結(jié)合磁場(chǎng)梯度測(cè)量的脈沖調(diào)制渦流檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究*

閆　貝， 李　勇,2， 李　達(dá)， 陳振茂,2， 王　鈞

(1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院，機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.西安交通大學(xué) 核能結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)與完整性評(píng)價(jià)研究中心，陜西 西安 710049；3.中航飛機(jī)股份有限公司 西安制動(dòng)分公司，陜西 西安 710075)

結(jié)合磁場(chǎng)梯度測(cè)量的脈沖調(diào)制渦流檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究*

閆貝1， 李勇1,2， 李達(dá)1， 陳振茂1,2， 王鈞3

(1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院，機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.西安交通大學(xué) 核能結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)與完整性評(píng)價(jià)研究中心，陜西 西安 710049；3.中航飛機(jī)股份有限公司 西安制動(dòng)分公司，陜西 西安 710075)

摘要:脈沖調(diào)制渦流(PMEC)檢測(cè)技術(shù)是一種新型脈沖渦流(PEC)檢測(cè)技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)相較傳統(tǒng)PEC檢測(cè)技術(shù)在金屬構(gòu)件缺陷檢測(cè)和評(píng)估中具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)集中研究PMEC檢測(cè)技術(shù)與磁場(chǎng)梯度測(cè)量(GMFM)技術(shù)的有效結(jié)合，探究其在金屬構(gòu)件亞表面裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用關(guān)鍵和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。仿真分析了PMEC磁場(chǎng)梯度信號(hào)及其特征，以及金屬構(gòu)件亞表面裂紋PMEC檢測(cè)的典型掃查曲線，探究和比較了缺陷檢測(cè)靈敏度。搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真分析結(jié)論。研究表明:磁場(chǎng)梯度測(cè)量與PMEC檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可有效增強(qiáng)亞表面裂紋的檢測(cè)靈敏度約10 %。

關(guān)鍵詞:電磁無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估； 脈沖調(diào)制渦流檢測(cè)； 亞表面裂紋； 磁場(chǎng)梯度測(cè)量

0引言

傳統(tǒng)脈沖渦流(pulsededdycurrent，PEC)檢測(cè)技術(shù)[1～3]通常采用方波激勵(lì)信號(hào)，能夠在一次激勵(lì)下獲取金屬不同深度的完整信息，可對(duì)金屬構(gòu)件亞表面裂紋實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和評(píng)估。但最近的研究表明該技術(shù)存在一定的不足，主要體現(xiàn)在：PEC檢測(cè)的方波激勵(lì)信號(hào)能量主要集中于其直流成分和低頻諧波成分，但是直流成分無(wú)法感應(yīng)渦流場(chǎng)，而低頻諧波成分感應(yīng)產(chǎn)生的渦流場(chǎng)強(qiáng)度較弱，從而導(dǎo)致渦流場(chǎng)對(duì)金屬構(gòu)件亞表面裂紋響應(yīng)較弱、檢測(cè)系統(tǒng)信噪比較差、對(duì)金屬構(gòu)件亞表面裂紋的響應(yīng)靈敏度偏低[4]。為了解決方波激勵(lì)信號(hào)的能量分配問(wèn)題，本文提出了基于脈沖調(diào)制波[5～7]激勵(lì)的新型PEC檢測(cè)技術(shù)，即脈沖調(diào)制渦流(pulse-modulation-basededdycurrent，PMEC)檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)避免了方波激勵(lì)能量分配的弱點(diǎn)，且能將激勵(lì)能量進(jìn)行有效分配，可有效改善檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比，并提高金屬構(gòu)件亞表面缺陷檢測(cè)靈敏度。

磁場(chǎng)梯度測(cè)量(GMFM)技術(shù)[8～10]是一種測(cè)量磁場(chǎng)空間擾動(dòng)大小的有效方法，具有對(duì)微觀磁場(chǎng)變化提取靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，本文將其與PMEC技術(shù)相結(jié)合，基于退化磁矢位(AR)法[11]進(jìn)行有限元仿真和試驗(yàn)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了PMEC磁場(chǎng)梯度信號(hào)對(duì)金屬構(gòu)件亞表面裂紋檢測(cè)具有更高的靈敏度。

1仿真研究

1.1基于AR法的有限元仿真

目前，PEC檢測(cè)三維數(shù)值的仿真多采用商業(yè)有限元軟件，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，且存在計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。由于AR法不需要對(duì)激勵(lì)源劃分網(wǎng)格，因此具有較高的計(jì)算精度和效率。鑒于此，本文采用AR法進(jìn)行有限元仿真。針對(duì)基于磁場(chǎng)梯度信號(hào)的PMEC檢測(cè)，對(duì)原有的PEC檢測(cè)仿真模型[12,13]進(jìn)行了修改和補(bǔ)充，以建立PMEC檢測(cè)有限元計(jì)算模型。在AR法中，PMEC檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)可通過(guò)時(shí)域的正弦載波信號(hào)與方波調(diào)制波信號(hào)相乘得出，其傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為

(1)

式中ω1=ωc-nωm，ω1=ωc+nωm，ωc與ωm分別為載波和調(diào)制波角頻率,Fn為脈沖調(diào)制激勵(lì)電流信號(hào)幅值,則PMEC磁場(chǎng)信號(hào)表達(dá)式為

(2)

式中Bn為磁場(chǎng)頻域響應(yīng)信號(hào)。

磁場(chǎng)梯度信號(hào)是磁場(chǎng)在不同空間位置的變化率，因此，可得PMEC磁場(chǎng)梯度信號(hào)表達(dá)式為

(3)

式中F1n,F2n和B1n,B2n分別為不同位置處的脈沖調(diào)制激勵(lì)電流信號(hào)幅值和磁場(chǎng)頻域響應(yīng)信號(hào)。

1.2仿真結(jié)果與討論

基于前述仿真模型，建立了基于磁場(chǎng)梯度測(cè)量的PMEC檢測(cè)金屬構(gòu)件亞表面裂紋的有限元仿真模型，圖1為模型示意圖。

圖1　PMEC檢測(cè)裂紋三維有限元模型Fig 1　3D　FEM for PMEC for inspection of cracks

在該模型中，檢測(cè)探頭由盤(pán)式激勵(lì)線圈和2只放置于其中心的磁場(chǎng)傳感器組成。試件材質(zhì)為鋁，其電導(dǎo)率為34MS/m，尺寸為200mm×100mm×10mm，下表面裂紋的尺寸為100mm×6mm×6mm。設(shè)PMEC和PEC的激勵(lì)電流信號(hào)峰值同為0.5A、占空比同為0.5，PEC激勵(lì)電流信號(hào)基頻f與PMEC調(diào)制波頻率fm相為100Hz，PMEC載波頻率fc為1kHz。

檢測(cè)探頭緊密貼附于試件表面，沿圖1所示方向進(jìn)行掃描。以裂紋中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，探頭從Y=-20mm處開(kāi)始掃描，至Y=20mm處結(jié)束，掃描間隔為2mm。傳感器B的信號(hào)作為磁場(chǎng)信號(hào)，傳感器A,B信號(hào)做差可得到磁場(chǎng)梯度信號(hào)。以各自空氣信號(hào)為基準(zhǔn)作差，可得磁場(chǎng)差分信號(hào)與磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)。通過(guò)仿真，得到如圖2所示的磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)。

圖2　PEC和PMEC磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)Fig 2　Magnetic field gradient differential signals of PEC and PMEC

由于所得信號(hào)均具有明顯的峰值特征，故采用信號(hào)峰值作為特征，并對(duì)裂紋掃查曲線進(jìn)行歸一化處理，建立信號(hào)歸一化峰值—掃描位置關(guān)系圖，如圖3所示，探頭在裂紋中心時(shí)，歸一化信號(hào)峰值有最大的變化量，且PMEC磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)峰值有最大的變化量(約44 %)。由以上分析可知，當(dāng)采用PMEC磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)峰值作為特征時(shí)，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)亞表面裂紋的檢測(cè)更為靈敏。

圖3　歸一化后的亞表面裂紋掃查曲線Fig 3　Normalized scanning curves of subsurface crack

2試驗(yàn)研究

2.1PMEC/PEC雙檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖4所示為試驗(yàn)系統(tǒng)框圖。在激勵(lì)線圈中心位置放置2只TMR磁場(chǎng)傳感器(MultiDimensionMMLP57F)[14，15]，傳感器A，B提離分別為7，2mm。

圖4　PMEC/PEC雙檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig 4　Block diagram of PMEC/PEC detecting system

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的相關(guān)參數(shù)與仿真相同，將幅值為0.2V的激勵(lì)信號(hào)放大10倍之后輸入激勵(lì)線圈。磁場(chǎng)傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波(截止頻率為30kHz)并放大10倍之后，輸入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集和數(shù)字化，通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)信號(hào)的處理和分析。試驗(yàn)中所采用試件如圖5所示，在300mm×100mm×10mm的鋁板下表面加工了2個(gè)深度不同的裂紋，裂紋A的尺寸為100mm×3mm×6mm，裂紋B的尺寸為100mm×3mm×3mm。

圖5　檢測(cè)試件和探頭掃描路徑示意圖Fig 5　Diagram of detecting testpiece and scanning path of probe

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中，以裂紋中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，探頭從Y=-20mm處開(kāi)始掃描，至Y=20mm處結(jié)束，掃描間隔為1mm。為了便于檢測(cè)靈敏度的對(duì)比，將試驗(yàn)得到的掃查曲線進(jìn)行歸一化處理，可得不同深度裂紋的掃描圖，如圖6所示。

圖6　不同深度亞表面裂紋的歸一化掃查曲線Fig 6　Normalized scanning curves of subsurface cracks with different depths

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)探頭掃描位置遠(yuǎn)離裂紋時(shí)，峰值在較小范圍內(nèi)震蕩波動(dòng)，當(dāng)探頭進(jìn)入裂紋后，峰值急劇下降，至裂紋中心時(shí)峰值最小，即此時(shí)具有最大的峰值變化量，當(dāng)探頭離開(kāi)裂紋時(shí)則具有反向規(guī)律。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，裂紋深度越大，掃查曲線波形峰值變化量越大。

對(duì)于6mm深的裂紋，當(dāng)探頭位于裂紋中心時(shí)，PEC差分信號(hào)峰值變化量約為14 %，PMEC差分信號(hào)峰值變化量約為16 %，PEC磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)峰值變化量約為18 %，PMEC磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)峰值變化量約為20 %。由此可見(jiàn)：1)PMEC信號(hào)相比PEC信號(hào)具有更高的靈敏度；2)磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)相比磁場(chǎng)差分信號(hào)具有更高的靈敏度。當(dāng)采用PMEC磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)時(shí)，對(duì)試件亞表面裂紋的檢測(cè)靈敏度提高約10 %。由3mm深裂紋的試驗(yàn)結(jié)果可得同樣結(jié)論。

3結(jié)論

1)基于退位磁矢位法建立了PMEC檢測(cè)金屬構(gòu)件亞表面裂紋的三維有限元模型，仿真分析了磁場(chǎng)梯度差分信號(hào)和磁場(chǎng)差分信號(hào)及其特征(峰值)，以及亞表面裂紋掃查曲線。靈敏度分析表明了結(jié)合磁場(chǎng)梯度測(cè)量的PMEC檢測(cè)技術(shù)在金屬構(gòu)件亞表面裂紋檢測(cè)評(píng)估中具有優(yōu)勢(shì)。

2)開(kāi)發(fā)了PMEC/PEC雙檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng),試驗(yàn)研究了結(jié)合磁場(chǎng)梯度測(cè)量的PMEC/PEC檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)分析和對(duì)比證明，結(jié)合磁場(chǎng)梯度測(cè)量的PMEC檢測(cè)技術(shù)在金屬亞表面裂紋檢測(cè)方面可有效提高檢測(cè)靈敏度10 %,驗(yàn)證了仿真結(jié)論的正確性。

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ResearchonkeytechnologyofPMECdetectioncombinedwithgradientmagneticfieldmeasurement*

YANBei1,LIYong1,2,LIDa1,CHENZhen-mao1,2,WANGJun3

(1.StateKeyLaboratoryforStrengthandVibrationofMechanicalStructures,SchoolofAerospace,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;2.RsearchCentreforInspectionandEvaluationofNuclearStructuralIntegrity,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;3.Xi’anBrakeBranch,AVICAircraftCoLtd,Xi’an710075,China)

Abstract:As a new inspection technique extended from pulsed eddy current(PEC) technique,pulsed-modulation-based eddy current(PMEC) technique has advantageous over PEC in evaluation of metal component defects inspection.PMEC integrates with gradient magnetic field measurement (GMFM),namely GMFM-based PMEC is proposed particularly for inspection of subsurface cracks.The application and technical advantages of the proposed technique are analyzed.Simulate and analyze correlations of GMFM-based PMEC signals and its features,typical scanning curve subsurface cracks PMEC inspection of metal component are analyzed,defect detecting sensitivity is researched and analyzed.Experimental system is built up,conclusion of simulation analysis is verified.Research shows GMFM-based PEC,GMFM combines with PMEC significantly enhances sensitivity of inspection about 10 % on subsurface cracks.

Key words:electromagnetic nondestructive detection and evaluation; pulsed-modulation-based eddy current(PMEC) detection; subsurface crack; gradient magnetic field measurement(GMFM)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0015—03

收稿日期：2015—08—09

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477127)

中圖分類(lèi)號(hào):TG 115

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)04—0015—03

作者簡(jiǎn)介:

閆貝(1986-)，男，陜西榆林人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)理論與試驗(yàn)研究。

李勇，通訊作者，E—mail:yong.li@mail.xjtu.edu.cn。