脈沖渦流陣列缺陷成像檢測技術研究

只看該作者 · 2014-1-13 16:41:57

1 引言

脈沖渦流(Pulsed Eddy Current，簡稱PEC)檢測技術是近十幾年發(fā)展起來的一種新型的電磁無損檢測技術，是渦流檢測技術的一種新方法[4]。脈沖渦流的激勵電流為一個重復的寬帶脈沖，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，變化的磁場在導體試件中感應出瞬時渦流，此脈沖渦流向導體試件內部傳播，又會感應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，就可以得到有關缺陷的尺寸、類型和結構參數等信息。

在無損檢測領域成像技術的應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的應用普及，使無損檢測技術能更好的為國家的經濟和國防建設貢獻力量。

本文設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，采用相對磁導率可達到10000以上的工業(yè)純鐵制作了高導磁屏蔽罩，使探頭產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^其產生的磁感應強度遠大于不帶屏蔽罩的探頭。由此可知，當探頭加有屏蔽罩時，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為根據仿真設計的探頭的結構圖，圖4為以圖3的單個探頭為基礎制作的4x4

脈沖渦流陣列。圖5為不帶有屏蔽罩時4x4陣列探頭產生的真實信號，圖6為加入屏蔽罩時探頭產生的真實信號。從圖5和圖6的對比中我們發(fā)現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)整體框架結構示意圖。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、信號調理電路和數據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。數據采集卡型號為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軟件進行數據的采集以及數據的分析處理，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，我們首先利用數字濾波對信號進行了降噪及差分處理[1]，并使用神經網絡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為根據提取的特征值對缺陷成像結果。

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。為了達到對數據的實時和并行處理，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果。

5 總結與期望

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，實驗結果表明我們初步研究是成功的，但是從成像結果來看，單一的特征值并不能實現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用研究[J]. 傳感技術學報,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,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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