磁敏感元件通過(guò)排列組合形成探頭，探頭封裝于保護(hù)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(cè)設(shè)備的重要組成部分，探頭部件將不銹鋼管表面的漏磁場(chǎng)依次轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)，以便利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化處理與評(píng)判。為實(shí)現(xiàn)不銹鋼管高速高精度檢測(cè)，探頭部件必須滿足以下要求：
（1）一致性 由于缺陷通過(guò)檢測(cè)探頭中某一磁敏感元件具有隨機(jī)性，因此，必須進(jìn)行合理的傳感器陣列布置，使得缺陷以任意相對(duì)路徑通過(guò)檢測(cè)探頭時(shí)都可獲得相同的信號(hào)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(yīng)探頭，則需要大量探頭備件，因此，探頭通用性一直是評(píng)價(jià)檢測(cè)系統(tǒng)是否具有實(shí)用價(jià)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(cè)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(cè)靈敏度。
為此，這里扼要闡述線陣漏磁檢測(cè)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(cè)探頭部件系統(tǒng)的一致性、通用性和掃查靈敏度問(wèn)題。
一、探頭掃查路徑規(guī)劃
為實(shí)現(xiàn)對(duì)不銹鋼管缺陷的全覆蓋檢測(cè)，一般采用螺旋掃查技術(shù)對(duì)鋼管進(jìn)行檢測(cè)。此時(shí)，感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與缺陷走向之間會(huì)形成夾角0，如圖3-9所示，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可獲得感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為
式中，e為感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；f(nc,w,l)）為線圈結(jié)構(gòu)函數(shù)，和l分別為線圈的匝數(shù)、寬度和u長(zhǎng)度；Bmn為缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；v為感應(yīng)線圈掃查速度；0為感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與缺陷走向之間的夾角。
由式（3-20）可以得出，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與夾角0相關(guān)：當(dāng)感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與缺陷走向垂直時(shí)，即，感應(yīng)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值最大；當(dāng)感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與缺陷走向平行時(shí)，即，感應(yīng)線圈基本沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。
不銹鋼管漏磁檢測(cè)通過(guò)復(fù)合磁化方式實(shí)現(xiàn)對(duì)周、軸向裂紋的全面檢測(cè)，即軸向磁化檢測(cè)周向裂紋、周向磁化檢測(cè)軸向裂紋。根據(jù)感應(yīng)線圈敏感方向與裂紋走向夾角對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值的影響規(guī)律，即當(dāng)感應(yīng)線圈敏感方向與裂紋走向平行時(shí)，檢測(cè)信號(hào)幅值最高，周向、軸向裂紋感應(yīng)線圈的布置方式如圖3-10所示。
當(dāng)不銹鋼管做螺旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)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(shè)鋼管軸向運(yùn)動(dòng)速度為Va感應(yīng)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(yīng)線圈掃查軌跡與鋼管軸向夾角為0，軸向裂紋感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與軸向裂紋走向夾角為，周向裂紋感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與周向裂紋走向夾角為α2，軸向、周向裂紋漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為和Bco根據(jù)圖3-11所示幾何關(guān)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(yīng)線圈的漏磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸和，即：
從式（3-21）和式（3-22）可以看出，軸向裂紋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與sin0成正比，而周向裂紋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與cos0成正比。因此，為使軸向、周向裂紋感應(yīng)線圈均具有較高的檢測(cè)靈敏度，夾角0應(yīng)設(shè)計(jì)在合理的范圍內(nèi)。由于鋼管與軸向磁化場(chǎng)具有軸對(duì)稱性，高強(qiáng)度的軸向均勻磁化場(chǎng)更容易獲得，因此，在相同的條件下，周向裂紋漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B。比軸向裂紋漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B。更大。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，當(dāng)感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與鋼管軸線之間的夾角0保持在50°～60°范圍內(nèi)時(shí)，軸向、周向裂紋均能獲得較好的檢出性。
在生產(chǎn)制造過(guò)程中，不銹鋼管中存在的青線和內(nèi)螺旋會(huì)影響軸向、周向裂紋的相對(duì)檢出率，根據(jù)式（3-21）和式（3-22）可以得出，可以通過(guò)改變夾角0來(lái)調(diào)整軸向、周向裂紋的檢測(cè)靈敏度。為此，可以利用圖3-12所示的同步輸送對(duì)輥輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸送對(duì)輥輪固定于旋轉(zhuǎn)盤上，通過(guò)連接拉桿同步調(diào)整所有對(duì)輥輪組的角度，最終實(shí)現(xiàn)夾角0的連續(xù)調(diào)整。
二、線陣漏磁檢測(cè)直探頭
一般情況下，不銹鋼管漏磁檢測(cè)探頭由內(nèi)部多個(gè)感應(yīng)線圈組成。為使相同的缺陷漏磁場(chǎng)以任意路徑通過(guò)檢測(cè)探頭均可獲得相同的信號(hào)輸出，可采用傳感器線陣布置方式，使缺陷始終被一個(gè)或一個(gè)以上的檢測(cè)通道拾取，并且這種方法容易保證檢測(cè)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(cè)探頭布置方案，主要通過(guò)在鋼管周向布置傳感器陣列來(lái)實(shí)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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)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(duì)應(yīng)為弧形探頭和直探頭，其內(nèi)部傳感器單元總數(shù)量相等。弧形探頭一般應(yīng)用在鋼管直線前進(jìn)的檢測(cè)方案中，而直探頭必須要求鋼管做螺旋推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)更換被檢鋼管規(guī)格時(shí)，每種外徑規(guī)格鋼管需配置對(duì)應(yīng)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(dāng)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(zhǎng)度由4增加到。
進(jìn)一步分析不銹鋼管軸向裂紋檢測(cè)探頭布置方案，圖3-15a所示為目前常用的軸向裂紋檢測(cè)探頭布置方案，其在檢測(cè)區(qū)域中間位置對(duì)稱布置雙列直探頭。為滿足高速檢測(cè)的覆蓋率要求，需要設(shè)計(jì)更長(zhǎng)的探頭，此時(shí)，磁化均勻區(qū)軸向長(zhǎng)度為l1，周向范圍為β1。一方面，檢測(cè)探頭越長(zhǎng)，與之對(duì)應(yīng)的磁化均勻區(qū)軸向長(zhǎng)度l1越大，需要建立更大空間分布的均勻磁化場(chǎng)，磁化設(shè)備龐大。另一方面，由于鋼管本身存在直線度誤差，過(guò)長(zhǎng)的探頭與彎曲鋼管表面貼合狀態(tài)不佳，影響檢測(cè)穩(wěn)定性。
另一種方式為四個(gè)線陣漏磁直探頭的布圖3-14 周向裂紋檢測(cè)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(zhǎng)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(cè)設(shè)備更加緊湊。在相同的檢測(cè)速度和覆蓋率下，鋼管磁化均勻區(qū)軸向長(zhǎng)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(cè)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(wú)論哪一種方案，都需要鋼管與探頭之間形成相對(duì)螺旋掃描運(yùn)動(dòng)。
通過(guò)對(duì)比高速漏磁檢測(cè)探頭布置方案可以看出，沿周向均勻布置四個(gè)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(cè)要求，又實(shí)現(xiàn)了周向裂紋和軸向裂紋檢測(cè)探頭布置方式的統(tǒng)一，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
三、高速氣浮掃查方法與機(jī)構(gòu)
不銹鋼管在螺旋前進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生三個(gè)移動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如圖3-17所示。其中，鋼管軸向移動(dòng)v2和沿中心軸旋轉(zhuǎn)ω2共同組成鋼管螺旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，而其余四個(gè)自由度包括Ux、Vy、Wx和組成了不銹鋼管的跳動(dòng)和m擺動(dòng)。根據(jù)漏磁檢測(cè)的提離效應(yīng)可知，鋼管跳動(dòng)和擺動(dòng)造成的傳感器提離值變化會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)信號(hào)的一致性。為此，探頭系統(tǒng)必須具有多個(gè)自由度的隨動(dòng)跟蹤功能，以消除鋼管跳動(dòng)和擺動(dòng)帶來(lái)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)。整個(gè)隨動(dòng)跟蹤裝置安裝于數(shù)控進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，以滿足不同規(guī)格鋼管的徑向進(jìn)給需求。根據(jù)圖3-13b和圖3-15b所示四個(gè)直探頭布置方案，將探靴設(shè)計(jì)為弧形，其內(nèi)徑與鋼管外徑相同。當(dāng)鋼管發(fā)生跳動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)，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。弧形探靴與搖臂支架通過(guò)球鉸進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和ωy的隨動(dòng)跟蹤。搖臂在氣缸作用下在Oxy平面內(nèi)移xm動(dòng)，可滿足探靴對(duì)鋼管移動(dòng)自由度和的隨動(dòng)跟蹤要求。
為使漏磁檢測(cè)具有最大檢測(cè)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(shí)現(xiàn)主動(dòng)跟蹤。由于探靴和鋼管之間存在摩擦損耗作用，一般對(duì)探靴摩擦面進(jìn)行噴涂處理以延長(zhǎng)使用壽命，當(dāng)探靴涂層厚度損耗到一定值時(shí)進(jìn)行更換處理。
在高速漏磁檢測(cè)過(guò)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(shí)散發(fā)而使環(huán)境溫度升高，影響傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。為此，可采用一種高速氣浮掃查系統(tǒng)，對(duì)鋼管實(shí)現(xiàn)非接觸式主動(dòng)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(lái)消除接觸式摩擦作用，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的隨動(dòng)跟蹤。氣浮探靴在軸向方向均勻布置簡(jiǎn)單孔式節(jié)流器，壓力氣體通過(guò)節(jié)流孔后形成壓降，并在鋼管表面形成以扶正機(jī)構(gòu)支點(diǎn)為中心的對(duì)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(dāng)鋼管發(fā)生偏移時(shí)，如向左移動(dòng)，氣膜厚度hair會(huì)減小，從而氣流阻力增大，流速降低，使整個(gè)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(dòng)，并達(dá)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(shí)現(xiàn)探靴對(duì)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(duì)檢測(cè)信號(hào)基本沒(méi)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(lái)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(yīng)不銹鋼管高速高精度漏磁檢測(cè)。其中，周向、軸向裂紋漏磁檢測(cè)探頭布置方式、探頭掃查路徑以及氣浮跟蹤機(jī)構(gòu)可完全相同，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
