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主要作者与研究机构及发表信息
本研究的主要作者包括欧阳正宇（Zhengyu Ou）、舒志浩（Zhihao Shu）、何天运（Tianyun He）、徐成（Cheng Xu）、岑吉松（Jisong Cen）和韩赞东（Zandong Han）。他们分别隶属于清华大学机械工程系以及清华大学清洁高效涡轮机械动力设备国家重点实验室。该研究于2024年11月26日被接受，并将在《无损检测与评估国际期刊》（NDT&E International）上发表，DOI为https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2024.103284。
学术背景与研究目标
本研究属于无损检测（NDT, Nondestructive Testing）领域，特别是针对气体管道内表面（ID, Inner Diameter）和外表面（OD, Outer Diameter）缺陷的检测方法开发。目前常用的检测技术如涡流检测（ECT, Eddy Current Testing）和磁通漏检测（MFL, Magnetic Flux Leakage）在低压气体管道中表现不佳，难以满足实际需求。因此，研究团队提出了一种基于弱偏置磁化的动态磁导率测试方法（DPT, Dynamic Permeability Testing），旨在解决现有技术在低磁场饱和条件下的局限性。该方法通过使用带有交流线圈和磁芯的差分探头，感应由缺陷引起的物理量变化，从而实现对管道内外缺陷的检测和区分。
研究流程与实验设计
本研究的工作流程包括以下几个关键步骤：
1. 理论分析与建模
研究团队首先对检测原理进行了详细分析，建立了交流线圈的阻抗模型。该模型考虑了直流偏置磁场和小交流电磁场的共同作用，并通过动态磁导率（𝜇d）和电导率（𝜎）的变化来描述缺陷对检测信号的影响。此外，团队还开发了一个用于模拟小交流电磁场的仿真模型，进一步验证了理论模型的可靠性。
实验系统搭建
实验系统包括一个U形磁化装置、磁化线圈、检测探头和信号处理仪器。磁化线圈具有500匝，由直流电源供电，磁化气隙和探头提离高度分别为1毫米和0.2毫米。检测探头采用差分结构，包含两个线圈和磁芯，以减少共模干扰和信号漂移。信号处理仪器通过差分放大、带通滤波和相敏检测等步骤，将检测信号转化为可测量的电压信号。
样本制备与实验设置
实验对象为尺寸为500×100×8毫米的钢板，其表面加工有不同长度、宽度和深度的缺陷，用以模拟管道内外表面的缺陷。实验中使用的磁化电流范围为1.5至4安培，检测频率为20 kHz。所有参数均经过多次测量以确保数据的可靠性。
数据分析与验证
数据分析包括对检测信号的波形特征进行提取和比较，特别是电阻（R）和电感（L）的变化率（𝛿𝑅 和 𝛿𝐿）。这些变化率通过相敏检测电路解调为直流电压信号（𝑈r 和 𝑈x），并进一步用于缺陷类型的识别和定量分析。
主要结果与讨论
1. 仿真与实验结果对比
仿真结果显示，内表面缺陷的检测信号呈现双峰特征，而外表面缺陷的信号则表现为单峰特征。实验结果与仿真结果高度一致，验证了所提出的DPT方法的有效性。例如，在磁化电流为0.3安培、缺陷尺寸为30×3×3毫米时，内表面缺陷的信号波形在扫描距离范围内表现出明显的双峰特征，而外表面缺陷的信号波形则呈现单一峰值。
信号衰减特性
研究团队对比了DPT方法与传统ECT和MFL方法的信号衰减特性。结果表明，ECT方法由于趋肤效应，外表面缺陷信号强度仅为内表面缺陷信号的2%，几乎无法检测到外表面缺陷。MFL方法虽然信号衰减较ECT稍好，但外表面缺陷信号仍仅为内表面缺陷信号的14%。相比之下，DPT方法的外表面缺陷信号强度保留了内表面缺陷信号的28%，表现出最小的信号衰减。
缺陷深度与信号强度的关系
实验进一步探讨了磁化电流和缺陷深度对检测信号强度的影响。结果表明，随着磁化电流的降低，信号强度逐渐减弱，但对于壁厚40%的深缺陷，即使在2安培的磁化电流下仍可检测到；而对于壁厚30%的浅缺陷，则需要3安培的磁化电流才能有效检测。这表明DPT方法在低磁场饱和条件下具有较高的检测灵敏度。
研究结论与意义
本研究成功开发了一种基于弱偏置磁化的动态磁导率测试方法（DPT），并证明了其在气体管道内外表面缺陷检测中的优越性。与传统ECT和MFL方法相比，DPT方法具有更高的信号保真度和更低的信号衰减率，能够在低磁场饱和条件下有效检测外表面缺陷。此外，该方法所需的拖曳力较小，适合应用于小直径、低压铁磁性管道的内部检测。
从科学价值来看，本研究填补了低磁场饱和条件下管道缺陷检测的技术空白，并为动态磁导率测试方法的理论建模和实验验证提供了重要参考。从应用价值来看，DPT方法可以显著提高气体管道检测的效率和准确性，为工业安全提供技术支持。
研究亮点
1. 创新性检测方法
DPT方法结合了弱偏置磁化和动态磁导率测试技术，解决了传统方法在低磁场饱和条件下的局限性。
高效的信号处理技术
研究团队开发了基于相敏检测的信号处理算法，能够准确提取电阻和电感的变化率，从而实现缺陷类型的快速识别。
广泛的适用性
DPT方法不仅适用于气体管道，还可扩展应用于其他铁磁性材料的缺陷检测，具有重要的推广价值。
其他有价值内容
研究团队还探讨了磁化电流对检测性能的影响，并提出了优化建议。例如，适当增加磁化电流可以提高信号强度，但需注意避免过度磁化导致的信号失真。此外，团队指出，未来可以通过引入人工智能算法进一步提升DPT方法的自动化水平和检测精度。