金屬構(gòu)件缺陷的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合定量檢測(cè)

蘇冰潔,李 勇,2,任延釗,劉正帥,任淑廷,陳振茂,2

(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049;2.陜西省無損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心,西安 710049)

非鐵磁性金屬材料(如鋁合金、銅合金、鈦合金等)具有優(yōu)越的機(jī)械性能而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域。由這些材料制成的構(gòu)件在服役中往往處于高溫、高壓、高濕等惡劣的工作環(huán)境中,構(gòu)件表面或內(nèi)部可能出現(xiàn)腐蝕、裂紋等缺陷,因此對(duì)非鐵磁性金屬構(gòu)件及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)定期進(jìn)行無損定量檢測(cè)非常重要。在眾多金屬構(gòu)件無損檢測(cè)方法中,渦流檢測(cè)具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì),如檢測(cè)無需耦合劑,靈敏度高,適用于高溫檢測(cè)等,然而,常規(guī)渦流檢測(cè)局限于構(gòu)件表面缺陷的檢測(cè)[1]。為了彌補(bǔ)常規(guī)渦流檢測(cè)的缺點(diǎn),衍生出了多種暫態(tài)渦流檢測(cè)方法,包括脈沖渦流檢測(cè)[2-4]、脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)[5-11]、脈沖調(diào)制渦流檢測(cè)[12]等。

脈沖渦流檢測(cè)(PEC)采用脈沖方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),激勵(lì)能量強(qiáng),其檢測(cè)信號(hào)蘊(yùn)含豐富的頻譜信息,從中可提取多種信號(hào)特征用于構(gòu)件損傷的綜合定量評(píng)估,從而利于構(gòu)件深層缺陷的檢測(cè)[2-4]。在脈沖渦流檢測(cè)探頭中,檢測(cè)信號(hào)拾取單元/傳感器距激勵(lì)線圈較近,主要拾取磁場直接耦合分量,因此,脈沖渦流檢測(cè)可認(rèn)為是一種近場渦流檢測(cè)方法。

脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)(PRFEC)采用占空比低于50%的脈沖方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),在繼承脈沖渦流檢測(cè)部分優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,利用距激勵(lì)線圈相對(duì)較遠(yuǎn)的檢測(cè)信號(hào)拾取單元/傳感器對(duì)磁場間接耦合分量進(jìn)行拾取,形成檢測(cè)信號(hào)以用于對(duì)構(gòu)件表面及亞表面缺陷實(shí)施定量檢測(cè)[5-6]。該方法受趨膚效應(yīng)制約小,對(duì)試件表面及背面損傷具有相同的檢測(cè)靈敏度,且相較傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流檢測(cè),可對(duì)試件表面和背面缺陷實(shí)現(xiàn)分類識(shí)別,檢測(cè)耗能和探頭尺寸更小[7-12]。針對(duì)金屬管件的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè),張超等[5]探究了雙層異質(zhì)航空金屬套管的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)機(jī)理,優(yōu)化了遠(yuǎn)場檢測(cè)探頭的屏蔽層,提升了探頭的檢測(cè)靈敏度。徐志遠(yuǎn)等[13]提出了利用脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)原理在管道外對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)的方法,通過仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以區(qū)分內(nèi)外壁缺陷并對(duì)缺陷深度進(jìn)行定量評(píng)估。SHE等[14]優(yōu)化了金屬管道缺陷的遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)探頭,運(yùn)用有限元法證明了在激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈之間設(shè)置屏蔽板可以大大縮短二者之間的距離,并且在檢測(cè)線圈附近安裝鐵磁環(huán)可以增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)。相比于金屬管件脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè),金屬板件脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)的相關(guān)研究報(bào)道較少。

通過綜合分析脈沖渦流檢測(cè)和脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)的檢測(cè)原理,可以發(fā)現(xiàn)二者在激勵(lì)方式、檢測(cè)信號(hào)拾取、探頭構(gòu)型等方面存在相似性,兩種檢測(cè)方法的一體化集成具備可行性,所形成的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)方法(NRPEC)可為金屬構(gòu)件定量檢測(cè)提供有力支撐。在脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)研究方面,張超等[15]對(duì)金屬套管腐蝕缺陷的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)進(jìn)行了探究,研究發(fā)現(xiàn)該方法可有效提升套管腐蝕缺陷的檢測(cè)靈敏度和分類識(shí)別精度,然而,相關(guān)研究未涉及金屬板件。

文章聚焦于非鐵磁性金屬板件缺陷的無損定量檢測(cè),集中探究脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)方法的技術(shù)關(guān)鍵。針對(duì)被測(cè)板件,在剖析檢測(cè)機(jī)理,明晰磁場直接耦合分量和間接耦合分量分布的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)可同時(shí)拾取近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)探頭新構(gòu)型,在分析檢測(cè)信號(hào)特征的同時(shí),結(jié)合近場與遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征提出信號(hào)特征融合方法,對(duì)比3種信號(hào)特征對(duì)腐蝕缺陷的響應(yīng)靈敏度,著力探討所提方法在非鐵磁性金屬板件腐蝕缺陷檢測(cè)中的有效性。

1 脈沖渦流復(fù)合檢測(cè)探頭構(gòu)型及檢測(cè)原理

基于金屬構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)和脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)的檢測(cè)原理及典型探頭構(gòu)型,提出非鐵磁性金屬板件脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)的探頭新構(gòu)型,其結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)及原理示意

由圖1可見,檢測(cè)探頭包括由磁屏蔽和電屏蔽材料構(gòu)成的屏蔽罩、激勵(lì)線圈和磁場傳感器(包括拾取磁場直接耦合分量的近場傳感器、拾取磁場間接耦合分量的遠(yuǎn)場傳感器)。在實(shí)施金屬板件脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)時(shí),向激勵(lì)線圈中通入脈沖方波電流信號(hào)(占空比小于50%)用于在線圈周圍激發(fā)出線圈磁場,該線圈磁場以兩條耦合路徑向外傳播,一路在試件內(nèi)部感生出渦流,并與渦流激發(fā)的蘊(yùn)含缺陷信息的二次磁場相疊加,形成磁場直接耦合分量并被近場傳感器所拾取;另一路穿透試件并在空氣中傳播一段距離后,再一次穿透試件在試件表面與渦流產(chǎn)生的二次磁場相疊加,形成磁場間接耦合分量并被遠(yuǎn)場傳感器所拾取。檢測(cè)探頭所拾取的磁場直接耦合分量和間接耦合分量分別對(duì)應(yīng)脈沖渦流檢測(cè)與脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè),將近場檢測(cè)信號(hào)和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)結(jié)合形成復(fù)合檢測(cè)信號(hào),融合近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征,從而實(shí)現(xiàn)非鐵磁性金屬板件的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合定量檢測(cè)及評(píng)估。

檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)中的屏蔽罩是實(shí)現(xiàn)金屬板件脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合定量檢測(cè)的關(guān)鍵部件。文獻(xiàn)[6]指出,當(dāng)被測(cè)試件為管道時(shí),管壁渦流場對(duì)磁場直接耦合分量的抑制作用強(qiáng)于對(duì)間接耦合分量的抑制,所以更易形成遠(yuǎn)場效應(yīng);而對(duì)于非鐵磁性金屬板件,渦流場對(duì)磁場直接耦合分量和間接耦合分量的抑制作用相當(dāng),如未對(duì)磁場直接耦合分量加以約束,分布于板件背面的磁場間接耦合分量遠(yuǎn)小于板件表面的磁場直接耦合分量,遠(yuǎn)場檢測(cè)無法實(shí)現(xiàn)。

鑒于此,為有效實(shí)現(xiàn)所提探頭對(duì)金屬板件的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè),在激勵(lì)線圈外部加裝屏蔽罩,該屏蔽罩由磁屏蔽和電屏蔽結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成。磁屏蔽的作用是將線圈磁場約束在激勵(lì)線圈周圍,限制磁場能流經(jīng)板件表面空氣域傳播后直接被遠(yuǎn)場傳感器拾取,與此同時(shí),磁屏蔽材料可有效增強(qiáng)磁場強(qiáng)度。電屏蔽結(jié)構(gòu)嵌套于磁屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi),目的是進(jìn)一步抑制磁場直接耦合分量的傳播。磁屏蔽和電屏蔽“雙管齊下”抑制磁場直接耦合分量,通過增強(qiáng)間接耦合分量二次穿透金屬板件形成遠(yuǎn)場效應(yīng),在遠(yuǎn)場傳感器放置域內(nèi)形成遠(yuǎn)場域,從而實(shí)現(xiàn)脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)。

針對(duì)所提復(fù)合檢測(cè)方法及探頭,為探明磁場直接耦合分量和間接耦合分量的分布區(qū)域,基于相關(guān)研究[16],在仿真分析中,引入表征電磁場瞬時(shí)功率密度的坡印廷矢量S[17],其定義式為

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;E和B分別為電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

鑒于所提探頭結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱特性,在圓柱坐標(biāo)系下,式(1)可進(jìn)一步寫為

式中:e r和e z分別為圓柱坐標(biāo)系中r方向和z方向的單位矢量;B z(r,z)為磁感應(yīng)強(qiáng)度z方向分量;B r(r,z)為磁感應(yīng)強(qiáng)度r方向的分量;Eφ為電場強(qiáng)度φ分量,在圓柱坐標(biāo)系中,E r=0,E z=0。

在后續(xù)仿真中,將利用式(2)計(jì)算得到的坡印廷矢量及其分布,對(duì)所提探頭對(duì)應(yīng)的磁場直接耦合分量和間接耦合分量進(jìn)行分析,確定脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合定量檢測(cè)所涉及的近場檢測(cè)區(qū)和遠(yuǎn)場檢測(cè)區(qū)。

2 金屬板件的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場檢測(cè)仿真

2.1 仿真模型設(shè)置及坡印廷矢量分布

針對(duì)所提復(fù)合檢測(cè)探頭,基于自主開發(fā)的電磁場快速有限元仿真程序[18-19],建立脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)金屬板件的二維軸對(duì)稱有限元仿真模型,并對(duì)其相關(guān)場量進(jìn)行分析。脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)的二維軸對(duì)稱模型如圖2所示,模型包括復(fù)合檢測(cè)探頭(由激勵(lì)線圈、同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁屏蔽和電屏蔽的屏蔽罩、近場和遠(yuǎn)場傳感器組成)和被測(cè)非鐵磁性金屬板件(材料為鋁合金)。仿真模型的尺寸、材料電磁參數(shù)如表1所示,表中A,B,C,D,E,F,G為探頭相關(guān)尺寸的直徑;H,L為探頭高度;d為板厚;h為提離距離;σ1,σ2,σ3分別為試件、磁屏蔽結(jié)構(gòu)和電屏蔽結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率;μr1,μr2,μr3 分別為試件,磁屏蔽結(jié)構(gòu)和電屏蔽結(jié)構(gòu)的相對(duì)磁導(dǎo)率。激勵(lì)線圈匝數(shù)為200匝,用于驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈的電流為脈沖方波電流信號(hào)I(t)(最大幅值為1.0 A,占空比33%,周期為30 ms),脈沖方波激勵(lì)信號(hào)波形如圖3所示。為模擬腐蝕減薄缺陷(缺陷徑向尺寸遠(yuǎn)大于探頭尺寸),設(shè)置被測(cè)試件厚度為1～4 mm,其中,無缺陷試件厚度(標(biāo)準(zhǔn)厚度)為4 mm。

表1 脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)有限元仿真模型的主要參數(shù)

圖2 脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)的二維軸對(duì)稱模型

圖3 脈沖方波激勵(lì)信號(hào)波形

考慮到脈沖方波電流信號(hào)的脈沖重復(fù)頻率為33 Hz,為便于分析檢測(cè)探頭工作下的坡印廷矢量分布,仿真中,首先設(shè)置探頭激勵(lì)電流信號(hào)為正弦信號(hào),其幅值為1.0 A,頻率為33.0 Hz,被測(cè)試件厚度為5 mm。通過仿真計(jì)算,結(jié)合式(2),獲取用于確定近場/遠(yuǎn)場效應(yīng)、以及近場檢測(cè)域和遠(yuǎn)場檢測(cè)域的坡印廷矢量分布,其結(jié)果如圖4所示。

圖4 歸一化坡印廷矢量分布

由圖4可見,激勵(lì)線圈附近的電磁場直接穿入被測(cè)試件,構(gòu)成磁場直接耦合分量,從而形成了近場檢測(cè)區(qū)域;線圈磁場的另一部分穿透被測(cè)試件,于試件背面的空氣域傳播一段距離之后再次穿透被測(cè)試件,形成對(duì)被測(cè)試件的二次穿透,在探頭中心域構(gòu)成磁場間接耦合分量,由此確認(rèn)探頭中心域?yàn)檫h(yuǎn)場檢測(cè)區(qū)域。上述分析表明,在同一激勵(lì)線圈下,通過在近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)區(qū)域分別放置近場和遠(yuǎn)場傳感器,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖渦流檢測(cè)與脈沖渦流遠(yuǎn)場檢測(cè),即非鐵磁性金屬板件的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)。

2.2 缺陷信號(hào)特性分析

基于坡印廷矢量分析結(jié)果,將遠(yuǎn)場傳感器放置于探頭底部中心;近場傳感器放置于近場檢測(cè)區(qū)域的中間位置。仿真中,設(shè)置不同的被測(cè)試件厚度d,在各試件厚度情況下,仿真計(jì)算由近場和遠(yuǎn)場傳感器拾取的總磁場z分量(B z),獲得近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào),其結(jié)果如圖5所示。

圖5 近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)(仿真計(jì)算)

由圖5可見,近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)幅值隨腐蝕減薄缺陷深度的增加而增大,這是由于試件厚度減小,分布于試件內(nèi)部渦流所激發(fā)出的二次磁場減弱,二次磁場對(duì)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的線圈磁場的抑制作用減小,從而造成檢測(cè)信號(hào)幅值的增大。通過對(duì)比圖5中的檢測(cè)信號(hào)可以發(fā)現(xiàn),相較近場檢測(cè)信號(hào),遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)在激勵(lì)信號(hào)上升沿和下降沿階段的幅值變化更加緩慢,這是因?yàn)樵陔娏鹘油ê完P(guān)斷的瞬間,試件中的電磁場信號(hào)以高頻諧波成分為主導(dǎo),該信號(hào)構(gòu)成的磁場直接耦合分量可快速傳播至近場傳感器,而低頻諧波成分占主導(dǎo)的間接耦合分量傳播至遠(yuǎn)場傳感器的時(shí)間更長。

為進(jìn)一步探究檢測(cè)信號(hào)對(duì)不同尺寸缺陷的響應(yīng)規(guī)律,提取檢測(cè)信號(hào)與時(shí)間軸所圍面積作為信號(hào)特征,建立信號(hào)特征與缺陷尺寸間的關(guān)聯(lián)曲線。鑒于非鐵磁性金屬構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)主要利用近場檢測(cè)信號(hào)在激勵(lì)電流關(guān)斷前的信號(hào)部分進(jìn)行損傷檢測(cè)[2],而脈沖渦流遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)的處理及分析主要集中于激勵(lì)電流關(guān)斷后的檢測(cè)信號(hào)段[19],因此,針對(duì)所提脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)探頭所拾取的近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào),分別計(jì)算激勵(lì)信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)近場檢測(cè)信號(hào)在t=0～10 ms段的信號(hào)積分面積和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)在t=10～30 ms段的信號(hào)積分面積,將作為近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征(分別記作Snear和Sremote),建立信號(hào)特征與缺陷深度間的映射曲線。為了便于比較近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)的靈敏度(K),將無缺陷試件(即試件厚度為4 mm)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)積分值作為信號(hào)特征參考值(近場檢測(cè)對(duì)應(yīng)Srneefar;遠(yuǎn)場檢測(cè)對(duì)應(yīng)Srreefmote),對(duì)缺陷信號(hào)特征進(jìn)行歸一化處理,歸一化計(jì)算公式為

脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)信號(hào)特征及檢測(cè)靈敏度對(duì)比如圖6所示,其中,柱狀圖為不同缺陷深度的檢測(cè)信號(hào)特征與信號(hào)特征參考值的差值ΔS;曲線圖為擬合后所得歸一化信號(hào)特征-缺陷深度關(guān)聯(lián)曲線。

圖6 近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)信號(hào)特征及靈敏度對(duì)比(仿真)

由圖6可見,隨腐蝕減薄缺陷深度增大(即試件厚度減薄),ΔS增大,表明相較試件無缺陷情況,近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征均可對(duì)腐蝕減薄缺陷進(jìn)行響應(yīng),其與缺陷深度呈正相關(guān)關(guān)系,且隨著缺陷在深度方向上的進(jìn)展,歸一化信號(hào)特征增大。此外,通過靈敏度對(duì)比可發(fā)現(xiàn),相較近場檢測(cè)信號(hào)特征,遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征對(duì)缺陷的響應(yīng)更為靈敏,這主要是由于磁場間接耦合分量二次穿越試件,其中蘊(yùn)含更非富的缺陷信息。綜合以上分析可知,所提近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征可用于非鐵磁性金屬板件腐蝕減薄缺陷的定量檢測(cè)。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)設(shè)置

基于仿真研究,搭建了非鐵磁性金屬板件脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái),其構(gòu)成如圖7(a)所示。該系統(tǒng)主要包括:由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器組成的探頭激勵(lì)模塊;由激勵(lì)線圈、電磁屏蔽層和磁場傳感器組合構(gòu)成的復(fù)合檢測(cè)探頭[實(shí)物見圖7(b)];檢測(cè)信號(hào)濾波放大器;示波器和計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)中,探頭通入最大幅值為200 mV,占空比為33%,頻率為33.0 Hz的脈沖方波激勵(lì)信號(hào),同時(shí)探頭中的近場和遠(yuǎn)場傳感器分別拾取近場域和遠(yuǎn)場域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度z分量。

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)及復(fù)合檢測(cè)探頭實(shí)物

圖7(b)所示的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)探頭,最外層磁屏蔽結(jié)構(gòu)的材料為硅鋼片,內(nèi)嵌于磁屏蔽結(jié)構(gòu)的電屏蔽環(huán)的材料為紫銅,屏蔽罩內(nèi)部的激勵(lì)線圈由厚度為0.3 mm 的漆包線繞制而成,其內(nèi)徑為38 mm,外徑為46 mm,高度為8 mm,匝數(shù)為200匝。近場傳感器和遠(yuǎn)場傳感器均采用TMR 2505型隧道磁阻傳感器。試驗(yàn)中,為分析試件不同減薄缺陷的檢測(cè)信號(hào)特征,制作不同參數(shù)的試件,被測(cè)試件包括:①不同厚度鋁合金板件,其厚度為1～4 mm,用于模擬腐蝕減薄缺陷;②預(yù)制有不同深度圓形平底孔的鋁合金板件,其尺寸為200 mm×200 mm×5 mm(長×寬×厚),平底孔直徑為30 mm,孔深為2～4 mm,用于模擬相同尺寸不同深度的局部腐蝕缺陷;③預(yù)制有不同尺寸不同深度的橢圓形平底孔鋁合金板件,其尺寸為200 mm×200 mm×5 mm(長×寬×厚,平底孔的尺寸如表2所示,用于模擬不同尺寸不同深度的局部腐蝕缺陷。針對(duì)后兩種缺陷,采取沿缺陷短邊方向的探頭掃查方式實(shí)施檢測(cè),掃查步長為1 mm。

表2 鋁合金板件中橢圓形平底孔缺陷尺寸

3.2 檢測(cè)信號(hào)特性分析及信號(hào)特征討論

首先將復(fù)合檢測(cè)探頭放置于不同厚度鋁合金板件表面,同時(shí)拾取探頭輸出的近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào),如圖8所示。

圖8 鋁合金板的近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)試驗(yàn)信號(hào)

由圖8可見,所獲檢測(cè)信號(hào)及其對(duì)不同深度腐蝕缺陷的響應(yīng)規(guī)律與仿真分析結(jié)果一致,隨著缺陷深度的增加,試件內(nèi)渦流激發(fā)的二次磁場與線圈磁場的疊加磁場增大,檢測(cè)信號(hào)的幅值增大。從試驗(yàn)結(jié)果中亦發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)的陡度小于近場檢測(cè)信號(hào)的陡度,這是由于磁場間接耦合分量以低頻諧波成分為主,傳播至遠(yuǎn)場傳感器所需時(shí)間更長,造成遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)上升/下降趨勢(shì)延緩。

在拾取復(fù)合檢測(cè)信號(hào)后,與仿真處理方式一致,提取近場檢測(cè)信號(hào)在t=0～10 ms信號(hào)段和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)在t=10～30 ms信號(hào)段的信號(hào)面積作為檢測(cè)信號(hào)特征,將試件厚度為4 mm 對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)特征作為特征參考值,結(jié)合式(3),分析檢測(cè)信號(hào)特征對(duì)缺陷的響應(yīng)靈敏度,近場與遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征及其靈敏度對(duì)比結(jié)果如圖9所示,柱狀圖和曲線圖分別表示檢測(cè)信號(hào)特征變化及歸一化信號(hào)特征。由圖9可見,隨著缺陷深度增大,檢測(cè)信號(hào)特征變化增大,歸一化信號(hào)特征增大,且變化量正關(guān)聯(lián)于缺陷深度;遠(yuǎn)場檢測(cè)的信號(hào)特征對(duì)缺陷具有更高的響應(yīng)靈敏度。試驗(yàn)所得結(jié)果與仿真結(jié)果一致,近場與遠(yuǎn)場的檢測(cè)信號(hào)特征均可對(duì)試件的腐蝕減薄缺陷進(jìn)行定量評(píng)估。

圖9 近場與遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征及其靈敏度對(duì)比(試驗(yàn))

3.3 腐蝕缺陷掃查結(jié)果及融合信號(hào)特征的提出

在明確所提檢測(cè)信號(hào)特征對(duì)非鐵磁性金屬板件缺陷定量檢測(cè)具有有效性的基礎(chǔ)上,采用含局部腐蝕缺陷的試件,進(jìn)一步進(jìn)行脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)。通過復(fù)合檢測(cè)探頭對(duì)含圓孔狀局部腐蝕缺陷試件背面的掃查,獲取檢測(cè)信號(hào)特征S與探頭位置x的缺陷掃查曲線,其結(jié)果如圖10所示(圖中T為缺陷深度)。

圖10 腐蝕缺陷掃查曲線

由圖10可見,與試件無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的檢測(cè)信號(hào)特征相比,當(dāng)探頭掃略缺陷上方時(shí),檢測(cè)信號(hào)特征發(fā)生明顯改變。隨著缺陷深度增加,近場檢測(cè)信號(hào)特征增大;遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征減小。對(duì)于近場和遠(yuǎn)場檢測(cè),試驗(yàn)所獲缺陷掃查曲線均出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象,且雙峰出現(xiàn)的位置反映了局部腐蝕缺陷的位置。雖然缺陷深度較小時(shí)遠(yuǎn)場信號(hào)特征缺陷掃查曲線的雙峰現(xiàn)象不明顯,但由于遠(yuǎn)場傳感器位于探頭位置中心,所以曲線峰值之間的距離可以用來評(píng)估缺陷尺寸。

為進(jìn)一步評(píng)估缺陷尺寸及檢測(cè)所得缺陷尺寸與缺陷真實(shí)尺寸之間的誤差,用復(fù)合檢測(cè)探頭對(duì)含有不同尺寸(長度b)不同深度(T)橢圓狀平底孔缺陷的鋁合金平板試件背面進(jìn)行掃查,得到遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征Sremote隨探頭位置x的缺陷掃查曲線(見圖11)。從圖11可以看出,隨著缺陷尺寸及深度的增加,掃查曲線峰值之間的距離及峰值與無缺陷信號(hào)特征的差值均增大。為了更好地提取掃查曲線中缺陷邊緣所在位置,將該掃查曲線求二階導(dǎo)數(shù)并進(jìn)行低通濾波,其結(jié)果如圖11(b)所示,該圖中出現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象,提取曲線中的兩個(gè)正峰值并用實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)出,計(jì)算兩峰值之間的距離并與缺陷原尺寸進(jìn)行對(duì)比,兩者之間的差值如表3所示。

表3 ″S remote 正峰值之間的距離與缺陷真實(shí)尺寸之間的誤差

圖11 遠(yuǎn)場信號(hào)特征缺陷掃查曲線及其二階導(dǎo)數(shù)

表3中檢測(cè)所得缺陷尺寸與缺陷真實(shí)尺寸之間有一定的誤差,該誤差主要是由掃查步長的分辨率不高且制作探頭時(shí)遠(yuǎn)場傳感器偏離探頭正中心引起,故所提遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征可以對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行評(píng)估,且誤差較小。

為了凝聚近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)在腐蝕缺陷定量檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì),考慮將近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征進(jìn)行有效融合,形成脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)的融合信號(hào)特征(ΔSfused),即

基于融合信號(hào)特征所得的缺陷掃查曲線如圖12所示。由圖12可見,與近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征變化量相比,融合信號(hào)特征幅值更大,其對(duì)應(yīng)的掃查曲線信噪比更高,能更有效地檢出缺陷。

圖12 融合信號(hào)特征對(duì)應(yīng)的缺陷掃查曲線

為比較3種檢測(cè)信號(hào)特征對(duì)單位缺陷深度的響應(yīng)靈敏度,對(duì)檢測(cè)信號(hào)特征進(jìn)行歸一化處理,可寫為

式(5)所得歸一化后的檢測(cè)信號(hào)特征與缺陷深度間的關(guān)聯(lián)曲線如圖13所示。

圖13 歸一化檢測(cè)信號(hào)特征與缺陷深度間的關(guān)聯(lián)曲線

由圖13可見,與近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征響應(yīng)類似,融合信號(hào)特征隨局部腐蝕缺陷深度的增加而增大,表明采用所提融合信號(hào)特征亦可實(shí)現(xiàn)腐蝕缺陷的定量檢測(cè)。此外,圖13中關(guān)聯(lián)規(guī)律曲線的斜率表征了各信號(hào)特征對(duì)缺陷的響應(yīng)靈敏度。相較近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征,融合信號(hào)特征對(duì)應(yīng)的曲線斜率更大,體現(xiàn)了該特征對(duì)缺陷的響應(yīng)具有更高的靈敏度。

4 結(jié)語

針對(duì)非鐵磁性金屬板件損傷的定量檢測(cè),提出了脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合定量檢測(cè)探頭新構(gòu)型。通過坡印廷矢量分析了磁場直接和間接耦合分量分布區(qū)域,確定了近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)區(qū),明確了所提探頭可同時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖渦流檢測(cè)與脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(cè)。通過分析近場和遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)的特性,提出檢測(cè)信號(hào)特征,建立了信號(hào)特征與缺陷深度間的關(guān)聯(lián)曲線?；诖?提出信號(hào)特征融合方法,將近場與遠(yuǎn)場檢測(cè)信號(hào)特征有效融合,研究發(fā)現(xiàn),所提融合信號(hào)特征對(duì)腐蝕缺陷響應(yīng)靈敏度更高。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測(cè)及所提檢測(cè)探頭在非鐵磁性金屬板件缺陷定量檢測(cè)中具有可行性和有效性。