脈沖渦流陣列缺陷成像檢測技術(shù)研究

只看該作者 · 2014-1-13 16:41:57

1 引言

脈沖渦流(Pulsed Eddy Current，簡稱PEC)檢測技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的一種新型的電磁無損檢測技術(shù)，是渦流檢測技術(shù)的一種新方法[4]。脈沖渦流的激勵電流為一個重復(fù)的寬帶脈沖，通常為具有一定占空比的方波，激勵線圈中的脈沖電流感生出一個快速衰減的脈沖磁場，變化的磁場在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時渦流，此脈沖渦流向?qū)w試件內(nèi)部傳播，又會感應(yīng)出一個快速衰減的渦流磁場，隨著渦流磁場的衰減，磁傳感器上就會輸出隨時間變化的電壓。通過測量瞬態(tài)輸出電壓信號的變化大小，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。

在無損檢測領(lǐng)域成像技術(shù)的應(yīng)用可以使被檢測物體的缺陷位置及缺陷的大小直觀的觀測到[5]，這樣不僅提高了檢測人員的工作效率，更大大促進了無損檢測技術(shù)的應(yīng)用普及，使無損檢測技術(shù)能更好的為國家的經(jīng)濟和國防建設(shè)貢獻力量。

本文設(shè)計了一套脈沖渦流陣列檢測系統(tǒng)，并對標準的鋁合金試件的缺陷進行了初步的成像處理。

2 脈沖渦流陣列探頭設(shè)計

與單探頭脈沖渦流系統(tǒng)相比陣列探頭要解決更多的問題。其中探頭之間的互感影響是最嚴重的問題。由于探頭之間的互感影響，使得陣列探頭的信號發(fā)生突變，嚴重的影響了檢測的精確度和準確度。為了消除脈沖渦流陣列探頭之間的互感影響，采用相對磁導(dǎo)率可達到10000以上的工業(yè)純鐵制作了高導(dǎo)磁屏蔽罩，使探頭產(chǎn)生的磁場盡量不向探頭外部擴撒，為了驗證這種方法的效果，我們用Comsol 電磁仿真軟件進行了仿真實驗。

從圖1和圖2對比來看，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)線明顯少于不帶有屏蔽罩的探頭，并且?guī)в衅帘握值奶筋^其產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度遠大于不帶屏蔽罩的探頭。由此可知，當(dāng)探頭加有屏蔽罩時，可以削弱探頭之間的互感，且相同的磁場強度可由更小電流密度獲得，減小了線圈的發(fā)熱量，使探頭在工作時更加穩(wěn)定。

其中圖3為根據(jù)仿真設(shè)計的探頭的結(jié)構(gòu)圖，圖4為以圖3的單個探頭為基礎(chǔ)制作的4x4

脈沖渦流陣列。圖5為不帶有屏蔽罩時4x4陣列探頭產(chǎn)生的真實信號，圖6為加入屏蔽罩時探頭產(chǎn)生的真實信號。從圖5和圖6的對比中我們發(fā)現(xiàn)沒有加入屏蔽罩時探頭和探頭之間的互感干擾很嚴重，特別是中間的4個探頭，信號波形與四周探頭信號明顯存在差異，在加入屏蔽罩以后信號之間的互感影響基本上消失，每個探頭產(chǎn)生的波形趨近一致，可見屏蔽罩的加入可是探頭的檢測精度與靈敏度大大提高，同時也進一步說明了仿真實驗分析的正確性。

3 實驗系統(tǒng)組成

圖5所示即為系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)硬件實驗平臺主要由脈沖信號發(fā)生模塊、Hall傳感器探頭、被檢試件、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集模塊五個部分組成。

其中每個脈沖渦流探頭的外徑為10mm，內(nèi)徑為5mm，激勵線圈用0.2mm的漆包線纏繞了200圈，選用的磁敏元件為3503的霍爾元件。實驗中使用的信號發(fā)生器型號為DF1440，激勵頻率為100Hz，占空比50%的方波。功率放大器為Newtons LPA05B，其頻帶范圍可達到1Hz~1MHz，最大輸出功率為90瓦。放大電路由DA620儀用放大器組成。數(shù)據(jù)采集卡型號為DAQ2010，其最高采樣頻率可高達2MHz。對于軟件部分，前期靜態(tài)實驗采用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的分析處理，后期實時掃描成像實驗采用可并行處理的LabVIEW軟件進行缺陷的實時成像數(shù)理。

4 陣列探頭信號及其成像處理

圖6為實驗中所使用的帶有十字叉缺陷的鋁合金試件，圖7為16個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缺陷處。

對于采集到的16個探頭信號，我們首先利用數(shù)字濾波對信號進行了降噪及差分處理[1]，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對缺陷信號和無缺陷信號進行了識別，從而去除了無缺陷信號的影響，只對缺陷信號提取特征值。圖8為處理之后的脈沖渦流陣列差分信號，提取差分信號的峰值[2]作為缺陷成像的特征值，圖9為根據(jù)提取的特征值對缺陷成像結(jié)果。

在16探頭靜態(tài)成像取得一定成果的情況下我們用4探頭陣列對圖6的十字叉鋁合金試件進行了掃描成像。為了達到對數(shù)據(jù)的實時和并行處理，軟件部分采用圖形化編程LabVIEW軟件來完成。圖12為編制的軟件界面和4探頭對十字缺陷的掃描結(jié)果。

5 總結(jié)與期望

本文對脈沖渦流陣列的實驗系統(tǒng)組成及其對缺陷的成像進行了初步的研究，實驗結(jié)果表明我們初步研究是成功的，但是從成像結(jié)果來看，單一的特征值并不能實現(xiàn)缺陷成像的定量顯示，只能作為缺陷有無的定性檢測。所以在下一步的研究中將著重研究不同特征值對缺陷屬性的反應(yīng)程度，以提取出更合適的特征值提高成像檢測的精確度。

參考文獻

[1] 楊賓峰,羅飛路,曹雄恒.徐曉杰脈沖渦流腐蝕成像陣列傳感器應(yīng)用研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2005,18(1):112-115.
[2] Tian G Y, Sophian A, TaylorD, etal. Multiple sensors on pulsed eddy current detection for 3- D subsurface crack assessment[J].IEEE Sensors Journal，2005，5(l):90-96.
[3] Smith R A，Harrison D J. Hall sensor array for rapid large-area transient eddy current inspection[J].Insight，2004, 46(3):142-146.
[4] 楊賓峰,羅飛路.基于集成霍爾傳感器的脈沖渦流無損檢測裝置[J].計量技術(shù),2004,(10):8-9.
[5]　Smith R A , Hugo G R. Transient eddy current NDE for ageing aircraft-capabilities and limitations[J]. Insight, 2001, 43(1): 14-25.

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