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user: 3. 结果和讨论 3.1. 人工表面裂纹手推式信号比较 手推实验中，直流漏磁检测激励电压为20 V，交流漏磁检测激励电压经功放放大后输出幅值为20 V， 图2. 手推式检测实验系统示意图 图3. 人工表面裂纹试件示意图 激励频率为100 Hz，两种检测方式提离均为0.2 mm，巡检速度均为0.3 m/s左右，采集卡采样率均为100 K/s。 提取人工表面裂纹试件2~6号5条深度依次增加的裂纹作对比分析，其中X方向信号较好，图6所示为交直流漏磁表面裂纹手推式检测X方向信号对比图，从图中可知，两种检测方式均能识别出5条裂纹信号，但是直流漏磁检测信号稳定性不高，不能将缺陷信号幅值和实际缺陷尺寸对应上；而交流漏磁检测信号稳定性好，能将缺陷信号与实际缺陷一一对应上。可知，针对手推式表面裂纹的检测，交流漏磁检测比直流漏磁检测方式更合适。 3.2. 高速转台表面裂纹信号比较 高速转台表面裂纹信号比较分为低速状态和高速状态两种情况，实验参数如下：直流漏磁检测激励 Table 1 The defects parameters of artificial surface crack 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 深度/mm 0.2 0.35 0.5 0.75 1 3 0.5 0.5 0.5 0.5 宽度/mm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 表1. 人工表面裂纹试件缺陷参数表 Table 2 The artificial surface cracks parameters of high speed rotation trac 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 深度/mm 4 4 4 4 2 6 8 4 4 4 4 4 4 4 4 宽度/mm 0.2 0.6 0.8 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 水平角/˚ 90 90 90 90 90 90 90 75 60 45 30 90 90 90 90 垂直角/˚ 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 75 60 45 30 序号 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 深度/mm 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 宽度/mm 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 水平角/˚ 60 45 45 60 90 90 90 90 90 45 45 45 45 45 垂直角/˚ 60 60 45 45 90 90 90 90 90 45 45 45 45 45 表2. 高速转盘轨道人工表面裂纹参数表 图4. 高速转台实验系统框架 图5. 人工表面裂纹试件示意图 图6. 交直流漏磁表面裂纹手推式检测信号对比图 电压为20 V，交流漏磁检测激励电压经功放放大后输出为20 V，低速激励频率为1 KHz，高速激励频率为5 KHz，两种检测方式提离均为2 mm，采集卡采样率均为100 K/s。 3.2.1. 低速实验 低速实验在高速转盘实验平台上完成，当转盘线速度低于5 m/s时，进行实验并采集信号，低速下激励频率选择1 KHz。图7所示为巡检速度为1 m/s时，直流漏磁检测和交流漏磁检测X方向的信号的对比图。实验结果显示，在低速条件下，直流漏磁检测方法能够实现对钢轨表面裂纹的有效检测，能够识别出全部裂纹缺陷，并能通过缺陷信号分析出裂纹的某些特征性质，但是信号的噪声稍大，并且整个信号基准线不平稳，一个周期内信号有上下波动的情况；交流漏磁信号能够达到对全部缺陷的检出和通过信号判定缺陷特征的要求，比如5~7号缺陷能够判断出缺陷的深度。并且整个周期内信号平稳，信号噪声小。并且整个周期内信号平稳，信号噪声小。 本文需要通过数据分析精确比较出低速条件下直流漏磁与交流漏磁检测的优劣，本文提出通过计算检测系统对缺陷的分辨率来精确对比分析两种检测系统信号的好坏。系统对缺陷分辨率的计算原理如图8所示，选择两条不同深度的垂直缺陷作为分析对象，缺陷深度分别为 x 1 ， x 2 。经过系统检测后，输出的缺陷信号幅值分别为 y 1 ， y 2 。在实验条件保持严格一致的情况下，对这两条缺陷进行多组重复检测实验，求出多组试验下两条缺陷信号的标准不确定度的 Δ y 1 、 Δ y 2 ，取最大值 M a x ( Δ y 1 ， Δ y 2 ) ，这个值就是系统能分辨出来的最小缺陷深度对应的信号幅值。因此系统对缺陷深度的分辨率可表示为， σ = M a x ( Δ y 1 ， Δ y 2 ) | y 2 − y 1 | × ( x 2 − x 1 ) (1) 通过计算系统对缺陷深度的分辨率来准确地比较分析交直流漏磁检测系统在转台低速检测条件下的 图7. 交直流漏磁表面裂纹高速转台低速下检测信号对比图 优劣性。提取5号裂纹(垂直深度2 mm)和7号裂纹(垂直深度8 mm)作为分析对象，直流漏磁和交流漏磁分别进行3组重复试验，为了增加数据的说服性，分别进行了1 m/s、2 m/s、3 m/s三种速度下的实验和分辨率计算，实验结果如图9所示。 根据系统分辨率计算公式(1)和表3中的实验数据，可计算得到直流和交流漏磁检测系统对缺陷深度的分辨率。计算结果如下： 图8. 系统对缺陷的分辨率计算原理图 图9. 不同转速下交直流漏磁信号幅值对比图 Table 3 The data analysis for solution of DC MFL and AC MFL syste (a) 1 m/s速度下直流漏磁检测系统分辨率分析数据表 缺陷序号 5号缺陷(2 mm) x1 7号缺陷(8 mm) x2 第1次幅值(mV) 109 818 第2次幅值(mV) 172 801 第3次幅值(mV) 176 640 平均值(mV) 152 753 标准不确定度Δy (mV) 22 57 (b) 1 m/s速度下交流漏磁检测系统分辨率分析数据表 缺陷序号 5号缺陷(2 mm) x1 7号缺陷(8 mm) x2 第1次幅值(mV) 23.9 39.6 第2次幅值(mV) 24.2 42.1 第3次幅值(mV) 24.9 42.9 平均值(mV) 24.3 41.5 标准不确定度Δy (mV) 0.3 1.0 (c) 2 m/s速度下直流漏磁检测系统分辨率分析数据表 缺陷序号 5号缺陷(2 mm) x1 7号缺陷(8 mm) x2 第1次幅值(mV) 154 827 第2次幅值(mV) 152 825 第3次幅值(mV) 160 876 平均值(mV) 155 842 标准不确定度Δy (mV) 2.5 16.7 (d) 2 m/s速度下交流漏磁检测系统分辨率分析数据表 缺陷序号 5号缺陷(2 mm) x1 7号缺陷(8 mm) x2 第1次幅值(mV) 20.1 49 第2次幅值(mV) 21.4 45.3 第3次幅值(mV) 23.65 42.9 平均值(mV) 21.7 45.7 标准不确定度Δy (mV) 1.1 1.8 (e) 3 m/s速度下直流漏磁检测系统分辨率分析数据表 缺陷序号 5号缺陷(2 mm) x1 7号缺陷(8 mm) x2 第1次幅值(mV) 160 854 第2次幅值(mV) 163 874 第3次幅值(mV) 176 877 平均值(mV) 167 868 标准不确定度Δy (mV) 5 7.7 (f) 3 m/s速度下交流漏磁检测系统分辨率分析数据表 缺陷序号 5号缺陷(2 mm) x1 7号缺陷(8 mm) x2 第1次幅值(mV) 15.1 45.8 第2次幅值(mV) 20.5 40.4 第3次幅值(mV) 21.7 39.7 平均值(mV) 19.1 41.95 标准不确定度Δy (mV) 2.05 1.9 表3. 直流与交流漏磁检测系统分辨率分析数据表 1 m/s速度下时：直流漏磁检测系统对缺陷深度的分辨率为0.57 mm；交流漏磁检测系统对缺陷深度的分辨率为0.34 mm。 2 m/s速度下时：直流漏磁检测系统对缺陷深度的分辨率为0.15 mm；交流漏磁检测系统对缺陷深度的分辨率为0.44 mm。 3 m/s速度下时：直流漏磁检测系统对缺陷深度的分辨率为0.07 mm；交流漏磁检测系统对缺陷深度的分辨率为0.53 mm。 从分辨率计算可知，1 m/s速度下，交流漏磁比直流漏磁检测裂纹缺陷的分辨率更高；在2 m/s和3 m/s速度下，直流漏磁比交流漏磁检测裂纹缺陷的分辨率更高。 通过信号图以及系统分辨率分析比较可知，两种方法都能有效识别出全部裂纹缺陷，交流漏磁信号比直流信号更平稳，直流漏磁检测系统对缺陷分辨率随速度增大而增大。在巡检速度小于2 m/s的低速条件下，交流漏磁比直流漏磁检测裂纹缺陷的分辨率更高，而在巡检速度大于等于2 m/s的条件下，直流漏磁比交流漏磁检测裂纹缺陷的分辨率更高。因此在检测速度小于2 m/s的低速时，交流漏磁比直流漏磁对缺陷检测更合适。 3.2.2. 高速实验 为了进一步验证速度大于2 m/s时交直流漏磁检测信号变化趋势，比较分析了高速条件下的交流和直流漏磁检测信号。提取一组高速下的实验数据作对比分析，图10所示为巡检速度为40 m/s时，直流漏磁检测和交流漏磁检测X方向的信号的对比图。实验结果表明，在高速条件下，直流漏磁检测方法能够实现对钢轨表面裂纹的有效检测，不仅能够识别出高速转盘上全部19条单独裂纹和2组密集裂纹带，还能得到显著的反映裂纹特征性质的幅值信号和特征信号，缺陷信号与实际缺陷一一对应。而在使用交流漏 图10. 交直流漏磁表面裂纹高速转台高速下检测信号对比图 磁检测方法时不能识别出全部的裂纹缺陷，同时分辨率低。 从国内外现有的研究成果可知，直流漏磁检测裂纹缺陷，信号幅值会随着巡检速度提高而增大，本次实验结果符合理论结果，信号能全面准确地识别出裂纹，并且比低速下幅值大。而交流漏磁检测随着速度的提高，对交流激励频率的要求增加，同时采样频率也要相应加大。一方面由于集肤效应的存在，随着激励频率增大磁场对工件的渗透深度随之减小，而表面裂纹对深度较为敏感，漏磁信号会相应减弱；另一方面，硬件设备中采集卡的采样频率有限，一些缺陷信号不能在载波上完整地被记录，结合因集肤效应引起的漏磁信号减弱，导致一部分缺陷不能在高速下被交流漏磁方法检出。同时，高频率下信号处理难度也加大，解调后的交流信号不能完全分辨出缺陷。结合低速交流漏磁信号可知，在高速下，交流漏磁检测的缺陷信号会变得更差，甚至不能识别出缺陷，因此可知交流漏磁检测的系统对缺陷分辨率随速度增大而减小。所以，直流漏磁检测比交流漏磁检测更适合高速情况下的钢轨裂纹检测。 通过手推实验、转台低速实验和转台高速实验的分析，结合直流漏磁检测和交流漏磁检测的速度效应可知，能够初步找到一个速度分界值，当检测速度小于这个值时，交流漏磁比直流漏磁对缺陷检测更合适；当检测速度大于这个值时，交流漏磁比直流漏磁对缺陷检测更合适。