脈沖渦流陣列缺陷成像檢測(cè)技術(shù)

王海濤，孫海龍，崔利東，張 穎，甄 理，王 平，田貴云，2

（1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.Newcastle University upon Tyne，Newcastle，UK）

脈沖渦流（Pulsed Eddy Current，簡(jiǎn)稱PEC）檢測(cè)技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是渦流檢測(cè)技術(shù)的一種新方法［1－3］。脈沖渦流的激勵(lì)電流為一個(gè)重復(fù)的寬帶脈沖，通常為具有一定占空比的方波。激勵(lì)線圈中的脈沖電流感生出一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流，此脈沖渦流向?qū)w試件內(nèi)部傳播，又會(huì)感應(yīng)出一個(gè)快速衰減的渦流磁場(chǎng)，隨著渦流磁場(chǎng)的衰減，磁傳感器上就會(huì)輸出隨時(shí)間變化的電壓。通過(guò)測(cè)量瞬態(tài)輸出電壓信號(hào)的變化大小，就可以得到有關(guān)缺陷的尺寸、類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息［4］。

成像檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一［5］。成像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以直觀地觀測(cè)到被檢測(cè)物體的缺陷位置及缺陷的大小［6－7］，這樣不僅提高了檢測(cè)人員的工作效率，更大大促進(jìn)了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用普及。設(shè)計(jì)了一套脈沖渦流陣列檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋁合金試件的缺陷進(jìn)行了初步的成像處理。

1 脈沖渦流陣列探頭設(shè)計(jì)

陣列探頭中每個(gè)單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示，單元由鐵氧體磁芯、激勵(lì)線圈和霍爾元件組成，實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

為了驗(yàn)證探頭的可靠性，將圖2所示三個(gè)單元探頭分別放置在試件的缺陷、缺陷邊緣和無(wú)缺陷處。試件缺陷寬2mm，深度分別為2，4，6和8mm。其中陣列探頭中單元1放置在了缺陷處，單元2放置在了缺陷邊緣，單元3放置在了無(wú)缺陷處。圖3 為3個(gè)單元差分信號(hào)時(shí)域檢測(cè)結(jié)果截圖，圖4為3個(gè)單元差分信號(hào)頻域檢測(cè)結(jié)果截圖。從兩圖中可以發(fā)現(xiàn)，單元1能很好地檢測(cè)到缺陷變化的情況，而處在缺陷邊緣的單元2和處在無(wú)缺陷處的單元3所采集的信號(hào)很難在時(shí)域進(jìn)行區(qū)分；但是從頻域信號(hào)的對(duì)比來(lái)看，單元2在缺陷邊緣處采集的信號(hào)頻譜分離點(diǎn)要明顯大于單元3的頻譜分離點(diǎn)。

在3個(gè)檢測(cè)單元線陣探頭的基礎(chǔ)上又制作了4×4面陣探頭，探頭實(shí)物如圖5。圖6為面陣探頭在無(wú)缺陷鋁合金試件上產(chǎn)生的16路信號(hào)。從中發(fā)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)存在明顯的失真，特別是位于正中間的4個(gè)探頭，信號(hào)波形與四周探頭信號(hào)存在明顯的差異。信號(hào)失真的原因是由于面陣探頭排列使得探頭和探頭之間的互感干擾比線陣探頭要嚴(yán)重得多。信號(hào)由于互感影響產(chǎn)生了畸變，嚴(yán)重影響了檢測(cè)的精確度和準(zhǔn)確度，所以必須消除探頭之間互感的影響。

為了消除脈沖渦流陣列探頭之間的互感影響，考慮用高導(dǎo)磁材料制作屏蔽罩來(lái)屏蔽互感的影響。為了驗(yàn)證這種方法的可靠性，采用電磁仿真軟件Comsol進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

從圖7和圖8對(duì)比來(lái)看，在相同電流密度的情況下，帶有屏蔽罩的探頭溢出探頭的磁感應(yīng)線明顯少于不帶屏蔽罩的探頭，并且?guī)в衅帘握值奶筋^產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于不帶屏蔽罩的探頭。由此可知，當(dāng)探頭加有屏蔽罩時(shí)，可以削弱探頭之間的互感，且相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度可由更小電流密度獲得，減少了線圈的發(fā)熱量，使探頭在工作時(shí)更加穩(wěn)定。

根據(jù)仿真試驗(yàn)得到的結(jié)論，采用相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)到10 000的工業(yè)純鐵制作了高導(dǎo)磁屏蔽罩，圖9為重新制作的帶有屏蔽罩的4×4脈沖渦流陣列探頭。圖10為帶有屏蔽罩時(shí)4×4陣列探頭產(chǎn)生的真實(shí)信號(hào)。從圖6和圖10的對(duì)比中可以看出，在加入屏蔽罩后，陣列探頭每個(gè)單元信號(hào)之間的互感影響基本消失，每個(gè)單元產(chǎn)生的波形趨近一致。可見(jiàn)屏蔽罩的加入可使各單元的檢測(cè)精度與靈敏度大大提高，同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明了仿真試驗(yàn)分析的正確性。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖11為系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)硬件試驗(yàn)平臺(tái)主要由脈沖信號(hào)發(fā)生模塊、Hall傳感器探頭、被檢試件、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集模塊五個(gè)部分組成。

圖11 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)

其中每個(gè)脈沖渦流探頭的外徑為10mm，內(nèi)徑為5mm，激勵(lì)線圈用0.2mm 的漆包線纏繞了200圈，選用的磁敏元件為3503霍爾元件。試驗(yàn)中使用的信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為DF1440，激勵(lì)頻率為100Hz，發(fā)射占空比為50%的方波。功率放大器為Newtons LPA05B，其頻帶范圍可達(dá)到1Hz～1MHz，最大輸出功率為90 W。放大電路由DA620儀用放大器組成。數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為DAQ2010，其最高采樣頻率可達(dá)2 MHz。對(duì)于軟件部分，前期靜態(tài)試驗(yàn)采用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集以及分析處理，后期實(shí)時(shí)掃描成像試驗(yàn)采用可并行處理的LabVIEW 軟件進(jìn)行缺陷的實(shí)時(shí)成像處理。

3 陣列探頭信號(hào)及其成像處理

圖12為試驗(yàn)中所使用的帶有十字叉缺陷的鋁合金試件，圖13為16個(gè)探頭放置在缺陷上的示意圖。圖中第3，6，7，8，11探頭放置在了缺陷上，其他探頭處在試件的無(wú)缺陷處。

對(duì)于采集到的16個(gè)探頭信號(hào)，首先利用數(shù)字濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行了降噪及差分處理［1］，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)缺陷信號(hào)和無(wú)缺陷信號(hào)進(jìn)行了識(shí)別，從而去除了無(wú)缺陷信號(hào)的影響，只對(duì)缺陷信號(hào)提取特征值。圖14為處理之后的脈沖渦流陣列差分信號(hào)，提取差分信號(hào)的峰值［2］作為缺陷成像的特征值，圖15為根據(jù)提取的特征值對(duì)缺陷成像結(jié)果。

在16探頭靜態(tài)成像取得一定成果的情況下，采用4探頭陣列對(duì)圖12的十字叉鋁合金試件進(jìn)行了掃描成像。為了達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)和并行處理，軟件部分采用圖形化編程LabVIEW 軟件來(lái)完成。圖16為編制的軟件界面和4探頭對(duì)十字缺陷的掃描結(jié)果。

圖16 軟件界面及4探頭動(dòng)態(tài)掃描成像結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)脈沖渦流陣列的試驗(yàn)系統(tǒng)組成及其對(duì)缺陷成像的初步研究結(jié)果表明，試驗(yàn)是成功的。但是從成像結(jié)果來(lái)看，單一的特征值并不能實(shí)現(xiàn)缺陷成像的定量顯示，只能作為缺陷有無(wú)的定性檢測(cè)。在下一步應(yīng)著重研究不同特征值對(duì)缺陷屬性的反應(yīng)程度，以提取出更合適的特征值，提高成像檢測(cè)的精確度。

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