自動(dòng)化不銹鋼管漏磁檢測(cè)中，單點(diǎn)測(cè)量單元很難滿足檢測(cè)的要求，必須采用陣列檢測(cè)探頭，由多個(gè)單點(diǎn)測(cè)量單元按一定的規(guī)律排列，并將各單元檢測(cè)信號(hào)實(shí)施疊加或差動(dòng)組合而成。
陣列檢測(cè)探頭是磁場(chǎng)傳感器的載體和組合，是漏磁檢測(cè)信號(hào)的收集器。隨著漏磁檢測(cè)應(yīng)用的不斷深入和檢測(cè)要求的逐步提高，除了磁化問(wèn)題，另一個(gè)核心就是漏磁檢測(cè)探頭的設(shè)計(jì)。若探頭性能不好或者不合適，則會(huì)出現(xiàn)漏判或者誤判，嚴(yán)重影響漏磁檢測(cè)的可靠性。
另一方面，沒(méi)有一種探頭是萬(wàn)能的。由于自然缺陷的形態(tài)千變?nèi)f化，檢測(cè)探頭必然存在局限性，漏判或誤判的情況在檢測(cè)實(shí)踐中時(shí)有發(fā)生。下面對(duì)檢測(cè)探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)特性進(jìn)行分析。
一、漏磁檢測(cè)探頭的結(jié)構(gòu)形式
目前，最具代表性的不銹鋼管漏磁檢測(cè)傳感器有兩種：霍爾元件和感應(yīng)線圈，尤其是集成霍爾元件和光刻平面線圈。為了獲得較高的磁場(chǎng)測(cè)量空間分辨力和相對(duì)寬廣的掃查范圍，檢測(cè)探頭芯結(jié)構(gòu)有多種形式。
1. 點(diǎn)檢測(cè)形式 在檢測(cè)探頭中，對(duì)某一點(diǎn)上或微小區(qū)域的漏磁場(chǎng)測(cè)量，并且每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，如圖3-6a所示，以下簡(jiǎn)稱為點(diǎn)檢探頭。很明顯，點(diǎn)檢探頭中每個(gè)點(diǎn)能夠掃查的檢測(cè)范圍很小，但空間分辨力高，如單個(gè)霍爾元件的敏感面積只有0.2×0.2m㎡，點(diǎn)檢用檢測(cè)線圈也可做到φ1mm內(nèi)。
2. 線檢測(cè)形式 在檢測(cè)探頭中，對(duì)一條線上的漏磁場(chǎng)進(jìn)行綜合測(cè)量，如圖3-6b所示，以下簡(jiǎn)稱為線檢探頭。例如，用感應(yīng)線圈檢測(cè)時(shí)，將線圈做成條狀，則它感應(yīng)的是線圈掃查路徑對(duì)應(yīng)空間范圍內(nèi)的漏磁通的變化。用霍爾元件檢測(cè)時(shí)，采用線陣排列，將多個(gè)元件檢測(cè)信號(hào)用加法器疊加后輸出單個(gè)通道信號(hào)，則該信號(hào)反映的是霍爾元件線陣長(zhǎng)度內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值。
在漏磁檢測(cè)中，上述兩種形式是最基本的形式，由此可以組合成多種形式的探頭，如圖3-6c所示的平面內(nèi)的面陣列探頭，以及圖3-6d所示的多個(gè)平面上的立體陣列探頭。
二、漏磁檢測(cè)探頭的檢測(cè)特性
1. 缺陷類型
不銹鋼管在進(jìn)行漏磁檢測(cè)方法和設(shè)備的考核時(shí)，常采用機(jī)加工或電火花方式刻制標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷，自然缺陷可表達(dá)成它們的組合形式。為便于分析和精確評(píng)估，將標(biāo)準(zhǔn)缺陷分成下列三類。
（1）點(diǎn)狀缺陷 點(diǎn)狀缺陷的面積小，集中在一點(diǎn)或小圈內(nèi)，如標(biāo)準(zhǔn)缺陷里的通孔，自然缺陷里的蝕坑、斑點(diǎn)、氣孔等，它們產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)是一個(gè)集中的點(diǎn)團(tuán)狀場(chǎng)，分布范圍小。
（2）線狀缺陷 線狀缺陷的寬長(zhǎng)比很小，形成一條線，如標(biāo)準(zhǔn)缺陷里的矩形刻槽、自然缺陷里的裂紋等，它們產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)是沿線條的帶狀場(chǎng)。
（3）體狀缺陷 體狀缺陷的長(zhǎng)、寬、深尺寸均較大，形成坑或窩，如標(biāo)準(zhǔn)缺陷中的大不通孔、自然缺陷里的片狀腐蝕等，它們產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)分布范圍廣。
2. 不同結(jié)構(gòu)探頭的檢測(cè)特性
不銹鋼管在漏磁檢測(cè)中，特別要強(qiáng)調(diào)空間和方向的概念。因?yàn)?，漏磁?chǎng)是空間場(chǎng)，且具有方向性；漏磁檢測(cè)信號(hào)是時(shí)間域的，且沒(méi)有相位信息；不僅檢測(cè)探頭具有敏感方向，而且檢測(cè)探頭的掃查路徑也具有方向性，不同方向均會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)及其特征產(chǎn)生影響。
另一方面，應(yīng)該特別注意缺陷漏磁場(chǎng)的表征形式，在這里，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度和漏磁場(chǎng)梯度存在著本質(zhì)的不同?；魻栐透袘?yīng)線圈兩種器件的應(yīng)用也有著根本的區(qū)別。霍爾元件可以測(cè)量空間某點(diǎn)上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而感應(yīng)線圈卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)；感應(yīng)線圈感應(yīng)的是空間一定范圍內(nèi)的磁通量的變化程度，相反，霍爾元件不可以測(cè)量磁通量的變化，它測(cè)量的是一定空間范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值。
下面將逐一分析兩種基本探頭形式對(duì)不同類型缺陷的檢測(cè)信號(hào)特性。
a. 點(diǎn)檢探頭的信號(hào)特性
點(diǎn)檢探頭測(cè)量的是空間某點(diǎn)上的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通量的變化。點(diǎn)檢探頭對(duì)點(diǎn)狀缺陷的檢測(cè)是“針尖對(duì)麥芒”，空間相對(duì)位置的微小變化，均有可能引起檢測(cè)信號(hào)幅度的波動(dòng)。點(diǎn)狀缺陷的漏磁場(chǎng)分布是尖峰狀的，當(dāng)點(diǎn)檢探頭正對(duì)峰頂時(shí)，信號(hào)幅度最大，偏離時(shí)信號(hào)幅度將急劇下降。因此，用點(diǎn)檢探頭去檢測(cè)點(diǎn)狀缺陷時(shí)將會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的信號(hào)，導(dǎo)致誤判或漏判。進(jìn)行檢測(cè)設(shè)備標(biāo)定時(shí)，也難將各通道的靈敏度調(diào)整到一致。
點(diǎn)檢探頭檢測(cè)線狀缺陷時(shí)，很容易掃查到線狀缺陷產(chǎn)生的“山脈”狀漏磁場(chǎng)的某一個(gè)縱斷面，檢測(cè)信號(hào)幅度將正比于線狀缺陷的深度。當(dāng)線狀缺陷長(zhǎng)度大于一定值時(shí)，設(shè)備標(biāo)定或檢測(cè)信號(hào)的一致性和穩(wěn)定性均較好。
b. 線檢探頭的信號(hào)特性
線檢探頭測(cè)量的是探頭長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通量的變化。與點(diǎn)檢探頭相比，線檢探頭的輸出信號(hào)特性不但與缺陷的深度有關(guān)，而且與缺陷的長(zhǎng)度有關(guān)，最終與缺陷缺失的截面積成比例。這類探頭不能直接獲得與缺陷深度相關(guān)的信息，因?yàn)殚L(zhǎng)而淺的缺陷與短而深的缺陷在檢測(cè)信號(hào)幅度上有可能是一樣的。
線檢探頭對(duì)點(diǎn)狀缺陷的檢測(cè)是“滴水不漏”。由于線檢探頭的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于點(diǎn)狀缺陷的長(zhǎng)度，在檢測(cè)路徑上，缺陷相對(duì)于探頭位置變化時(shí)，不會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)的幅度，因而一致性較好。
線檢探頭檢測(cè)線狀缺陷時(shí)，情況較為復(fù)雜，探頭與缺陷的長(zhǎng)度比以及位置關(guān)系均會(huì)影響信號(hào)幅值。下面舉例分析。
如圖3-7a所示，用有效長(zhǎng)度為25mm的線檢探頭檢測(cè)25mm長(zhǎng)的刻槽。當(dāng)探頭正對(duì)刻槽時(shí)，獲得最大的信號(hào)幅值；當(dāng)探頭與刻槽的位置錯(cuò)開時(shí)，信號(hào)幅值將隨著探頭與缺陷交叉重疊程度的減小而減弱，此種狀態(tài)對(duì)檢測(cè)是不利的，不論是設(shè)備標(biāo)定還是檢測(cè)應(yīng)用均很難獲得一致的檢測(cè)信號(hào)。圖3-7中左邊的粗線段為線檢探頭，中間的細(xì)線段為不同位置的線狀缺陷，右邊為不同探頭的檢測(cè)信號(hào)幅度。為實(shí)現(xiàn)線檢探頭的一致性檢測(cè)，有如下兩種做法：
①. 減小線檢探頭的有效長(zhǎng)度，讓它小于或等于線狀缺陷長(zhǎng)度的一半，同時(shí)將相鄰檢測(cè)探頭按50％重疊布置，如圖3-7b所示?？梢钥闯?，不論缺陷從哪個(gè)路徑通過(guò)探頭陣列，均可在某一檢測(cè)單元中獲得一個(gè)最大的信號(hào)幅值，而在其他檢測(cè)單元中得到較小的信號(hào)幅值。
此時(shí)，由于線狀缺陷長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于探頭長(zhǎng)度，檢測(cè)探頭測(cè)量的是漏磁場(chǎng)“山脈”中的某一段，如果線狀缺陷深度一致，它可以直接反映出深度信息。將線檢探頭的長(zhǎng)度再不斷縮小，線檢探頭則變成點(diǎn)檢探頭。此時(shí)，在采用標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定時(shí)，任何狀態(tài)均可得到一致的檢測(cè)信號(hào)。
②. 增加線檢探頭的有效長(zhǎng)度，使它超過(guò)線狀缺陷長(zhǎng)度的2倍以上，同時(shí)將相鄰檢測(cè)探頭按50％重疊布置，如圖3-7c所示。這樣，以任何路徑掃查缺陷時(shí)，均可獲得至少一個(gè)最大的檢測(cè)信號(hào)幅值。
此種檢測(cè)方法測(cè)量的是線狀缺陷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，因而，它反映不了線狀缺陷的深度信息。當(dāng)缺陷的長(zhǎng)度逐漸減小時(shí)，則轉(zhuǎn)變成線檢探頭對(duì)點(diǎn)狀缺陷的檢測(cè)。
3. 面向?qū)ο蟮臋z測(cè)探頭設(shè)計(jì)和選用
在漏磁檢測(cè)中，應(yīng)該根據(jù)具體的檢測(cè)要求來(lái)設(shè)計(jì)和選擇合適的探頭芯結(jié)構(gòu)，下面給出幾種探頭設(shè)計(jì)和選用原則。
a. 缺陷的深度檢測(cè)應(yīng)該選擇點(diǎn)檢探頭 點(diǎn)檢探頭反映的是局部磁感應(yīng)強(qiáng)度或其變化。當(dāng)裂紋較長(zhǎng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)相當(dāng)于對(duì)無(wú)限長(zhǎng)矩形槽的探測(cè)，因而，測(cè)點(diǎn)的信號(hào)幅度與缺陷深度密切相關(guān)。但是，當(dāng)線狀缺陷越來(lái)越短時(shí)，測(cè)量的誤差也就越來(lái)越大，特別地，對(duì)點(diǎn)狀缺陷的深度探測(cè)幾乎不可能。
在鋼管漏磁檢測(cè)校樣過(guò)程中，一般均以通孔作為標(biāo)定試樣上的標(biāo)準(zhǔn)缺陷，這樣，大、小孔的深度一致，孔徑尺寸反映出缺失截面積的線性變化，因而，漏磁磁通量也將發(fā)生線性變化。對(duì)于不通孔，當(dāng)孔的深度和直徑均為變量時(shí)，僅通過(guò)尋找孔深與孔徑的乘積與信號(hào)幅度關(guān)系去反演或推算深度是不可能的。這也是僅采用漏磁方法進(jìn)行檢測(cè)的不足。
b. 缺陷的損失截面積檢測(cè)應(yīng)該選擇線檢探頭 線檢探頭的信號(hào)幅度與缺陷損失的截面積成比例，因而有較好的測(cè)量精度。在有些檢測(cè)對(duì)象中應(yīng)用較好。
c. 缺陷的長(zhǎng)度檢測(cè)應(yīng)該用點(diǎn)檢探頭陣列或點(diǎn)線組合式探頭 點(diǎn)檢探頭敏感于缺陷的深度，當(dāng)采用點(diǎn)檢探頭陣列時(shí)，缺陷長(zhǎng)度覆蓋的通道數(shù)量可以反映其長(zhǎng)度信息；另一方面，當(dāng)線檢探頭大于缺陷的長(zhǎng)度時(shí)，感應(yīng)的是深度和長(zhǎng)度的共同信息，如在其感應(yīng)范圍內(nèi)并列布置一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)檢探頭感受深度信息，則裂紋的長(zhǎng)度就可以計(jì)算出來(lái)。
從信號(hào)處理角度來(lái)看，點(diǎn)線組合式探頭需要的通道數(shù)量較少，可以同時(shí)獲得缺陷的深度、長(zhǎng)度、缺失截面積等信息，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
d. 斜向裂紋采用點(diǎn)檢探頭陣列檢測(cè) 在漏磁檢測(cè)中，當(dāng)缺陷走向與磁化場(chǎng)方向不垂直時(shí)，漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度將降低，從而獲得較小的信號(hào)幅值。因此，斜向缺陷的檢測(cè)與評(píng)估，需要首先檢測(cè)出裂紋的走向，并且根據(jù)走向修正漏磁場(chǎng)信號(hào)幅度，再進(jìn)行深度判別。
另一方面，當(dāng)探頭掃查路徑垂直于缺陷走向時(shí)，檢測(cè)信號(hào)幅值最大；隨著兩者夾角不斷減小，檢測(cè)信號(hào)幅值逐漸降低，同時(shí)信號(hào)特性也將發(fā)生明顯變化。此時(shí)，線檢探頭的檢測(cè)信號(hào)特性變化很大，點(diǎn)檢探頭的信號(hào)幅度波動(dòng)卻很小。因此，可利用點(diǎn)檢探頭陣列中各通道獲得最大幅值的時(shí)間差異來(lái)推算缺陷走向，為后續(xù)的信號(hào)補(bǔ)償與缺陷判別奠定基礎(chǔ)，如圖3-8所示。
漏磁設(shè)備的檢測(cè)能力與探頭芯結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，從目前應(yīng)用情況來(lái)看，漏磁檢測(cè)方法對(duì)內(nèi)外部腐蝕坑、內(nèi)外部周／軸向裂紋均有較好的檢測(cè)精度，同時(shí)，對(duì)斜向裂紋具有一定的檢測(cè)能力。但是，漏磁檢測(cè)方法對(duì)微裂紋，如初期的疲勞裂紋、熱處理的應(yīng)力裂紋、軋制時(shí)的微機(jī)械裂紋和折疊不太敏感。究其原因，微裂紋的開口均小于0.05mm，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，因此，有必要輔以渦流、超聲等其他檢測(cè)方法。
我國(guó)進(jìn)口漏磁檢測(cè)設(shè)備采用的基本都是基于線圈的線檢探頭，這種配置需要的信號(hào)通道數(shù)量相對(duì)較少、探靴的有效覆蓋范圍大。但是，這種方式對(duì)缺陷的深度評(píng)定需要一定的輔助條件，而且對(duì)斜向缺陷的檢測(cè)靈敏度較低。
在具體應(yīng)用過(guò)程中，首先應(yīng)分析檢測(cè)要求和對(duì)象特點(diǎn)，其次要認(rèn)識(shí)探頭芯的形式和結(jié)構(gòu)?？偟膩?lái)講，采用線檢探頭去檢測(cè)線狀缺陷的深度信息和采用點(diǎn)檢探頭去評(píng)定點(diǎn)狀缺陷的長(zhǎng)度信息均是不現(xiàn)實(shí)的；高精度的檢測(cè)需要以大量的獨(dú)立測(cè)量通道和信號(hào)處理系統(tǒng)為代價(jià)，因此，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)綜合權(quán)衡。
