鋼板表面球形孔電磁超聲檢測信號特性分析

王 麗，武新軍，汪玉剛

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

鋼板表面球形孔電磁超聲檢測信號特性分析

王 麗，武新軍，汪玉剛

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

針對儲罐底板表面腐蝕坑類缺陷定量化檢測的技術難點，利用電磁超聲非接觸、無需耦合劑的特點，采用自行研制的表面波傳感器對鋼板表面模擬腐蝕缺陷的球形孔進行掃查檢測實驗，詳細討論檢測信號特性，并提出利用信號衰減起始點對鋼板表面球形孔的截面直徑進行缺陷信息反演的方法。結果表明：球形孔掃查檢測信號呈現共同的特征，對球形孔在鋼板表面的截面直徑進行反演的相對誤差在17%以內，且信號直線衰減部分的斜率隨孔深度的增大而單調增大。該結果有望為腐蝕坑類缺陷定量評判提供新的特征量。

電磁超聲；球形孔；掃查檢測；信號特性；定量評判

0 引 言

超聲波探傷是鋼板表面檢測的主要手段之一，隨著工業技術的發展，超聲檢測不僅需要判斷缺陷的有無，實現缺陷信號的定量評價也至關重要。對缺陷的定量檢測需根據獲取的檢測信號特性反演缺陷信息，但影響檢測信號的因素很多[1]，分析檢測信號特性逆向推斷缺陷信息給出定量解釋是無損檢測領域的技術難點及研究熱點。

基于壓電超聲技術，利用缺陷反射回波進行信息提取是常用的測量分析方法[2-3]。Cooper等[4]則通過激光檢測技術同時從時域和頻域上進行分析。也有學者以反射透射比等來評價裂紋的深度[5-6]?；谘苌洳ǖ亩它c衍射波法是當前測定缺陷深度的熱門技術，在表面開口裂紋甚至帶包覆層的金屬表面裂紋中均有應用[7-8]。除以上運用超聲反射波、透射波和衍射波的方法外，近年Edwards等[9]提出了一種裂紋類缺陷定量分析的新方法，利用近距離檢測時超聲信號干涉增強的幅度與缺陷深度的關系對缺陷做定量評判。

上述研究中檢測的缺陷類型多為裂紋、刻槽結構，對鋼板腐蝕坑類缺陷的定量檢測報道則相對較少。電磁超聲檢測技術相對于傳統的壓電超聲，是一種非接觸的換能方式[10]，檢測時可以排除耦合劑對檢測信號的影響。本文基于電磁超聲檢測技術，使用自行研制的表面波傳感器，對模擬腐蝕坑類缺陷的球形盲孔進行了透反射結合的線掃查檢測實驗并對檢測信號特性作了詳細分析。

1 實 驗

1.1 電磁超聲表面波傳感器

實驗所用的電磁超聲表面波傳感器結構如圖1所示，包括激勵和接收兩個單元，屬一發一收的傳感器模式，兩單元的中心間距為80mm。激勵與接收單元均由回折線圈和提供垂直磁場的永磁鐵組成，該結構能有效激發能量集中且指向性較好的電磁超聲表面波。

此傳感器主要針對厚度大于8 mm的鋼板表面缺陷檢測，采用的激勵頻率為1.5MHz。為了方便掃查檢測，在傳感器的底部設計安裝了6個微型萬向球，使該傳感器可在鋼板上沿任意方向運動。綜合考慮傳感器的換能效率以及傳感器在鋼板上的運動可靠性，傳感器線圈距鋼板表面的距離約為1.5mm。

1.2 檢測平臺與實驗

采用如圖2所示的檢測平臺，主要由用于精確控制傳感器位置的三坐標工作臺、信號發生器、功率放大裝置、電磁超聲表面波傳感器、信號放大濾波裝置以及示波器等組成。示波器中的數據最終經存儲器導入計算機中進行處理。實驗所用試件為長1210mm、寬510mm、厚8mm的鋼板，采用φ25mm的球頭銑刀在鋼板表面不同位置處分別加工深度為板厚20%、40%、60%和80%的4個球形盲孔，隨著盲孔深度的增大，其在鋼板表面的截面直徑也在增大。

圖1 電磁超聲表面波傳感器

圖2 球形孔掃查檢測實驗裝置圖

安放傳感器時使球形孔的鋼板表面截面中心與表面波聲束軸線重合，以此聲軸線為x軸并假定被測缺陷中心為零點，x軸的正向見圖2標示。實驗開始時傳感器接收單元與激勵單元中心位于球形孔的同一側且分別處于120 mm和200mm位置處，保持傳感器放置方位不變并使其沿聲軸線即x軸負向以一定步距作直線掃查檢測，每移動一個點，記錄下該檢測點的接收信號，直至接收單元中心運動至-50mm位置處。傳感器的直線運動由電機通過絲杠帶動工作臺的運動部位實現，該運動部位以點動或連動的方式推動傳感器在鋼板表面移動，其運動步長準確度可達0.005mm。推動過程中通過觀察超聲信號幅值變化確定運動步距，此實驗使用的最大步距為5mm，最小為0.5mm。而由于電機開停等因素影響，實際移動距離與所設定的移動步距存在誤差，因此該工作臺安裝有光柵尺位置測量裝置，以精確讀取工作臺運動部位的實際位置。

2 檢測信號分析

整個實驗經歷了脈沖反射法檢測到透射法檢測的過程，兩種方法對應的典型檢測信號如圖3所示。可以看到由于激勵單元與接收單元之間的距離一定，通過信號出現的時間始終保持不變，并且兩單元之間80mm的距離確保了電磁脈沖干擾與通過信號無時域上的重疊，便于提取通過信號的幅值。脈沖反射法檢測時，深80%的球形孔缺陷信號清晰可見，透射法檢測深20%球形孔時，通過信號幅值明顯有所減小。

圖3 兩種檢測方法對應的檢測信號

提取每個檢測點接收的通過信號峰峰值，得到如圖4所示的峰峰值與接收單元中心所處位置對應的關系圖?？梢?，4個深度的球形孔檢測結果有著相同的信號特征，在傳感器距缺陷較遠的位置處信號大小保持在一個較穩定的值上。隨著檢測距離的減小，在某一位置處通過信號開始基本呈直線衰減，直至接收單元中心越過球形孔中心后，信號達到最小值，緊接著信號略有上升最終又趨于平穩。

圖4 不同深度球形孔線掃查檢測信號

進一步分析，線圈在掃查方向上的有效寬度為31.5mm，測得4個深度的球形孔在鋼板表面的實際截面直徑分別為φ7.5mm、φ14mm、φ20mm、φ22mm。傳感器在鋼板表面移動過程中接收單元線圈與球形孔存在如圖5所示4種特殊的相對位置，對應的接收單元中心在x軸位置分別為d1、d2、d3、d4，計算這4個位置值如表1所示并將其標于圖4中。由此可依次將掃查檢測信號劃分為5個部分:1）接收單元中心從120mm位置到d1位置處，傳感器激勵與接收單元之間不受缺陷影響，在假定儀器性能穩定、鋼板材質均勻的情況下通過信號幅值應為一定值；2）從d1位置處開始，由于接收線圈與鋼板表面的接觸面積在減小，接收的超聲信號開始衰減直到d2位置；3）從d2位置到d3位置，雖然接收線圈與鋼板表面的接觸面積不變，但接收的信號逐漸由未經過球形孔阻擋的超聲成分轉為經過球形孔阻擋的超聲成分，所以信號繼續衰減，直至越過球形孔中心到達d3位置時，通過信號達到最小值；4）從d3位置到d4位置，接收線圈與鋼板表面的接觸面積逐漸增大，信號又略有上升；5）過了d4位置后，在激勵線圈未跟球形孔發生干涉之前，理論上通過信號幅值再次穩定為一個常值。從圖4可以看出，對這5部分的分析與實際掃查檢測信號的特征基本一致。注意到在d3位置處深80%球形孔檢測信號反而呈現局部增大現象，這可能與該球形孔由于制造加工誤差其邊緣存在突變而非平滑過渡有關。

圖5 球形孔掃查檢測過程中4個特殊的相對位置

表1 球形孔掃查檢測4個特殊位置計算值

實際觀察掃查檢測信號，4個特殊位置點只有d1的值易于從信號中分辨出來，將表1計算得到的該點值定義為理想信號衰減起始點，把從實驗信號中實際提取得到的值（圖4中橢圓標記處）定義為實驗信號衰減起始點如表2所示。在已知傳感器線圈寬度的情況下，根據值反演計算球形孔在鋼板表面的截面直徑。為了更加直觀展示，將測量的截面直徑也列于表2中，可見兩者的相對誤差不超過17%。但該方法用于實際檢測時，需已知零點的位置，此時可通過脈沖反射法確定缺陷所處位置再利用該方法對其進行定量分析。也可通過計算d4與d1的差值得到線圈寬度和球形孔截面直徑之和，而線圈寬度是已知的，此時不需要確定零點位置即可反算得到球形孔截面直徑且能提高計算精度。

表2 球形孔在鋼板表面截面直徑分析結果

另外，因信號第2）～3）部分近似呈連續的直線下降過程，于是將d1到d3位置段的數據作線性擬合得到信號衰減斜率k值如表3所示?？梢婋S著盲孔深度的增大，k值也單調增大，此斜率k值可用于評判球形孔深度。

表3 信號衰減斜率k值擬合結果

3 結束語

本文基于電磁超聲檢測技術，研究了鋼板表面球形盲孔線掃查檢測信號特性。結合4個不同深度球形孔檢測信號具有相同的信號特征以及4個特殊位置點的計算，將信號劃分為5個部分進行分析。提取信號中衰減起始點值對球形孔在鋼板表面的截面直徑進行反演，與測量的截面直徑大小相對誤差在17%以內；對信號衰減段數據作線性擬合發現，衰減斜率k值隨球形孔深度的增大而單調增大。本研究工作，對于拓展無損檢測缺陷定量技術具有一定意義。

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Analysis on characteristics of electromagnetic acoustic signals for spherical holes on steel plate surface

WANG Li，WU Xin-jun，WANG Yu-gang
（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Quantitative testing for corrosion pits which usually appear on the steel surface of storage tank is a technicaldifficulty.In this paper， the scanning experiment， in which electromagnetic acoustic transducer（EMAT）was chosen due to its advantage of no couplant interference with the acoustic wave propagation，was conducted to investigate the experimental signals of spherical holes as the analog of corrosion pits.A method of calculating the surface section diameters of spherical holes using the attenuation starting points of scanning signals was proposed.Results show that the scanning signals of spherical holes with different depths have consistent characteristics and the calculation error of the surface section diameters is within 17%. Besides，the signal slope of linear attenuation portion increases monotonically with the increase of spherical hole depth.The research has the possibility to provide new characteristic values for the quantitative evaluation of corrosion pit defects.

EMAT；sphericalhole；scanning inspection；signalcharacteristics；quantitative evaluation

TG142；TG115.285；TN911.7；TP274

：A

：1674-5124（2014）05-0017-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.004

2013-10-09；

：2013-12-21

國家自然科學基金項目（51205148）國家重大科學儀器設備開發專項（2012YQ09017502）

王 麗（1987-），女，江西上饒市人，碩士研究生，專業方向為電磁超聲無損檢測技術。