脈沖渦流多層厚度檢測(cè)與時(shí)頻特征量提取*

王志春， 王玉璽

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

金屬板材厚度是產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備服役狀態(tài)的重要參數(shù)，如金屬板(銅、鋁、鋼板等)軋制過程中的厚度檢測(cè)、各類金屬中缺陷的檢測(cè)等[1]，因此，準(zhǔn)確、快速測(cè)量金屬板材厚度至關(guān)重要。電磁渦流檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的五大常規(guī)檢測(cè)方法之一( 射線、超聲、磁粉、滲透和渦流)，具有實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，能穿透被測(cè)件的覆蓋層等優(yōu)點(diǎn)[2]。其中脈沖渦流測(cè)厚法不需要耦合劑，其可在拆除保溫層的管道壁厚的檢測(cè)得到使用，也可在高溫等惡劣環(huán)境下使用，而且操作方便、檢測(cè)速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在金屬材料的厚度檢測(cè)中應(yīng)用十分廣泛[3]。因此，在進(jìn)行金屬缺陷和厚度的檢測(cè)的研究中，脈沖渦流有其重要的研究意義[4]。本文利用激勵(lì)脈沖頻率成分豐富的特點(diǎn)，深入開展了時(shí)域和頻域特征提取技術(shù)的研究，更好地分析被測(cè)材料的信息[5]。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 脈沖渦流測(cè)厚理論

脈沖信號(hào)源產(chǎn)生具有一定占空比的方波，并加到激勵(lì)線圈兩端，此時(shí)在激勵(lì)線圈中就會(huì)產(chǎn)生周期的脈沖電流。激勵(lì)線圈中的電流便會(huì)感生出一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，變化著的磁場(chǎng)在被測(cè)材料中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流，向被測(cè)材料內(nèi)部傳播，并感應(yīng)出一個(gè)快速衰減的渦流磁場(chǎng)[6]。隨著渦流磁場(chǎng)的在導(dǎo)體內(nèi)的變化，再檢測(cè)線圈則會(huì)感應(yīng)出隨時(shí)間變化的電壓。由于脈沖渦流在被測(cè)材料內(nèi)部的傳播過程是逐漸衰減的，對(duì)于不同厚度的導(dǎo)體試件，得到的瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)不同。所以，通過對(duì)檢測(cè)到的電壓信號(hào)進(jìn)行分析，找到感應(yīng)電壓與被測(cè)導(dǎo)體試件厚度的相應(yīng)的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體材料的厚度檢測(cè)[7]。

1.2 脈沖渦流滲透深度分析

由渦流的趨膚效應(yīng)可知，渦流總是集中在接近線圈的導(dǎo)體表面。對(duì)于不同電導(dǎo)率金屬材料，在導(dǎo)體的橫截面，其電流密度分布也呈現(xiàn)出很大差異，從工件表面向其內(nèi)部衰減，并且是按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減

(1)

式中J0為導(dǎo)體表面的渦流密度;Jx為距導(dǎo)體表面為x處的渦流密度;f為交流電流的頻率;μ為材料的磁導(dǎo)率；σ為材料的電導(dǎo)率。

為了更確切地表明脈沖渦流在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)的衰減情況，引入了表示衰減特性的物理量:滲透深度δ。定義為:渦流密度衰減到導(dǎo)體表面處的1/e時(shí)，距離導(dǎo)體表面的距離

(2)

渦流的檢測(cè)深度由滲透深度δ定性反映[8]，δ變大，對(duì)應(yīng)的渦流檢測(cè)的深度也會(huì)隨之增大；反之，則會(huì)減小。但δ并不是渦流檢測(cè)所能達(dá)到的最大深度。渦流所能檢測(cè)的最大深度可達(dá)2.6倍的滲透深度，在此深度時(shí)，渦流密度已經(jīng)衰減得很小，且為表面密度的5%。通常情況下，定義2.6δ的滲透深度作為渦流的有效滲透深度。根據(jù)分析，定義渦流有效滲透深度為L(zhǎng)，即

(3)

由式(3)可得，對(duì)不同電導(dǎo)率的金屬材料有其對(duì)應(yīng)的最大檢測(cè)厚度，進(jìn)而確定在相應(yīng)的測(cè)厚范圍內(nèi)應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)[9]。

2 建模與仿真

2.1 建 模

對(duì)于被測(cè)材料，選取兩種不同電導(dǎo)率的金屬(45#鋼和鋁)疊放，進(jìn)而測(cè)得不同厚度金屬對(duì)應(yīng)的感應(yīng)差壓信號(hào)。圖1為經(jīng)過網(wǎng)格剖析的差分傳感器模型。

圖1 差分傳感器模型

在不同檢測(cè)環(huán)境下，多層金屬材料厚度的測(cè)定由于其屬性不同，增加了檢測(cè)難度，為了測(cè)定金屬材料的厚度，本文根據(jù)被測(cè)材料電導(dǎo)率的不同，將其分為上下兩層的被測(cè)導(dǎo)體，并設(shè)計(jì)兩種不同的方案：1)上層被測(cè)金屬材料的電導(dǎo)率小于下層被測(cè)金屬材料，上層金屬材料選定為45#鋼，下層金屬材料選定為鋁，如圖2(a)；2)上層被測(cè)金屬材料的電導(dǎo)率大于下層被測(cè)金屬材料，上層金屬材料選定為鋁，下層金屬材料選定為45#鋼，如圖2(b)。

圖2 兩層不同材料的被測(cè)導(dǎo)體

2.2 仿真參數(shù)選取

由脈沖渦流測(cè)厚原理，將被測(cè)導(dǎo)體厚度的計(jì)算轉(zhuǎn)換為找到檢測(cè)線圈上的電壓信號(hào)。因此，只要能夠找出檢測(cè)線圈上的電壓與被測(cè)材料厚度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)脈沖渦流對(duì)金屬導(dǎo)體的厚度測(cè)量。 在保持提離距離、激勵(lì)信號(hào)等條件不變的情況下，采用不同厚度的被測(cè)材料，得到不同厚度被測(cè)導(dǎo)體對(duì)應(yīng)的電壓，進(jìn)而找出被測(cè)導(dǎo)體的厚度與電壓之間的變化關(guān)系[10]。仿真參數(shù)以及金屬材料參數(shù)如表1和表2所示 。

表1 仿真參數(shù)

表2 金屬材料的參數(shù)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 仿真結(jié)果

由表1所選的仿真參數(shù)，并且根據(jù)仿真時(shí)所要求的約束條件，通過Ansoft仿真[11]，即可得到在不同厚度時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓變化規(guī)律。本文僅列出了2 mm 45#鋼、2 mm及0.50 mm鋁、1 mm 45#鋼的金屬材料的波形，觀察檢測(cè)端及參考端電壓的仿真結(jié)果。

1)激勵(lì)脈沖電壓

Ansoft仿真時(shí)所選的激勵(lì)電壓的參數(shù)：脈沖電壓幅值-5～5 V，占空比50 %，激勵(lì)頻率1 kHz。

“用曲的話來(lái)說，這難道不是老公的義務(wù)嗎？但這打死也不能說。Y反復(fù)強(qiáng)調(diào)，S跟她說過的，跟曲的婚姻沒有愛情，也幾乎沒有性生活，曲對(duì)S沒有熱情，而S也不渴念她的身體——就是因?yàn)檫@句話，Y才決定跟他好的，否則，她還搞什么呢，絕不會(huì)讓S碰她?！?/p>

2)檢測(cè)端與參考端電壓

在圖3中繪出檢測(cè)端以及參考端的電壓波形。

圖3 檢測(cè)端與參考端線圈的電壓

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 時(shí)域信號(hào)特征值提取

對(duì)脈沖渦流信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，通常采用差分信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的特征提取,主要有脈沖渦流差分信號(hào)的峰值、過零時(shí)間等。圖4為檢測(cè)端與參考端的感應(yīng)差分信號(hào)，其中比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)，在同一時(shí)刻，其差分信號(hào)所對(duì)應(yīng)的幅值相反。

圖4 檢測(cè)端與參考端差分感應(yīng)信號(hào)

圖5為不同厚度對(duì)應(yīng)的峰值，可以看出，在測(cè)量不同厚度的金屬材料時(shí)，對(duì)于上層材料為45#鋼(下層材料為鋁)且厚度逐漸變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)的峰值呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，并且隨著厚度的增加峰值逐漸增加；而對(duì)于上層材料為鋁(下層材料為45#鋼)，當(dāng)厚度逐漸增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值呈現(xiàn)非線性的關(guān)系。圖6為不同厚度的金屬材料對(duì)應(yīng)的過零時(shí)間，可以得到當(dāng)上層金屬材料為鋁(下層材料45#鋼)，且金屬鋁的厚度逐漸變換時(shí)，其對(duì)應(yīng)的過零時(shí)間與厚度呈現(xiàn)線性關(guān)系；而對(duì)于上層材料為45#鋼(下層材料鋁)，當(dāng)45#鋼的厚度逐漸變化時(shí)，其過零時(shí)間幾乎保持不變。

圖5 不同厚度的輸出峰值電壓

圖6 不同厚度的過零時(shí)間

由此可見，針對(duì)不同電導(dǎo)率層金屬的測(cè)定，有其對(duì)應(yīng)不同的特征值。在上層電導(dǎo)率小于下層電導(dǎo)率的情況下，其電壓幅值作為特征值比較理想，而過零時(shí)間不明顯；在上層電導(dǎo)率大于下層電導(dǎo)率的情況下，其過零時(shí)間作為特征值比較理想，而電壓峰值呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

3.2.2 頻域信號(hào)特征值提取

脈沖渦流擁有很寬的頻寬，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過被測(cè)材料被檢測(cè)線圈捕獲后，檢測(cè)信號(hào)的頻譜中即包含了金屬材料厚度的信息[12]。由傅里葉級(jí)數(shù)展式可得，一個(gè)脈沖激勵(lì)信號(hào)可以被分解為含有基波和許多諧波成分的組合

(4)

截取一個(gè)周期的差分信號(hào)，經(jīng)過快速傅立葉變換(fast Fourier transform,FFT)后得到相頻和幅頻特性曲線，圖7(a)為不同厚度鋼的相頻特性曲線，在圖中每一條曲線均存在一個(gè)相位過零點(diǎn)[13]。

圖7(b)為相位過零點(diǎn)的放大圖，從圖中可以得到不同厚度對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)逐漸左移，在鋼的厚度為1～5 mm時(shí)與對(duì)應(yīng)的厚度呈線性關(guān)系。圖7(c)為不同厚度鋁的相頻特性曲線，圖7(d)為經(jīng)過放大得到的相頻圖，在圖中也能夠得到對(duì)應(yīng)的相位過零點(diǎn)隨著厚度的增加左移，在鋁的厚度為0.25～1.25 mm時(shí)與對(duì)應(yīng)的厚度呈線性關(guān)系。

圖7 不同厚度的相頻特性曲線

從圖7中可以看出：當(dāng)測(cè)量?jī)蓪咏饘俨牧蠒r(shí)，若下層電導(dǎo)率較大，基頻幅值能夠作為特征值；反之，則不能；比較圖7(b)和圖7(d)可知，對(duì)于不同電導(dǎo)率層的被測(cè)金屬，在一定范圍內(nèi)，相位也可作為其特征值。

圖8為不同厚度的材料經(jīng)過FFT之后的基頻幅值，在不斷改變45#鋼厚度(下層金屬鋁厚度不變)時(shí)，基頻幅值隨之增大，而當(dāng)改變鋁的厚度(下層金屬45#鋼厚度不變)時(shí)，鋁的厚度增加時(shí)基頻幅值反而減小。

圖8 不同厚度的基頻幅值

4 結(jié) 論

1)利用脈沖渦流對(duì)電導(dǎo)率不同的多層金屬材料進(jìn)行厚度測(cè)定時(shí)，當(dāng)被測(cè)材料的上層電導(dǎo)率小于下層電導(dǎo)率時(shí)，檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)的峰值、基頻幅值可作為特征，并且基頻幅值的線性度為最佳，而當(dāng)被測(cè)材料的上層電導(dǎo)率大于下層電導(dǎo)率時(shí)，檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)的過零時(shí)間可作為特征值。無(wú)論被測(cè)導(dǎo)體的電導(dǎo)率大小如何，相位均可作為其特征值，但相位作為特征值時(shí)其對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍較小。

2)脈沖渦流對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行測(cè)定時(shí)，對(duì)于上下兩層不同電導(dǎo)率的分布，得到的差分響應(yīng)信號(hào)在同一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的幅值相反，如在0.5 ms時(shí)刻，被測(cè)導(dǎo)體的上層電導(dǎo)率小于下層電導(dǎo)率時(shí)幅值為負(fù)值，而對(duì)于被測(cè)導(dǎo)體的上層電導(dǎo)率大于下層電導(dǎo)率時(shí)幅值為正值。為在不同金屬電導(dǎo)率厚度的測(cè)定提供了理論依據(jù)。

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