磁敏感元件通過排列組合形成探頭，探頭封裝于保護體內(nèi)形成探頭體，探頭安裝在支架上形成探頭部件。
作為漏磁檢測設備的重要組成部分，探頭部件將不銹鋼管表面的漏磁場依次轉換為模擬信號以及數(shù)字信號，以便利用計算機進行自動化處理與評判。為實現(xiàn)不銹鋼管高速高精度檢測，探頭部件必須滿足以下要求：
（1）一致性 由于缺陷通過檢測探頭中某一磁敏感元件具有隨機性，因此，必須進行合理的傳感器陣列布置，使得缺陷以任意相對路徑通過檢測探頭時都可獲得相同的信號輸出。
（2）通用性 鋼管規(guī)格繁多，如果每種外徑鋼管均配置相應探頭，則需要大量探頭備件，因此，探頭通用性一直是評價檢測系統(tǒng)是否具有實用價值的重要因素。
（3）掃查靈敏度 由于探頭掃查方向影響缺陷檢測靈敏度，因此必須合理規(guī)劃探頭掃查路徑，以保證周、軸向缺陷都具有較好的檢測靈敏度。
為此，這里扼要闡述線陣漏磁檢測直探頭布置，以及探頭掃查路徑規(guī)劃方法，它可以較好地解決漏磁檢測探頭部件系統(tǒng)的一致性、通用性和掃查靈敏度問題。
一、探頭掃查路徑規(guī)劃
為實現(xiàn)對不銹鋼管缺陷的全覆蓋檢測，一般采用螺旋掃查技術對鋼管進行檢測。此時，感應線圈運動方向與缺陷走向之間會形成夾角0，如圖3-9所示，根據(jù)法拉第電磁感應定律，可獲得感應線圈的感應電動勢為
式中，e為感應線圈的感應電動勢；f(nc,w,l)）為線圈結構函數(shù)，和l分別為線圈的匝數(shù)、寬度和u長度；Bmn為缺陷漏磁場磁感應強度；v為感應線圈掃查速度；0為感應線圈運動方向與缺陷走向之間的夾角。
由式（3-20）可以得出，感應線圈的感應電動勢與夾角0相關：當感應線圈運動方向與缺陷走向垂直時，即，感應線圈輸出的感應電動勢幅值最大；當感應線圈運動方向與缺陷走向平行時，即，感應線圈基本沒有感應電動勢產(chǎn)生。
不銹鋼管漏磁檢測通過復合磁化方式實現(xiàn)對周、軸向裂紋的全面檢測，即軸向磁化檢測周向裂紋、周向磁化檢測軸向裂紋。根據(jù)感應線圈敏感方向與裂紋走向夾角對檢測信號幅值的影響規(guī)律，即當感應線圈敏感方向與裂紋走向平行時，檢測信號幅值最高，周向、軸向裂紋感應線圈的布置方式如圖3-10所示。
當不銹鋼管做螺旋前進運動時，感應線圈將在鋼管表面上形成螺旋掃查軌跡。將鋼管表面沿周向展開，如圖3-11所示。設鋼管軸向運動速度為Va感應線圈螺旋掃查速度為v，鋼管直徑為d1，掃查軌跡螺距為P，感應線圈掃查軌跡與鋼管軸向夾角為0，軸向裂紋感應線圈運動方向與軸向裂紋走向夾角為，周向裂紋感應線圈運動方向與周向裂紋走向夾角為α2，軸向、周向裂紋漏磁場磁感應強度分別為和Bco根據(jù)圖3-11所示幾何關系可知，α1=θ, α2=π/2-θ。根據(jù)式（3-20），可分別獲得軸向、周向裂紋感應線圈的漏磁場感應電動勢輸和，即：
從式（3-21）和式（3-22）可以看出，軸向裂紋感應電動勢與sin0成正比，而周向裂紋感應電動勢與cos0成正比。因此，為使軸向、周向裂紋感應線圈均具有較高的檢測靈敏度，夾角0應設計在合理的范圍內(nèi)。由于鋼管與軸向磁化場具有軸對稱性，高強度的軸向均勻磁化場更容易獲得，因此，在相同的條件下，周向裂紋漏磁場磁感應強度B。比軸向裂紋漏磁場磁感應強度B。更大。大量現(xiàn)場試驗表明，當感應線圈運動方向與鋼管軸線之間的夾角0保持在50°～60°范圍內(nèi)時，軸向、周向裂紋均能獲得較好的檢出性。
在生產(chǎn)制造過程中，不銹鋼管中存在的青線和內(nèi)螺旋會影響軸向、周向裂紋的相對檢出率，根據(jù)式（3-21）和式（3-22）可以得出，可以通過改變夾角0來調(diào)整軸向、周向裂紋的檢測靈敏度。為此，可以利用圖3-12所示的同步輸送對輥輪組來實現(xiàn)。輸送對輥輪固定于旋轉盤上，通過連接拉桿同步調(diào)整所有對輥輪組的角度，最終實現(xiàn)夾角0的連續(xù)調(diào)整。
二、線陣漏磁檢測直探頭
一般情況下，不銹鋼管漏磁檢測探頭由內(nèi)部多個感應線圈組成。為使相同的缺陷漏磁場以任意路徑通過檢測探頭均可獲得相同的信號輸出，可采用傳感器線陣布置方式，使缺陷始終被一個或一個以上的檢測通道拾取，并且這種方法容易保證檢測探頭制作工藝的一致性。
圖3-13a所示為目前常用的周向裂紋漏磁檢測探頭布置方案，主要通過在鋼管周向布置傳感器陣列來實現(xiàn)周向裂紋的全覆蓋掃查。該方案要求每種外徑規(guī)格鋼管配置對應弧度的弧形探頭。另外，也可采取圖3-13b所示的軸向裂紋直探頭布置方案，將沿周向布置的圓弧陣列傳感器轉換為沿軸向布置的線型陣列傳感器。
如圖3-14所示，圓弧陣列和線型陣列傳感器分別對應為弧形探頭和直探頭，其內(nèi)部傳感器單元總數(shù)量相等?；⌒翁筋^一般應用在鋼管直線前進的檢測方案中，而直探頭必須要求鋼管做螺旋推進運動。當更換被檢鋼管規(guī)格時，每種外徑規(guī)格鋼管需配置對應弧度的弧形探頭，而直探頭可與任何外徑鋼管匹配，從而減少了探頭備件的數(shù)量與種類。當然，與圖3-13a所示方案相比，圖3-13b所示傳感器陣列布置方法要求磁化均勻區(qū)軸向長度由4增加到。
進一步分析不銹鋼管軸向裂紋檢測探頭布置方案，圖3-15a所示為目前常用的軸向裂紋檢測探頭布置方案，其在檢測區(qū)域中間位置對稱布置雙列直探頭。為滿足高速檢測的覆蓋率要求，需要設計更長的探頭，此時，磁化均勻區(qū)軸向長度為l1，周向范圍為β1。一方面，檢測探頭越長，與之對應的磁化均勻區(qū)軸向長度l1越大，需要建立更大空間分布的均勻磁化場，磁化設備龐大。另一方面，由于鋼管本身存在直線度誤差，過長的探頭與彎曲鋼管表面貼合狀態(tài)不佳，影響檢測穩(wěn)定性。
另一種方式為四個線陣漏磁直探頭的布圖3-14 周向裂紋檢測探頭內(nèi)部傳感器布置示意圖置方案，將雙列直探頭分解為周向布置的四列直探頭，如圖3-15b所示，磁化均勻區(qū)軸向長度為l2，周向范圍為β2。兩種方案相比，后者可有效提高探頭的跟蹤性能，并使檢測設備更加緊湊。在相同的檢測速度和覆蓋率下，鋼管磁化均勻區(qū)軸向長度，周向均勻磁化范圍由β1增加到β2。圖3-16所示為軸向裂紋檢測探頭內(nèi)部傳感器布置示意圖，兩種方案的傳感器單元總數(shù)量相等。然而，無論哪一種方案，都需要鋼管與探頭之間形成相對螺旋掃描運動。
通過對比高速漏磁檢測探頭布置方案可以看出，沿周向均勻布置四個線陣直探頭的優(yōu)化布置方案，如圖3-13b和圖3-15b所示，既可滿足不銹鋼管高速檢測要求，又實現(xiàn)了周向裂紋和軸向裂紋檢測探頭布置方式的統(tǒng)一，具有極大的實用價值。
三、高速氣浮掃查方法與機構
不銹鋼管在螺旋前進過程中會產(chǎn)生三個移動自由度和三個轉動自由度，如圖3-17所示。其中，鋼管軸向移動v2和沿中心軸旋轉ω2共同組成鋼管螺旋前進運動，而其余四個自由度包括Ux、Vy、Wx和組成了不銹鋼管的跳動和m擺動。根據(jù)漏磁檢測的提離效應可知，鋼管跳動和擺動造成的傳感器提離值變化會嚴重影響檢測信號的一致性。為此，探頭系統(tǒng)必須具有多個自由度的隨動跟蹤功能，以消除鋼管跳動和擺動帶來的影響。
為此，可以采用圖3-18所示的一種四自由度探頭隨動跟蹤系統(tǒng)。整個隨動跟蹤裝置安裝于數(shù)控進給機構上，以滿足不同規(guī)格鋼管的徑向進給需求。根據(jù)圖3-13b和圖3-15b所示四個直探頭布置方案，將探靴設計為弧形，其內(nèi)徑與鋼管外徑相同。當鋼管發(fā)生跳動和擺動時，可保證弧形探靴內(nèi)的直探頭與不銹鋼管表面提離值保持恒定?；⌒翁窖ヅc搖臂支架通過球鉸進行連接，實現(xiàn)對鋼管轉動自由度和ωy的隨動跟蹤。搖臂在氣缸作用下在Oxy平面內(nèi)移xm動，可滿足探靴對鋼管移動自由度和的隨動跟蹤要求。
為使漏磁檢測具有最大檢測靈敏度和良好的一致性，一般要求磁敏感元件盡可能靠近不銹鋼管并且保持提離距離恒定。傳統(tǒng)接觸式探靴以內(nèi)表面緊貼鋼管，實現(xiàn)主動跟蹤。由于探靴和鋼管之間存在摩擦損耗作用，一般對探靴摩擦面進行噴涂處理以延長使用壽命，當探靴涂層厚度損耗到一定值時進行更換處理。
在高速漏磁檢測過程中，劇烈摩擦使探靴涂層快速消耗，并且摩擦產(chǎn)生的大量熱量不能及時散發(fā)而使環(huán)境溫度升高，影響傳感器的檢測精度和穩(wěn)定性。為此，可采用一種高速氣浮掃查系統(tǒng)，對鋼管實現(xiàn)非接觸式主動跟蹤。氣浮掃查系統(tǒng)利用在探靴與不銹鋼管表面之間形成的氣膜來消除接觸式摩擦作用，并實現(xiàn)對鋼管的隨動跟蹤。氣浮探靴在軸向方向均勻布置簡單孔式節(jié)流器，壓力氣體通過節(jié)流孔后形成壓降，并在鋼管表面形成以扶正機構支點為中心的對稱壓力分布，如圖3-19所示。氣浮探靴在氣體浮力Fair與恒定外力F．的共同作用下保持平衡，并形成厚度為hair的氣膜。當鋼管發(fā)生偏移時，如向左移動，氣膜厚度hair會減小，從而氣流阻力增大，流速降低，使整個氣膜內(nèi)壓力有不同程度的提高，氣體作用力Fair增大，探靴在氣體作用力F和外力F.作用下向左移動，并達到新的平衡位置。這樣，氣膜厚度hair被限制在微小范圍內(nèi)變化，從而實現(xiàn)探靴對鋼管的非接觸式跟蹤。由于氣膜厚度小，氣浮探靴所形成的氣浮層對檢測信號基本沒有影響。
高速氣浮掃查系統(tǒng)利用在探頭與鋼管表面之間形成的氣膜來消除摩擦作用，提高了探頭的使用壽命，并消除了摩擦溫度的影響，尤其適應不銹鋼管高速高精度漏磁檢測。其中，周向、軸向裂紋漏磁檢測探頭布置方式、探頭掃查路徑以及氣浮跟蹤機構可完全相同，具有重要的工程應用價值。
