金属磁记忆检测技术的兴起与发展

任吉林,刘海朝,宋 凯

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063)



金属磁记忆检测技术的兴起与发展

任吉林,刘海朝,宋 凯

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063)

金属磁记忆检测技术可以用来检测铁磁金属构件上以应力集中为特征的危险区域，其可对受载铁磁构件的损伤进行早期诊断，预防灾难事故的发生。概述了金属磁记忆检测的原理和特点，分析了磁记忆检测的国内外研究现状，介绍了关于应力集中定量问题的几种计算算法和目前出现的几种新型磁记忆检测仪器和系统，并提出了目前磁记忆检测研究中亟待解决的关键性问题，以及磁记忆检测技术的未来发展方向。

磁记忆检测；铁磁构件；应力集中；早期诊断

金属磁记忆检测技术是一种绿色环保的无损检测新技术，其利用铁磁性金属材料的磁记忆效应来检测工件的应力集中部位和应力集中程度。该技术为工件中出现缺陷或者损伤的预诊断及使用寿命预测提供依据，进而能够保障在役工件的安全。金属磁记忆检测技术自诞生以来，受到了国内外业界人士的广泛关注，目前，在检测机理、试验研究、应力集中定量问题和工程应用等方面均取得了一定的研究成果。

基于金属磁记忆效应机理，分析了国内外相关领域的研究现状，探讨了金属磁记忆检测技术发展历程中的关键性问题，进而探索了磁记忆检测技术新型仪器的发展趋势，提出了目前磁记忆检测研究中亟待解决的关键性问题以及磁记忆检测技术的未来发展方向，以为金属磁记忆检测技术的深入研究及工程应用提供参考。

1 磁记忆检测技术的发展进程

1.1 磁记忆检测技术的兴起与进展

1994年，俄罗斯DOUBOV教授首次提出了金属磁记忆概念[1]。1998 年，在美国旧金山举行的第50届国际焊接学术会议上，以DOUBOV教授为代表的俄罗斯专家首次提出了“金属应力集中区-金属微观变化-磁记忆效应”相关学说，以及相应的一套全新的无损检测技术——金属磁记忆(Metal Magnetic Memory, MMM)技术[2]，在无损检测学界引起了强烈反响。此后，针对该项检测技术，俄罗斯联邦工程监督部门陆续通过了 30 多项指导性文件，如：pπ10-262-98，pπ153-34.1-17.421-98中含有《火力发电厂锅炉、汽轮机管道主要部件金属检测和延长使用寿命典型规程》，pπ03-380-00《储存可燃气体压力球罐和气罐检测规程》等，并相继在各工业部门得到应用[3]。2007年，18个IIW国际焊接学会会员国和超过10个ISO委员会国的肯定投票而批准了金属磁记忆检测法的国际标准ISO 24497《无损检测 金属磁记忆》等。

在对磁记忆检测技术的机理研究工作中，美国爱荷华州立大学的JILES专家对铁磁材料的力-磁效应做了深入研究，有力地促进了漏磁检测技术的发展。美国德克萨斯州的SABLIK通过建立力-磁效应的简单模型,计算了磁化率且得出磁畴壁不可逆偏转。1995年，JILE发表了一篇关于磁机械效应理论基础的文章，文章通过介绍试验中观察到的现象，定义了磁机械效应，提出了无磁滞磁化过程的接近定律，讨论了应力和磁化强度以及磁致伸缩的关系，建立了理论模型[4]。这些模型对以后应力与磁化强度关系的研究具有非常重要的意义。1996年，DEVINE和JILE在研究中发现，在拉应力或者压应力作用下时，磁化强度是以负值的变化量变化的，拉应力作用下比压应力作用下磁化强度的变化大，因为拉应力作用下无磁滞磁化强度增加，压应力作用下减小，并且碳的含量在很大程度上会影响磁机械效应的幅值[5]。2000和2001年，JILE等对外加扭矩作用下磁感应强度的变化以及磁机械效应和磁致伸缩两者间的关系进行了研究[6-7]。在测量研究磁致伸缩时发现，压磁系数在低磁场环境下决定着磁感应强度对扭矩的敏感程度。同时发现各向异性的磁致伸缩比决定着磁感应强度对应力的敏感程度。2001年，JILE等从能量以及磁畴的角度出发，建立了应力与磁特性的微磁模型[8]，通过模型研究了外应力作用下磁矩的变化规律。2002年，SUKEGAWA通过对带小孔的平板试件进行疲劳试验，研究了在没有磁场以及不同磁场作用下磁导率的变化规律[9]，波兰人KALETA通过对纯镍平板进行疲劳试验，在无磁场的情况下检测试件感生出来的磁信号的变化，得出了应力和磁场强度以及磁感应强度之间的关系[10]。2006年，英国人WILSON等在对磁记忆检测技术的应力检测研究中引入残余磁场技术。因为该技术包括了对磁场模式及其变化率的分析，对复杂试件的检测有很大的作用[11]。

1.2 磁记忆检测技术的国内外发展状况

在国内，自1999年俄罗斯DOUBOV教授在第七届全国无损检测学术年会暨国际学术研讨会上发表有关磁记忆检测技术的文章以来，很快引起我国无损检测界的重视，很多专家、学者及工程技术人员随即对该检测技术开展了深入的研究和探索。当年，东北电力科学研究院就从俄罗斯动力诊断公司购置了TSC-1M-4 型金属磁记忆应力检测仪，在电站锅炉管道检验中开始了国内首例金属磁记忆检测；2000年5月，林俊明等在西安热工院召开的火电厂寿命管理与延寿国际学术会议上发表了第一篇金属磁记忆文章[12]，并展示了由爱德森公司研发的我国第一台磁记忆诊断仪，并在电力、锅炉、航空、机械等领域开始了磁记忆检测技术的实际应用；同年12月，任吉林、林俊明等合作出版了首本关于金属磁记忆检测技术的专著[13]；2001年8月，由全国无损检测学会和国家质监局锅炉和压力容器检测研究中心主办，爱德森公司发起并协办了我国首届金属磁记忆检测技术学术研讨会，会议首次汇集出版了国内各工业部门与科研单位有关磁记忆检测技术的研究和应用成果。值得指出的是，从2003年起，一大批关于磁记忆检测方法的研究课题得到国家自然科学基金的资助。分别开展了“地磁场分布对磁记忆检测的磁场数值的影响”、“应力集中与金属磁记忆信号之间的关系及金属磁记忆信号特征”、“金属磁记忆信号的本质及对疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展寿命的影响”、“地磁场与应力集中导致的畸变磁场幅度之间的关系”、“应力集中和局部塑性变形与磁记忆信号变化的对应关系”、“疲劳裂纹尖端磁记忆信号梯度Kmax值和应力强度因子之间的关系”、“利用法向及切向分量实施磁记忆二维检测定量评价分析”、“基于金属材料内部磁畴演化模型的磁记忆定量评价分析”、“铁磁材料受应力作用时的磁化反转现象的磁记忆效应”、“高压管材料的冲蚀磨损的磁记忆在线检测”的研究，对磁记忆检测技术机理进行了探讨。到2010年5月，我国电力部门参照俄罗斯联邦国家及俄罗斯焊接学会标准CTPHTCO000-04《设备和结构焊接接头金属磁记忆方法》并结合我国电力行业实际应用情况，发布了电力行业磁记忆检测标准DL/T1105.4《电站锅炉集箱小口径接管座角焊缝无损检测技术 导则 第4部分 磁记忆检测》(亦是我国首个磁记忆检测标准)；更是为该项技术在我国的发展和应用起到了良好的推动作用。

2 磁记忆检测技术的原理、特点及应用

2.1 磁记忆检测技术的原理

铁磁构件受载后，会在应力集中区形成的过程中积聚很高的应力能。根据能量最小原理，为使构件中总自由能达到新的最小稳定状态，构件内部的磁畴必将在磁机械效应下做畴壁的位移以及不可逆的重新取向，以磁弹性能的增加来抵消增加的应力能。从而，铁磁构件内部将产生远远高于地磁场的磁场强度。由于铁磁构件内部有诸如位错内耗、粘弹性内耗等许多内耗效应存在，因此消除动态载荷后，之前加载过程中形成的应力集中区会被保留。同时由于磁机械效应引起的磁畴组织的重新定向排列也会保留下来，并在应力集中区形成类似缺陷漏磁场的分布形式，受载铁磁构件应力集中部位表面的漏磁场分布如图1所示，即磁场的切向磁信号Hp(x)具有最大值，法向磁信号Hp(y)改变符号且具有过零点。

这种磁性状态的变化是不可逆的，在工件不受其他载荷作用时会继续保留。因而，通过对漏磁场法向分量Hp(y)及切向分量Hp(x)的测定，便可以准确地推断工件的应力集中部位，从而对工件可能出现的早期损伤实施有效检测和评估。

图1 受载铁磁构件应力集中部位表面的漏磁场分布

2.2 磁记忆检测技术的特点及应用状况

金属磁记忆检测可以用来准确确定在役运行装备上正在形成或发展中的应力集中部位，对构件应力变形状态及程度进行评价，以便及时对构件可能出现早期损伤的部位进行强化处理或更换，或通过在设备或构件的疲劳试验中应力集中的部位进行评价，为疲劳分析、设备或构件定寿及设计改进发挥有效的先导作用。相对于其他无损检测方法，金属磁记忆检测技术具有众多优点，主要有：① 通过对在役构件的早期诊断，较为准确地评价设备的安全性；② 实时地进行在线检测；③ 不需对工件表面进行预处理且探头采用非接触方法，探头最大提离为150 mm；④ 提离效应影响小，检测灵敏度较高，测试结果重复性和可靠性好；⑤ 与漏磁检测相比，无需专门的磁化装置，设备体积小、轻、快，适合现场作业。

主要用途为：① 确定设备和构件的应力应变状态的不均匀性和应力集中区；② 确定在应力集中区的金属取样位置以评估金属结构状态；③ 早期诊断疲劳损坏和评估设备和构件的寿命；④ 利用与常规无损检测方法结合来减少检测成本与材料成本；⑤ 各种类型的焊接质量控制(包括接触焊与点焊)；⑥ 通过构件的不均匀性对新生产与在用的机械制造产品实施快速分类等。

3 磁记忆检测技术的研究现状

3.1 磁记忆检测机理研究的理论基础

3.1.1 磁记忆现象的产生

应力可造成材料的各向异性，使磁化强度垂直或平行于应力方向分布。使材料应力能取最小值的方向有两个，且互为反方向，磁化强度在这两个方向上的分布是等价的，也是随机的。原来在材料内三维空间随机分布的磁化强度，在应力作用下会变成二维或一维随机分布。尽管维数减少，但在任一方向上的磁化强度仍可相互抵消，所以对外并不显示磁性。为使材料产生磁记忆现象，需要改变材料磁特性的各向同性。最简单的方法是对材料施加一偏磁场进行极化，类似于压电材料的电极化一样。极化后的材料不再是各向同性，材料的压磁常数d中的各元素便不再全为零。此时，若将极化方向取作z方向(即33°方向)，则d具有如下简单形式[14]：

(1)

可见，偏磁场改变了材料的压磁性，其产生的材料的压磁场记作BT。故在外磁场(如地磁场)H存在条件下，当H≠0和d≠0时，BT≠0，该磁场泄漏到材料外面时，就成了“磁记忆”中的磁场,使d≠0。

地磁场的作用：改变材料的压磁性；地磁场在应力作用的最初阶段十分重要，它能够使应力在材料中激发出微弱的磁场，该磁场能起到“磁源”的作用，其一旦形成，便会因磁滞效应而随应力的反复作用逐渐增强，以致后来地磁场的作用甚至可以忽略不计，地磁场并非必不可少,地磁场能使多晶材料具有压磁性，这是产生磁记忆的必要条件；地磁场并非极化场,地磁场可作为极化场，但极化场并非一定就是地磁场，而应是工件中实际存在的磁场。

3.1.2 磁机械效应

应力对材料磁性能的影响，更多地被称为磁机械效应。虽然在磁机械效应理论中很少专门提及地磁场，但在磁机械效应中都存在外场。通过对磁机械效应的试验发现，在弱磁场条件下，应力引起的磁化强度的变化较大，但其变化的规律磁场与应力曲线(M-σ曲线)会保持不变，并且，当应力引起的磁化改变远远大于外磁场的磁化作用时，一般都会产生与磁记忆信号性质相同的特征[15]。地磁场一般为30～50 A·m-1，在严格意义上说不属于弱磁场，然而从工业检测中施加能量场的角度来说，地磁场又属于典型的弱磁场。磁记忆检测理论中强调了地磁场的作用，因此磁记忆检测方法从广义上说，属于稳恒弱磁场激励下的磁性无损检测方法。

JILE于20世纪90年代提出的接近定律,是关于磁机械效应理论研究中比较重要的研究成果，在弹性范围内建立了应力与磁化强度改变之间的关系。接近定律指出，虽然力-磁关系是一种复杂的多变量函数关系，决定铁磁材料力磁关系的因素很多，但在应力的作用下，铁磁体中剩余磁化状态会向无滞后磁化状态趋近。磁记忆效应和磁机械效应都是经过大量试验验证过的理论，尽管到目前为止，还未发现二者之间有明确的理论联系，但二者的物理本质是一致的。磁机械效应的相关发现及结论应当可以为磁记忆检测技术的深入研究提供理论和方法上的借鉴。

3.1.3 应力条件下磁场反转现象

在多项有关磁记忆检测的试验研究中，先后注意到铁磁材料受应力作用时的磁化反转现象，即磁记忆信号和应力之间的关系并非单调对应相关，而是在载荷作用初期，先保持增长趋势；当应力增加到某一阶段时，会呈现相反变化趋势，如由原来增加变为减小。这种应力作用时引起的磁化反转现象在弹性变形阶段就已经出现，会一直持续到塑性变形阶段[15]。

很多学者和研究人员针对地磁场条件下的磁记忆信号在应力作用下的变化情况,开展了大量试验研究工作后发现，涉及应力定量化评价问题的力-磁信号变化特征在试样承压后的过程中均有表现[15-17]。铁磁性试件承载后，试件表面磁信号随应力变化敏感，由初始磁化状态向应力条件下磁化状态转变的最大变化过程往往发生在初始载荷达到某一水平后。在弹性变形区域，磁记忆信号很大程度上依赖于初始残余应力状态。对于初始磁信号较小的试件，磁记忆信号加载应力后通常呈现平整的近似直线分布，此时磁记忆信号过零点位置往往能够较为准确预报最终断裂位置；但对于初始磁信号较大的情况(如未作退火和去应力处理的试件)，初始残磁信号较强，试件承载时，磁信号可能出现多处过零或没有过零点，此时磁记忆信号过零点和应力集中现象没有必然联系。因此，可以通过研究应力条件下的磁场反转现象来进一步探讨受载铁磁构件产生磁记忆效应的机理。但值得注意的是，虽然磁记忆信号的变化存在明确的应力磁化反转现象，其具体的变化情况却依材料成分、初始磁化状态、残余应力水平的不同而不同，即按照接近定律的描述，与材料本身初始磁化状态相对于无滞后磁化曲线的位置有关。

图2 二维磁记忆测量系统外观

3.2 磁记忆检测机理的试验研究

在磁记忆检测机理的试验研究方面，南昌航空大学研究团队[18-20]分别做了关于拉伸试验、疲劳试验以及相关的ANSYS仿真试验。试验中磁记忆数据的采集采用实验室自制的二维磁记忆测量系统，其外观如图2所示。该系统由高斯计、计算机、步进电机扫描系统及驱动电路组成。可用一个磁传感器测量法向分量Hp(y)及利用矢量法通过两个互相垂直放置在试件表面的磁传感器测量切向分量Hp(x)的最大值，并进行实时采集、保存和数据处理后实时显示扫描结果。

3.2.1 拉伸试验及ANSYS仿真

如对去应力退火的中心含圆孔Q235钢试件做拉伸试验，试验现场如图3所示。

图3 拉伸试验现场

图4 不同载荷下的试件表面应力分布云图

图5 不同应力下的磁场分布

试验中，设定不同载荷，并利用ANSYS软件进行加载条件下的有限元仿真，得到不同载荷作用下试件表面的应力分布云图(见图4)。然后在拉伸试验中同时对不同载荷下试件表面漏磁场信号进行测量，绘制不同载荷下的漏磁场法向、切向信号的磁场分布图(见图5)。再与不同载荷作用下试件表面应力分布云图对比，可以发现，利用二维磁记忆检测系统对试件测量线上的法向、切向磁信号进行测量得到的磁场分布图，与不同载荷作用下试件表面应力分布云图的应力集中部位有很好的对应。

3.2.2 疲劳试验及ANSYS仿真

疲劳试验的试块材料0CrMnSiNi2A的V型缺口平板，试验在室温环境下进行，漏磁信号的检测跟踪是从未加载直至断裂前的整个过程的磁信号变化，疲劳试验系统外观如图6所示。

图6 疲劳试验系统外观

图7 不同循环周次下的等效应力分布云图

疲劳试验后利用ANSYS软件对试件表面的应力集中情况进行仿真分析，得出在不同循环周次下试件表面的应力分布云图(见图7)。再将疲劳试验中同时对不同载荷疲劳循环周期下测量得到的试件表面漏磁场的法向、切向信号的磁场分布图(见图8)，与不同疲劳循环周期作用下试件表面应力分布云图进行对比，同样可见，利用二维磁记忆检测系统对试验试件测量线上的法向、切向磁信号进行测量得到的磁场分布图，与不同疲劳循环周期作用下试件表面应力分布云图的应力集中部位有很好的对应。

图8 不同疲劳周期下的法向和切向磁场的磁信号特征

3.3 磁记忆检测定量分析的研究

3.3.1 基于单一分量梯度变化的磁记忆分析方法

在采用该分析方法时，虽然由于检测过程或周围环境的干扰，通常会有一些附加噪声叠加在检测信号上，以致信号产生畸变，使得表征焊缝中焊接冷裂纹的特征信号淹没其中，给信号的识别带来困难。但可以采用一定的信号处理技术，将有效信号提取出来。其中，小波变换就是一种常用的信号分解和重构方法，对于信号降噪有着很好的效果。小波分析方法消噪的效果主要取决于阈值选择和所采用的小波函数。在对比分析不同小波分析方法的基础上使用非线性方法，选择db4小波基，分解层数为4层，阈值选择最优预测变量阈值Heursure阈值，然后对磁记忆信号进行处理，可使有用信号得以有效分离。原始信号中的无效部分会被剔除，削弱了原始信号中由于毛刺而引起的梯度变化，明显改善了小波降噪后试件表面的漏磁场梯度信号，使结果更加贴近于真实信号。

3.3.2 李萨如图判定方法

传统的磁记忆检测是单一研究法向分量特征值对应力集中部位进行判断，不仅容易出现漏检及误判现象，还不能对应力集中程度进行定量分析。引入切向分量，采用磁记忆二维检测方法对磁记忆检测进行研究。可通过李萨如图判定法对受载铁磁构件应力集中以及应力集中程度进行定量化评价分析。

李萨如图判定法是在进行拉伸试验时，用轴向探头提取被测试件在不同应力条件下的法向磁信号，再利用矢量合成原理将两个垂直放置的探头提取切向分量磁信号最大值，然后对法向分量磁信号与切向分量磁信号进行二维检测分析。

在进行磁记忆信号二维分析时，以法向分量为纵坐标及切向分量为横坐标绘制得到的二维检测曲线会是一个不闭合的不稳定类李萨如图[18]。其产生原因是实际检测过程中测得的法向分量分布值与理论上的法向分量,在非应力集中区域的位置不能像理论中漏磁场法向分量一样逐渐趋向于同一个稳定值，导致二维检测曲线图中法向分量分布的横坐标轴上起始的磁信号值和终止的磁信号不为同一个值，因此，得到的二维检测曲线是一个没有闭合的不稳定类李萨如图(见图9)，并难以为磁记忆二维检测的定量化提供可靠的数值分析依据。而由磁偶极子模型理论磁场的计算方法得知，磁信号反映的是应力集中区域自由漏磁场的积分场。可以考虑引用微分算法，对法向分量及切向分量分别进行微分，得到自由漏磁场微分后的梯度曲线，微分算法同时消除了初始磁信号的影响。然后将不同应力下法向分量微分后的梯度值K(y)作横坐标，切向分量微分后的梯度值K(x)作纵坐标绘制二维检测曲线，得到的图形会是一个稳定闭合的李萨如图(见图10)。分析不同载荷下的李萨如图可以发现，随着拉伸载荷的增大，合成的稳定闭合的李萨如图面积也随着增大，表明此时试件的应力集中程度随着载荷的增大而增大。可见，采用李萨如图判定法，用法向分量及切向分量微分后的梯度值联合绘制会得到封闭的李萨如图，该李萨如图面积的大小可为二维检测的定量化评价分析提供依据。

图9 磁信号法向切向分量合成的二维检测曲线

图10 不同应力下梯度合成的二维检测曲线

3.3.3 基于磁记忆检测的应力集中神经网络识别

人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)具有高度的非线性和容错能力,并且具有并行和分布式的特点，在模式识别、数据处理等领域应用广泛。装甲兵学院研究团队[24]尝试使用二维磁记忆信号特征参量构建神经网络来定量识别试样的应力集中程度。他们以42CrMo钢为试验材料，在疲劳试验状态下进行磁记忆检测试验，得到试块切口处磁场法向分量Hp(y)信号的峰-峰值ΔHp(y)和梯度变化值K，切向分量Hp(x)信号的峰值Hp(x)M和峰宽W等参量，并以这四个特征参量作为输入量搭建一个神经元数较少且识别精度较高的BP神经网络。

对该BP神经网络隐含层神经元传递函数选择一个S型正切函数：

(2)

并设输出层神经元的传递函数为S型对称函数：

(3)

按照Kolmogorov定理，使用traingdx训练函数对具有对应隐含层神经元个数的BP神经网络进行训练，根据训练结果选择隐含层神经元个数，然后依据梯度下降动量法、Levenberg-Marquardt反传算法和普通的梯度下降法三种算法进行训练，经过对比得出合适的算法，再进行计算并得出结果，最后对试样的应力集中程度进行识别，则可得到神经网络的训练及检测结果。

表1是选择L-M反传算法，采用107组有效的检测数据结果(其中分出53组作为训练样本，余下的54组数据作为检测样本)，然后对试样的应力集中程度进行识别，得到神经网络的训练及检测结果。结果表明:该方法精度较高，可以实现对应力集中程度的判定，具有一定的参考价值。

表1 BP神经网络的训练及测试结果

3.3.4 基于GGA和NCPP平面波算法建立磁记忆检测模型的研究

沈阳工业大学研究团队[25]利用固体能带理论建立磁记忆检测模型。采用量子力学GGA(Generalized Gradient Approximation)算法，研究磁记忆自发漏磁信号与应力集中的定量变化关系；并且在电子自旋体系中，计算不同掺杂元素对铁磁性构件磁特性的影响，进而分析不同构件在相同应力场作用下磁记忆信号的变化特征，对金属磁记忆现象做出定量分析。

该方法基于GGA算法建立α-Fe的磁力学计算模型，分别施加压力和拉力作用，使用GGA算法处理交换关联能，计算原子间波函数交叠程度变化规律及外力场作用和参杂作用对晶体结构、系统能量、磁性特性的影响，进而可分析磁记忆信号的特征。

刘斌等提出一种基于NCPP(Norm Conserving Pseudo-Potentiol)平面波算法磁记忆信号特征的研究方法[26]。该方法是利用量子力学的密度泛函理论，通过固体的能带结构建立磁记忆检测模型，然后采用NCPP算法，在全电子势情况下，研究磁记忆自发漏磁信号、外部载荷作用、晶体结构、原子磁矩之间的定量变化关系，分析磁记忆信号与应力的定量变化关系以及磁记忆信号在应力达到固体屈服强度时的信号变化情况。

根据电子能带理论，固体内微观粒子在不受力时排列具有严格的周期性，每一个晶格节点处于平衡状态；当外力作用时微观粒子排列周期性被破坏失去平衡状态，原子间由于弹性作用增强而产生相对位移，每个晶体节点的整体受力会使整体具有恢复到平衡状态的趋势，这时候的固体处于应力集中状态。固体能带结构和电子能量状态决定了固体的磁力学耦合特性。对于确定的晶体结构，可以通过计算能带的总能量来求解晶体的晶格常数，电子态密度，原子磁矩，进而研究磁记忆信号的变化。

3.4 磁记忆检测仪器的研究

随着磁记忆检测技术在理论基础研究上获得的突破,在检测仪器方面，亦在目前普遍应用的以判断法向分量Hp(y)是否过零为依据的仪器的基础上，开始依据二维磁记忆检测原理开发研制出不少新型的检测仪器，可望大大提高磁记忆检测的检测效率、准确度及可靠性。

3.4.1 基于单一法向分量分析的磁记忆检测仪器的开发

俄罗斯的TSC-IM4磁记忆检测仪就是传统的以判断受载铁磁构件表面漏磁信号的法向分量Hp(y)是否过零为依据的磁记忆检测仪,已在工程检测中得到广泛应用。在国内，目前比较成熟的有厦门爱德森公司的EMS系列磁记忆诊断仪。EEC/SMART-2005智能型电磁/超声多功能检测仪不仅能进行磁记忆检测，还能同时进行超声和其他电磁方法的检测。

3.4.2 基于法向与切向分量二维分析的磁记忆检测仪器的开发

南昌航空大学研究团队[27]依据铁磁构件应力集中部位存在漏磁信号切向分量最大与法向分量过零的原理，设计了以高灵敏弱磁传感器为核心的磁记忆二维检测仪，如图11所示。该系统主要由传感器、控制器、电源、附属电路、显示输出系统等几个部分组成。大量实践检验结果证明:该仪器可同时分析法向与切向信号，更准确地对构件应力集中部位进行诊断，可为进一步进行磁记忆二维检测定量分析提供有效的方法与技术支撑。

图11 磁记忆二维检测系统

3.4.3 基于嵌入式系统的磁记忆检测系统平台的开发

太原理工大学研究团队亦依据磁记忆二维检测原理,设计了可以实现触模屏和远程控制等多用途的新型嵌入式金属磁记忆检测仪器[28]。检测仪磁场信号数据采集界面如图12所示，横轴为切向分量Hp(x)，纵轴为法相分量Hp(y)，当被检测的铁磁构件存在缺陷时，曲线就会发生闭合。

图12 检测仪数据采集界面

仪器工作时，传感探头采集磁记忆信号后，可通过三种不同的方式反馈给用户，如图13所示。第一种是在现场，工作人员通过触摸屏直接获得所测的数据图像；第二种是通过GPRS模块DTU进行数据远程发送，然后经由远程接收数据；第三种是通过嵌入式服务器，经由网络，由智能手机或者PC机，通过网页获取现场采集的信号进行现场控制。

图13 检测仪电路框图

4 展望

近年来兴起的金属磁记忆检测技术，虽然问世时间不长，并且已经在理论分析、试验研究、仪器开发与工程应用中取得了阶段性的成果，但该项技术仍然存在不少问题有待解决，主要有：

(1) 地磁场的存在是否是诱发铁磁构件应力集中区形成表面漏磁场的必要条件。

(2) 影响磁记忆检测的主要因素有哪些,如何消除干扰提取有用信息。

(3) 磁记忆检测是判断应力集中部位的预诊断手段还是检测宏观缺陷的检测方法。

(4) 磁记忆检测如何对被检测对象的损伤情况进行定量化评价分析。

(5) 如何制定并完善能应用于工程实践的磁记忆检测的标准及规范。

也正是因为该技术发展时间不长，还不成熟，其理论基础与应用还有待进一步深入研究。综合来说，磁记忆检测技术的发展趋势主要有：

(1) 在已有的理论研究基础上，多学科、多角度地综合探讨研究磁记忆检测机理。并在大量试验研究的基础上，建立并获得共识的理论分析模型，在微观与宏观两方面建立起系统的磁记忆检测理论体系。

(2) 为全面评价磁记忆信号特征，研制开发三维高精度、多参量、多功能、智能化及与其他检测方法，如超声、涡流、漏磁等相结合的集成无损检测仪器。

(3) 通过对多维磁记忆信号与应力集中部位及应力集中程度之间的对应关系进行探讨分析，研究合理有效的多维磁记忆信号的数据处理分析模式，探索出表征应力集中程度的磁记忆信号特征量，为磁记忆检测的工程定量评价分析应用提供可靠的理论依据。

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The Rise and Development of Metal Magnetic Memory Testing Technology

REN Ji-lin, LIU Hai-chao, SONG Kai

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Metal magnetic memory testing technology can detect the danger zone characterized by the stress concentration in a ferromagnetic metal member. It can thus implement an early diagnosis of the damage for the ferromagnetic member and prevent disaster accidents. This article outlines the metal magnetic memory testing principles and characteristics, analyzes the research status of magnetic memory testing, introduces a quantitative problem of stress concentration on several computational algorithms and several new types of magnetic memory testing instruments and systems currently emerging, and presents the current research in magnetic memory testing key issues to be studied and the magnetic memory testing technology in the future development direction.

Magnetic memory testing; Ferromagnetic member;Stress concentration;Early diagnosis

2016-01-07

任吉林(1945-),男，教授，主要从事电磁无损检测技术的研究工作。

任吉林，E-mail: jlren@tom.com。

10.11973/wsjc201611002

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0007-09