠低于工件的磁導率，導致此處工件的綜合磁導率變小，飽和磁通密度下降，允許通過的磁力線數(shù)量也變小，一部分磁力線可以從缺陷下方繞過，繼續(xù)在工件中傳播。但工件缺陷處可以容納的磁力線數(shù)量變少，同時磁力線之間相互排斥，所以有一部分磁力線無法從缺陷下方繞過，只能在空氣傳播。其中有一部分會在缺陷內(nèi)部的空氣中傳播，另一部分則在缺陷的一側穿出工件，繞過缺陷后，在缺陷另一側再穿入工件［11］。于是穿出工件的磁力線在缺陷上方形成漏磁場，同時在缺陷兩側的工件表面產(chǎn)生了兩個磁力線集中穿出和穿入的區(qū)域，在這兩個區(qū)域內(nèi)磁場主要表現(xiàn)為法向分量，此時磁場的切向分量會低于正常無缺陷區(qū)域。在工件表面放置磁敏傳感器檢測漏磁場情況就可以得到工件表面缺陷信息［12］。

由于缺陷的存在，缺陷周圍的磁力線被壓縮，磁感應強度和磁通密度增強［13］。切向漏磁信號和法向漏磁信號的波形如圖2所示，漏磁場的切向分量為平行于工件上表面的漏磁場分量；法向分量為垂直于工件上表面的漏磁場分量。如圖2（a）所示，漏磁場的切向分量存在單峰值，在缺陷正上方漏磁場的切向分量達到最大值Bh1，在缺陷的兩側有兩個與峰值方向相反的負值旁瓣，負值旁瓣之間的水平距離為漏磁場切向分量的分布區(qū)間長度Dw1。圖2（b）為漏磁場法向分量，從圖中可以看出漏磁場法向分量在缺陷兩側有正負兩個峰值，正負峰值之差為漏磁場法向分量的幅值Bh2，峰峰值之間的水平距離為漏磁場法向分量的分布區(qū)間長度Dw2，缺陷正上方的法向分量為0，漏磁場法向分量在此處改變方向［14-15］。

圖2 漏磁場切向和法向分量

1.2 鐵氧體缺陷漏磁檢測有限元仿真分析

在軟件中選擇三維建模，求解器選擇magnetostatic靜態(tài)求解器，以靜態(tài)磁場分析漏磁檢測過程。使用建模命令分別建立磁軛、磁極、缺陷、被測工件和求解域，建立的模型如圖3所示。其中工件是一個100 mm×100 mm×10 mm的長方體，材料為鎳鋅鐵氧體，在工件上表面有一個寬度1 mm，深度4 mm的缺陷。磁軛為U型硅鋼，尺寸為6 mm×30 mm×20 mm，下表面為6 mm×3 mm，硅鋼的磁導率高、機械性能好，對磁回路中的磁力線阻礙極小，不會對漏磁場檢測產(chǎn)生影響。磁軛下方連接的是磁極，磁極的尺寸為6 mm×3 mm×8 mm，材料為磁性最強的釹鐵硼永磁體，設置兩個磁極相反的充磁方向，磁極A充磁方向為Z方向，磁極B充磁方向為－Z方向，這樣磁極與工件和磁軛就可以構成完整磁回路。

圖3 漏磁檢測模型

幾何模型建立之后對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時對鐵氧體工件上的缺陷部位進行細分，設置最大四面體最大邊長為1 mm，其他區(qū)域的四面體最大邊長為4 mm，保證整體運算量不過大的前提下得到缺陷處質(zhì)量較高的仿真結果［16-17］。

漏磁場分布在缺陷上方的空間內(nèi)，圖4所示為平行于鐵氧體工件上表面的平面內(nèi)磁感應強度，從圖4中缺陷兩側出現(xiàn)了兩個磁感應強度突然降低的區(qū)域，這是因為缺陷處的飽和磁通密度降低，工件不能容納磁回路中所有的磁力線，無法通過工件的磁力線就泄漏到表面的空氣中，在工件上方形成漏磁場。這兩個區(qū)域就是漏磁場切向分量中的負值旁瓣區(qū)域和磁力線集中穿出和穿入鐵氧體工件的區(qū)域。從圖中還可以看出由于磁力線的壓縮在缺陷的上下兩端產(chǎn)生了兩個磁力線集中的區(qū)域，這兩個區(qū)域內(nèi)磁感應強度明顯高于周圍區(qū)域的磁感應強度。無論是磁力線集中穿出和穿入工件還是磁力線被壓縮，都表明缺陷的存在導致工件局部磁阻變大，飽和磁通密度下降，原有的磁回路被破壞。

圖4 工件上表面磁感應強度云圖

為了研究漏磁場的空間分布特征，圖5給出了缺陷上方垂直于工件上表面的平面內(nèi)的漏磁場的磁感應強度云圖。從圖中可以看出，缺陷上方產(chǎn)生了漏磁場，磁力線的傳播路徑發(fā)生了改變，一部分磁力線從缺陷一側穿出工件在空氣中傳播，繞過缺陷后在缺陷的另一側重新穿入工件。磁力線在空氣中傳播時由于空氣磁導率非常小，飽和磁通密度很低，磁力線無法繼續(xù)沿著磁化方向水平傳播，轉而向上方空間發(fā)散，所以在漏磁場在缺陷上方成半圓形分布。

圖5 缺陷上方磁感應強度

傳感器在工件上方檢測漏磁信號時距離工件表面有一定的提離距離，為了更準確地分析實際檢測時的漏磁信號，在鐵氧體缺陷上方0.5 mm處建立平面，計算平面內(nèi)磁感應強度。圖6所示為距離工件上表面0.5 mm平面的磁感應強度云圖，圖6（a）、（b）分別為有無缺陷時的仿真結果圖。從圖中可以看出，缺陷處上方的磁感應強度明顯高于無缺陷處的磁感應強度。圖6（a）中缺陷邊緣的磁感應強度高于缺陷中間的磁感應強度，證明磁力線在缺陷兩側集中穿出和穿入工件表面。

圖6 工件上表面磁感應強度對比

通過分析仿真結果證明漏磁檢測技術可以應用于鐵氧體缺陷檢測，鐵氧體工件在飽和磁化狀態(tài)下缺陷上方會產(chǎn)生一個明顯的漏磁場，漏磁場的場強和磁力線分布都與無缺陷處不同，可以通過檢測工件表面的磁場分布特征來判斷是否存在缺陷。

2 鐵氧體表面缺陷漏磁檢測實驗

2.1 傳感器探頭設計

傳感器探頭選用永磁磁化方式對鐵氧體進行磁化。利用釹鐵硼永磁體作磁極，硅鋼片作磁軛，霍爾傳感器作磁敏傳感器制作檢測探頭如圖7所示。

圖7 探頭支撐結構

探頭整體是軸對稱結構，其中U型槽中安裝U型硅鋼片作為磁軛，兩個釹鐵硼磁極分別安裝在磁軛兩端。磁軛、磁極和鐵氧體構成完整的磁回路，實現(xiàn)對工件的局部磁化。探頭頂部方形的支撐結構1是與機械臂的連接結構，通過4個螺柱固定在機械臂末端。永磁體之間的支撐結構2用來安裝磁敏傳感器。探頭支撐結構采用環(huán)氧樹脂材料通過3D打印制作，擁有較高的精度，但是環(huán)氧樹脂材料磁導率很低，會隔斷磁回路，因此磁極支撐結構底部開孔保證磁回路的完整性。探頭實物如圖8所示。

圖8 探頭實物圖

2.2 鐵氧體表面缺陷檢測

鐵氧體表面缺陷如圖9所示，鐵氧體樣品尺寸為100 mm×100 mm×8 mm。在工件上表面以中線為對稱軸等距加工了4個長度為40 mm，深度分別為1、2、3、4 mm，寬度為3 mm的矩形缺陷。

圖9 缺陷尺寸圖（mm）

鐵氧體表面缺陷檢測實驗平臺如圖10所示，主要包括四軸桌面機械臂、鐵氧體試件、放大電路檢測探頭、數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW編寫的上位機組態(tài)軟件。

圖10 實驗平臺

機械臂負責漏磁檢測探頭在鎳鋅鐵氧體上表面保持固定距離和相對速度進行移動，在移動過程中探頭上的磁化結構對樣品表面進行局部飽和磁化，在缺陷處產(chǎn)生漏磁信號，探頭上的WSH138霍爾傳感器經(jīng)過缺陷上方時，檢測到漏磁信號。信號通過USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡上傳到上位機中進行處理、分析、顯示和存儲，上位機通過程序將樣品基本信息和表面缺陷情況進行收集并保存到數(shù)據(jù)庫中。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗采集的鐵氧體工件表面原始漏磁信號如圖11所示。從圖中可以看出，工件表面缺陷處產(chǎn)生了明顯的漏磁信號，切向漏磁信號為單峰值，法向漏磁信號為正負雙峰值。

圖11 鐵氧體工件表面原始漏磁信號

圖11中a、b、c、d峰值分別是深度為4、3、2、1 mm缺陷處產(chǎn)生的漏磁信號。從圖中可以看出，缺陷深度越大，漏磁信號的峰值越大，缺陷深度為4 mm時，切向信號和法向信號的波動幅值為500和350 mV，隨著缺陷深度減小，信號的幅值也逐漸減小，當缺陷深度減小到1 mm時，切向信號和法向信號分別降低到100和30 mV，這表明漏磁信號的大小與缺陷深度相關。

從圖11中還可以看出，切向漏磁信號的峰值點在缺陷中心處，法向信號的兩個峰值關于缺陷中心對稱。根據(jù)切向漏磁信號與法向漏磁信號的信息特征可以發(fā)現(xiàn)缺陷上方的漏磁場呈半球狀分布，從法向漏磁信號中漏磁場的方向發(fā)生突變可以知道磁力線從缺陷一側穿出工件后以圓弧狀的姿態(tài)繞過缺陷，在缺陷另一側再穿入工件中。

為了更直觀地觀察漏磁信號與缺陷深度的關系，將不同深度缺陷處采集的漏磁信號幅值繪制在一張圖中。幅值信號與缺陷深度之間的關系如圖12所示，圖12（a）為切向漏磁信號幅值與缺陷深度關系，從圖中可以看出，缺陷深度為1 mm時，幅值為100 mV，隨著缺陷深度變大，信號幅值也呈線性增加，綜合來看缺陷深度每增加1 mm，切向信號幅值增加約130 mV。圖12（b）是法向漏磁信號幅值與缺陷深度關系，法向信號幅值與切向幅值有著相同的變化趨勢，缺陷深度1 mm時，法向信號幅值約為30 mV，缺陷深度每增加1 mm，法向信號幅值增加約110 mV。

圖12 不同深度缺陷信號幅值

通過上述分析可知漏磁信號的幅值與缺陷深度在一定范圍內(nèi)存在線性關系，可以通過信號幅值的大小確定缺陷深度，為接下來研究量化缺陷尺寸提供了理論依據(jù)。

3 結 語

經(jīng)過有限元仿真分析和實驗驗證，初步證明漏磁檢測技術可以有效地檢測出鐵氧體工件表面缺陷。根據(jù)仿真結果可知在飽和磁化狀態(tài)下鐵氧體缺陷上方空間會形成一個漏磁場，該磁場方向與磁化方向相同，在缺陷兩側有兩個磁力線集中穿出和穿入的區(qū)域，這兩個區(qū)域內(nèi)磁力線法向不再水平，而是轉而向上。根據(jù)鐵氧體表面缺陷漏磁檢測實驗結果可知漏磁信號的幅值與缺陷深度線性相關，深度越大漏磁信號越強，同時磁場強度隨著與缺陷中心距離的減小而逐漸增強，缺陷中心上方磁場強度最大。