渦流檢測的厚涂層高精度方法

岳秀芳，王召巴，張東利

(中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，山西太原　030051)

0　引言

隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，渦流檢測以其非接觸測量、不需要耦合劑、不受油污介質(zhì)影響、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、檢測速度快和易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用在石油、天然氣管道可靠性檢測，鐵道車輛、車軌質(zhì)量監(jiān)測，以及發(fā)動機(jī)包覆層和金屬基體材料表面油漆等涂覆層厚度測量中[1]。目前國內(nèi)生產(chǎn)的涂鍍層渦流測厚儀測量范圍一般在幾百μm，大量程時測量精度為±3%H(H為提離距離)，很難滿足一些厚涂鍍層高精度的渦流測厚要求。

針對渦流測厚，近些年國內(nèi)外的研究雖取得了一定成果[2-7]，但主要集中在提高薄涂層和薄金屬板的厚度測量以及仿真研究中。例如，文獻(xiàn)[2]利用渦流法檢測特種碳纖維復(fù)合材料絕緣涂層的有效測量范圍約為30～800 μm，測量精度約為±20～30 μm．文獻(xiàn)[3]針對鐵磁性基體材料上非鐵磁性薄涂鍍層厚度測量，研制了一種測量范圍在0～30 μm，測量精度為0.5 μm±3%測量值的智能、高精度渦流測厚儀。文獻(xiàn)[5]通過采用高頻渦流法對10～200 μm超薄金屬薄片進(jìn)行了厚度測量研究。

文中對比檢測儀中渦流信號與提離距離的標(biāo)定方法，采用4次多項式、冪函數(shù)、復(fù)合指數(shù)和高斯函數(shù)對渦流信號與提離距離進(jìn)行標(biāo)定，分析標(biāo)定后的測量誤差，研究提高渦流厚涂層測量精度的方法。

1　渦流測厚原理

利用渦流提離效應(yīng)進(jìn)行涂鍍層厚度測量的原理如圖1所示。渦流探頭檢測線圈緊貼涂鍍層表面，渦流探頭相對于金屬基體的提離距離x即為涂鍍層厚度d。由于渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，檢測信號的強(qiáng)度和分布受試件基體材料的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ、厚度h和檢測線圈的激勵電流i、激勵頻率f、提離距離x等因素的影響[8-9]。當(dāng)提離距離x發(fā)生改變時，在有效磁場范圍內(nèi)，進(jìn)入金屬試件的磁通量將發(fā)生改變，進(jìn)而影響線圈與金屬試件間的耦合程度。這種相互影響，通過歸一化處理，變成阻抗平面內(nèi)渦流信號幅值的變化[10]。通過對渦流信號幅值與標(biāo)準(zhǔn)提離距離進(jìn)行標(biāo)定，得到提離距離與渦流信號幅值對應(yīng)的關(guān)系曲線。檢測時，依據(jù)渦流信號幅值的變化，即可得到涂層厚度d。

圖1　涂層渦流測厚原理

2　渦流測厚平臺

渦流檢測儀采用ECC-2004智能多功能電磁檢測儀；渦流探頭依工程需要和實(shí)際試件及檢測厚度選用可以直接測量線圈阻抗變化的絕對式渦流探頭(參數(shù)如圖2所示)?；w試件選取198 mm×100 mm×5 mm的不銹鋼平板。為保證準(zhǔn)確的提離距離，使用標(biāo)準(zhǔn)試塊(ISO9001)對渦流探頭進(jìn)行提離。如圖3所示，U槽導(dǎo)軌固定在支架上，通過U槽導(dǎo)軌內(nèi)的滾動鋼珠使移動支架可以上下移動，探頭通過探頭夾具固定在移動支架上，隨著移動支架移動；通過在固定螺母和U槽導(dǎo)軌之間添加不同的標(biāo)準(zhǔn)試塊實(shí)現(xiàn)對渦流探頭的準(zhǔn)確提離。由于提離產(chǎn)生的渦流信號經(jīng)過常規(guī)渦流探頭轉(zhuǎn)換器輸入EEC-2004渦流檢測儀，進(jìn)行前置放大、相敏檢波、平衡濾波、相位旋轉(zhuǎn)和增益放大后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸出在阻抗平面內(nèi)。

圖2　渦流探頭參數(shù)

1—固定支架；2—移動支架；3—固定螺母；4—標(biāo)準(zhǔn)試塊；5—U槽導(dǎo)軌；6—滾動鋼珠；7—探頭夾具　8—探頭；9—基體試件；10—試驗平臺；11—調(diào)距螺孔

3　試驗數(shù)據(jù)的分析處理

3．1提離距離與渦流信號幅值的關(guān)系

依渦流的滲透深度和趨膚效應(yīng)，將渦流探頭激勵頻率、前置和驅(qū)動分別設(shè)置為18 181 Hz、25 dB和5。為方便觀察，阻抗平面頻率、增益和相角分別設(shè)置為18 181 Hz、17 dB和226。選取0 mm提離時的渦流信號阻抗幅值為零參考點(diǎn)，通過改變不同的標(biāo)準(zhǔn)試塊，獲得不同提離距離下的渦流信號阻抗幅值(如圖4)。

由圖4可看出，渦流信號阻抗幅值與提離距離呈非線性趨勢變化。在0～5 mm時，提離距離的微小變化即可引起阻抗平面內(nèi)渦流信號幅值的明顯變化；隨著提離距離的增大，阻抗平面內(nèi)渦流信號的幅值變化越來越小，當(dāng)提離距離達(dá)到10 mm(即渦流探頭外徑的2倍)時，渦流信號變化趨于零，在實(shí)際檢測中很難再通過渦流信號準(zhǔn)確推斷提離距離。

圖4　渦流信號與提離距離關(guān)系圖

3．2提離距離的標(biāo)定

檢測中，為通過渦流信號判斷渦流檢測的厚度，必須先對標(biāo)準(zhǔn)厚度的渦流信號進(jìn)行標(biāo)定，然后把檢測材料的渦流信號與之對比，得出檢測厚度。ECC-2004檢測儀中有二次曲線、指數(shù)曲線和插值3種渦流信號與提離距離的標(biāo)定方法。由于實(shí)際檢測中，測量誤差較大，不能滿足測量要求。為提高檢測精度，結(jié)合渦流檢測信號與提離距離的非線性關(guān)系和渦流傳感器的應(yīng)用特性，在0～5 mm提離范圍內(nèi)，每隔0.1 mm改變1次提離距離，獲得不同提離距離下的渦流信號，分別選用4次多項式、冪函數(shù)、復(fù)合指數(shù)和高斯函數(shù)對渦流信號與提離距離進(jìn)行標(biāo)定，分析擬合數(shù)據(jù)和提離誤差。4種函數(shù)擬合的關(guān)系圖分別如圖5～8所示。

圖5　4次多項式擬合渦流信號與提離距離

圖6　冪函數(shù)擬合渦流信號與提離距離

圖7　指數(shù)擬合渦流信號與提離距離

圖8　高斯擬合渦流信號與提離距離

對比圖5、圖6、圖7、圖8可看出，高斯函數(shù)擬合曲線與原始數(shù)據(jù)吻合性比4次多項式、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的都好；擬合數(shù)據(jù)的誤差最小。對4種函數(shù)擬合后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的和方差(SSE)、均方根(RMSE)、確定系數(shù)(R-square)，以及0～5 mm內(nèi)的最大誤差進(jìn)行分析(如表1)。

表1　4種擬合方法擬合數(shù)據(jù)對比表

由表1可以得出，高斯函數(shù)擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對應(yīng)點(diǎn)誤差的SSE和RMSE小于4次多項式、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，而表征模型對數(shù)據(jù)擬合好壞的R-square卻大于4次多項式、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)。即針對渦流信號與提離距離的標(biāo)定，4種擬合方法中高斯函數(shù)的擬合精度最高，擬合誤差最小，擬和模型最好。

3．3多次試驗結(jié)果

為了更好的應(yīng)用，同時驗證高斯函數(shù)對渦流信號與提離距離標(biāo)定比4次多項式、冪函數(shù)和復(fù)合指數(shù)函數(shù)好。在相同條件下，采集5組數(shù)據(jù)，分別采用4種擬合方法對渦流信號阻抗幅值與提離距離進(jìn)行標(biāo)定，對比分析4種擬合數(shù)據(jù)的SSE、RMSE、R-square，以及0～5 mm內(nèi)的最大誤差(如表2)。

由表2可以看出，在5組數(shù)據(jù)的4種擬合方法中，高斯擬合的R-square最大，SSE、RMSE和提離誤差最小，且提離誤差均小于0.089 mm．進(jìn)一步說明針對渦流信號與提離距離標(biāo)定，高斯函數(shù)是一個理想的標(biāo)定曲線模型。

4　結(jié)論

為提高當(dāng)前國內(nèi)渦流測厚儀測量范圍，增加厚涂層測量精度，通過對比分析4次多項式、冪函數(shù)、復(fù)合指數(shù)函數(shù)和高斯函數(shù)對渦流信號與提離距離進(jìn)行標(biāo)定，對比分析擬合數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的SSE、RMSE、R-square和最大誤差，研究提高渦流測厚的標(biāo)定方法。結(jié)果表明，高斯函數(shù)擬合較其他擬合方法的提離誤差最小，測量精度最高，在0～5 mm提離范圍內(nèi)，誤差在0.089 mm，相對于國內(nèi)大量程時±3%H(即0.15 mm)的提離誤差，有了很大提高。通過優(yōu)化標(biāo)定曲線的擬合函數(shù)可以很大程度地提高渦流測厚的測量范圍和測量精度。

表2　5組數(shù)據(jù)不同擬合方法對比

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振作．流涂鍍層測厚儀開發(fā)與應(yīng)用．上海涂料．2004，42(3)：34-36．

[2]曾亮，任吉林．特種復(fù)合材料涂層厚度渦流法測量技術(shù)的研究：[學(xué)位論文]．南昌：南昌航空大學(xué)，2012．

[3]樓敏珠，張云柯，程慶麗，等．智能高精度涂鍍層渦流測厚儀的研制．無損檢測．2010，32(6)：434-437．

[4]張會云．金屬薄鍍層渦流測厚技術(shù)研究：[學(xué)位論文]．北京：機(jī)械科學(xué)研究院，2003．

[5]ROPER F．A high-frequency eddy current method for the thickness measurement of thin metallic foils using ferritecore transmission systems．NDT&E International，2000，33(2)：163-165．

[6]李長青，DANON Y．非鐵磁性金屬薄層渦流測厚法．無損檢測．2005，27(9)：454-456．

[7]胡鵬．大量程渦流測距探頭的仿真設(shè)計．傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(8)：103-106．

[8]任吉林，林俊明．電磁無損檢測．北京：科學(xué)出版社．2008：221-285．

[9]張玉華，孫慧賢，羅飛路．渦流探頭提離效應(yīng)的理論分析與實(shí)驗研究．電機(jī)與控制學(xué)報，2009，13(2)：197-202．

[10]陸興旺，王偉杰，潘超．渦流測厚傳感器阻抗特性分析．傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(9)：38-43．

[11]張繼龍，甄蜀春，賈鵬，等．實(shí)驗數(shù)據(jù)的曲線擬合方法及應(yīng)用．測試技術(shù)學(xué)報，2003，17(3)：255-257．