切換式渦流-電容雙模式無損檢測系統(tǒng)研發(fā)

趙明睿, 殷曉康,朱 挺, 范瑞祥, 韓宗凱,張兆瑞

(中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,青島 266580)

隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展以及制造水平的日益提升,大量新型“絕緣-導(dǎo)體”復(fù)合結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域。在航空航天等領(lǐng)域中,具有良好防腐、隔熱性能的“絕緣-導(dǎo)體”復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更為廣泛[1-2],其需求甚至超過了常規(guī)金屬、合金等常規(guī)材料。然而受復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)等因素的影響,不同結(jié)構(gòu)材料層的全面檢測一直是無損檢測行業(yè)的技術(shù)難題。因此,有必要針對(duì)“絕緣-導(dǎo)電”復(fù)合結(jié)構(gòu)檢測進(jìn)行研究,以改進(jìn)和開發(fā)更高效、方便和具有成本效益的無損檢測技術(shù)。

現(xiàn)有的檢測技術(shù)如熱成像、微波、聲發(fā)射、超聲等只能實(shí)現(xiàn)單一參數(shù)的測量或特定類型缺陷的檢測。而結(jié)合多種模式的無損檢測系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢,如:電感-電容雙通道傳感器可用于檢測和區(qū)分導(dǎo)體和絕緣材料,通過切換兩個(gè)傳感器之間的物理組合切換操作模式[3]或通過工作在諧振頻率上的電感-電容傳感器,同時(shí)實(shí)現(xiàn)電感和電容檢測[4];利用高頻電渦流探頭的電容耦合效應(yīng)可以檢測絕緣試樣缺陷[5];由硅鋼片和平面電感線圈構(gòu)成傳感器可以實(shí)現(xiàn)液壓油液污染物的綜合檢測[6]。此外,雙模式傳感器還可用于雙模態(tài)層析成像技術(shù)中,以提高測量精度[7];通過構(gòu)建雙模式接近覺傳感器,可以實(shí)現(xiàn)距離的精確檢測,同時(shí)還可以分辨接近物的材料[8];通過構(gòu)建電容電感組合傳感器,可以降低提離變化的影響,以實(shí)現(xiàn)高精度測厚[9]。

文章將渦流檢測技術(shù)與共面邊緣場電容成像技術(shù)[10]融合,進(jìn)行渦流-電容雙模式檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)程序控制模式切換。并設(shè)計(jì)了缺陷試樣,模擬實(shí)際檢測中的工況,測試傳感器及檢測系統(tǒng)的檢測性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有檢出復(fù)合材料試樣中常見缺陷的能力。

1 雙模式無損檢測技術(shù)

1.1 雙端激勵(lì)雙模式傳感器

雙端激勵(lì)型雙模式傳感器是一種在激勵(lì)線圈兩端分別接入激勵(lì)源V1,V2,通過改變兩激勵(lì)源相位差來實(shí)現(xiàn)模式切換的一種渦流-電容雙模式傳感器。其檢測原理與單端激勵(lì)型傳感器的相同,為:在渦流模式下根據(jù)電磁感應(yīng)原理,激勵(lì)線圈內(nèi)交變電流在空間中形成感生磁場,并在激勵(lì)線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢;在電容模式下根據(jù)電容的邊緣效應(yīng),兩平行極板間存在電場,當(dāng)兩極板間的等效介電常數(shù)改變,板間電容將改變,從而引起檢測極板上電荷量變化。

典型的雙端激勵(lì)型雙模式傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,當(dāng)V1,V2相位差為0時(shí),激勵(lì)線圈兩端的電勢時(shí)始終相等,線圈內(nèi)沒有電流,且接收線圈一端(接收端2)懸空,兩個(gè)線圈組成一對(duì)共面電容極板,檢測系統(tǒng)處于電容模式;當(dāng)V1,V2相位差為180°時(shí),激勵(lì)線圈內(nèi)有交變電流產(chǎn)生,且接收端2接地,兩個(gè)線圈組成典型的電感耦合傳感器,檢測系統(tǒng)處于渦流模式。

1.2 有限元仿真

為觀察此類傳感器的探測場分布,使用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件建立了傳感器物理模型。傳感器基板尺寸為38 mm×19 mm×0.8 mm(長×寬×厚),探頭線圈采用實(shí)體線圈域,設(shè)置在基板底面,厚度為0.2 mm,線寬為0.2 mm,線間距為0.2 mm,匝數(shù)為20匝,兩線圈間距為0.5 mm。在激勵(lì)線圈兩端分別添加終端邊界條件,模擬實(shí)際激勵(lì)信號(hào)輸入,構(gòu)建的有限元模型如圖1(c)所示。

沿傳感器中心(傳感器朝下)寬度方向截面的探測場分布情況如圖2所示,線條的顏色表示空間中探測場強(qiáng)度,線條上的箭頭表示其方向。仿真結(jié)果表明,當(dāng)兩激勵(lì)源相位差φ為0時(shí),傳感器下方可激發(fā)出用于檢測的電場;相位差φ為180°時(shí),傳感器下方可激發(fā)出用于檢測的磁場。因此,可以通過切換激勵(lì)源間相位差來實(shí)現(xiàn)檢測模式切換。

圖2 雙端激勵(lì)型雙模式傳感器探測場分布

進(jìn)一步探究相位切換式傳感器對(duì)于“絕緣-導(dǎo)體”復(fù)合結(jié)構(gòu)中不同種類缺陷檢測的可行性,以上述傳感器物理模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了包含復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的缺陷檢測仿真模型(見圖3)。所構(gòu)建的試樣模型中包含5個(gè)不同類型的缺陷,其參數(shù)如表1所示。設(shè)置探頭提離為1 mm,對(duì)有限元模型沿缺陷中心線進(jìn)行了模擬線掃描檢測。

表1 復(fù)合試樣缺陷參數(shù)

圖3 包含復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的缺陷檢測仿真模型

復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣缺陷檢測仿真結(jié)果如圖4所示,可見電容模式下傳感器對(duì)絕緣層表面和隱藏缺陷以及導(dǎo)體層上的表面孔缺陷均敏感,而導(dǎo)體層表面裂紋所引起的電荷變化較小。由于導(dǎo)電體的電磁特性探測電場終止于導(dǎo)體試樣的表面,當(dāng)存在表面缺陷時(shí)電場線的分布將被改變。裂紋缺陷的表面積較小,對(duì)空間內(nèi)的電場分布影響相較于孔缺陷來說非常小,因此其對(duì)傳感器接收端的感應(yīng)電荷影響較小。在渦流模式下,激勵(lì)線圈可在試件導(dǎo)體層表面感應(yīng)均勻渦流,而當(dāng)導(dǎo)體表面存在缺陷時(shí)渦流被缺陷阻擋,則通過計(jì)算感應(yīng)線圈之間的感應(yīng)電壓可以表征缺陷的信息。渦流模式下傳感器對(duì)絕緣層缺陷不敏感,因此3,5號(hào)缺陷造成的線圈電壓變化是相同的。

圖4 復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣缺陷檢測仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明,所提出的雙模式傳感器在渦流和電容模式下的敏感特性分別與傳統(tǒng)的渦流檢測技術(shù)和電容成像檢測技術(shù)的敏感特性相似,通過對(duì)兩個(gè)模式的檢出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析,可實(shí)現(xiàn)對(duì)“絕緣-導(dǎo)體”復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣中常見缺陷的檢出與識(shí)別。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

雙端激勵(lì)型雙模式傳感器通過改變兩激勵(lì)信號(hào)相位差以實(shí)現(xiàn)模式切換,測試信號(hào)通過接收線圈進(jìn)入檢測電路,在渦流模式下檢測信號(hào)為線圈感生的同頻電壓信號(hào),在電容模式下檢測信號(hào)為微弱的電荷信號(hào)。考慮到渦流與電容檢測檢出信號(hào)的差異,將兩單模式檢測電路結(jié)合,開發(fā)了一套完整的雙模式檢測硬件系統(tǒng),系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 雙模式檢測硬件系統(tǒng)框圖

激勵(lì)端相位切換與檢測電路復(fù)用均通過單片機(jī)程控實(shí)現(xiàn),其程序流程圖如圖6所示。正常檢測時(shí),單片機(jī)通過ADC接口接收信號(hào)并將其編碼發(fā)送至上位機(jī);當(dāng)收到控制指令時(shí),運(yùn)行中斷子程序?qū)崿F(xiàn)程控模式切換?？刂浦噶顬橛缮衔粰C(jī)程序發(fā)送的一位字符0(ASCII碼為0×30)或1(ASCII碼為0×31)。兩種檢測模式在每個(gè)掃描位置順序工作,兩種檢測模式的探測場相互獨(dú)立,檢出的信號(hào)也分別進(jìn)行處理,因此兩模式不會(huì)產(chǎn)生干擾。

雙模式檢測系統(tǒng)檢測電路工作流程圖如圖7所示,圖中Gac為同相放大器,具體工作流程如下:①多路復(fù)用器S1與S2控制測試信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路,在電容模式下信號(hào)接入電荷放大器電路,在渦流模式下信號(hào)經(jīng)過比例放大電路,以得到幅值較大的電壓信號(hào)。最終兩模式放大信號(hào)均經(jīng)過帶通濾波電路調(diào)理提高信噪比,并濾除直流成分以便進(jìn)行鎖相;②放大信號(hào)經(jīng)正交鎖相放大電路,交流待測信號(hào)轉(zhuǎn)化為表征原信號(hào)幅值與相位信息的兩路直流信號(hào),并通過直流偏置電路轉(zhuǎn)換為可供單片機(jī)采集的正電壓信號(hào);③正電壓信號(hào)通過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓值,通過串口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理與顯示。

圖7 檢測電路工作流程圖

2.2 模式切換模塊設(shè)計(jì)

模式切換模塊主要包括兩部分,根據(jù)兩處電路中負(fù)載信號(hào)的特性分別設(shè)計(jì)了兩種模式切換電路,為激勵(lì)切換模塊與接收切換模塊。其中激勵(lì)切換模塊用于控制激勵(lì)信號(hào)相位切換,且激勵(lì)信號(hào)為功率信號(hào),使用功率繼電器電路控制信號(hào)通斷。當(dāng)控制信號(hào)處于低電平時(shí),系統(tǒng)處于渦流模式;當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí),系統(tǒng)處于電容模式。接收切換模塊用于控制測試信號(hào)接入信號(hào)處理電路,為減少對(duì)測試信號(hào)的干擾,采用精密的多路復(fù)用器控制信號(hào)通斷,當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí),系統(tǒng)處于渦流模式,線圈感生的交流電壓信號(hào)接入電壓放大器電路;當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí),系統(tǒng)處于電容模式,接收極板中產(chǎn)生的電荷信號(hào)接入電荷放大器電路。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 系統(tǒng)搭建

渦流-電容雙模式檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示,完整的渦流-電容雙模式檢測系統(tǒng)由上位機(jī)、硬件系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器以及傳感器構(gòu)成[見圖8(a)]。其中檢測系統(tǒng)硬件電路通過印刷電路板(PCB)搭載,進(jìn)行物理連接形成塔式結(jié)構(gòu),并采用模塊化設(shè)計(jì)以提高測試系統(tǒng)的可拓展性,硬件電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8(b)所示。

圖8 渦流-電容雙模式檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 缺陷試樣掃查試驗(yàn)

為測試傳感器對(duì)絕緣試樣表面缺陷的檢測能力,選擇方形通孔缺陷有機(jī)玻璃試樣(試樣1)進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示,板厚為4 mm,方形孔缺陷邊長分別為9,8,7,6 mm,埋深為1 mm。使用掃描臺(tái)架夾持探頭保持提離高度為1 mm,試驗(yàn)結(jié)果如圖9(b),(c)所示,可以看出,在電容模式下,當(dāng)傳感器經(jīng)過缺陷時(shí),由于缺陷處介電常數(shù)與有機(jī)玻璃材料的不同,探測電場發(fā)生變化,從而使檢測信號(hào)產(chǎn)生畸變,且隨方形孔邊長增大,檢測信號(hào)畸變量增大;渦流模式下,由于渦流模式對(duì)絕緣試樣缺陷不敏感,渦流檢測信號(hào)穩(wěn)定于背景值。

圖9 有機(jī)玻璃試樣結(jié)構(gòu)及其線掃描試驗(yàn)結(jié)果

試件2選擇了導(dǎo)體層含有缺陷的鋁-有機(jī)玻璃復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣,其結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示,鋁金屬層厚度為3 mm,方形孔缺陷邊長與試樣1的相同。上方覆蓋厚度為1 mm 的有機(jī)玻璃板。保持提離高度為1 mm,試驗(yàn)結(jié)果如圖10(b),(c)所示?？梢钥闯?在電容模式下,由于電場無法穿過鋁試樣表面,掃查時(shí)探測場被約束在試件與探頭之間,但當(dāng)探頭經(jīng)過缺陷時(shí),探測電場深入缺陷內(nèi)部,從而使檢測極板上耦合的檢測信號(hào)增強(qiáng),且平底孔深度越大,檢測信號(hào)的畸變量越大;在渦流模式下,傳感器經(jīng)過缺陷時(shí),試樣上感生的渦流被缺陷阻擋,渦流產(chǎn)生的二次磁場對(duì)一次感生磁場的影響減弱,從而使感應(yīng)線圈中感生電信號(hào)增強(qiáng),即檢測信號(hào)幅值變大,且通孔的尺寸越大,對(duì)渦流的阻礙越明顯,檢測信號(hào)的畸變量越大。

圖10 鋁-有機(jī)玻璃復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣(導(dǎo)體層孔缺陷)結(jié)構(gòu)及其線掃描試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證檢測系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料試樣的檢測性能,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)不同于試樣2的鋁-有機(jī)玻璃復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣(試樣3),模擬實(shí)際測試試樣中的絕緣層表面缺陷以及內(nèi)部導(dǎo)體層的銹蝕缺陷情況。試樣結(jié)構(gòu)如圖11(a)所示,兩材料層厚度均為3 mm,試樣絕緣層與導(dǎo)體層中各有一邊長為10 mm 的方型孔缺陷,間距為40 mm。保持提離高度為1 mm,試驗(yàn)結(jié)果如圖11(b),(c)所示,可以看出,電容模式下可將有機(jī)玻璃層的表面缺陷和鋁金屬層上的方孔缺陷檢測出來,且均表現(xiàn)為檢測信號(hào)的上翻畸變;渦流模式下可將有鋁金屬層上的方孔缺陷檢測出來并表現(xiàn)為檢測信號(hào)的上翻畸變。也就是說,對(duì)比兩組檢測信號(hào),即可區(qū)分缺陷所在材料層信息。

圖11 鋁-有機(jī)玻璃復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣線掃描試驗(yàn)及其結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明,檢測系統(tǒng)在電容模式下可以檢出絕緣材料缺陷以及導(dǎo)體材料表面缺陷,在渦流模式下可以檢出導(dǎo)體材料表面缺陷,且檢測信號(hào)畸變量可以反映缺陷的尺寸。對(duì)于“絕緣-導(dǎo)體”復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面缺陷,檢測系統(tǒng)在電感模式和電容模式下均具有良好的檢測性能,通過對(duì)比兩組檢測數(shù)據(jù),可以具體區(qū)分導(dǎo)體層缺陷和絕緣層缺陷位置信息。

4 結(jié)語

基于雙端激勵(lì)型雙模式傳感器,提出了渦流-電容雙模式檢測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案,通過單片機(jī)程控改變兩激勵(lì)信號(hào)間相位差,實(shí)現(xiàn)了渦流-電容模式間自動(dòng)切換,可在單次掃描檢測時(shí),同時(shí)獲取兩模式下的檢測圖像。并且,搭建試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)檢測系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試,試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于“絕緣-導(dǎo)體”復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的界面缺陷,檢測系統(tǒng)在電感模式和電容模式下均具有良好的檢測性能,缺陷尺寸與檢測信號(hào)畸變量具有函數(shù)關(guān)系,且通過對(duì)比兩種模式下的檢測數(shù)據(jù)可以確定缺陷所在的材料層。

與傳統(tǒng)的單一模式電磁無損檢測相比,所開發(fā)的渦流-電容雙模式檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)“絕緣-導(dǎo)體”復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣中常見缺陷種類的全面檢出與識(shí)別。與使用多種檢測手段分別檢測相比,研發(fā)的檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在單次掃描檢測中同時(shí)獲得兩模式的檢測結(jié)果,可有效縮短檢測時(shí)間、降低檢測成本。同時(shí),在同一檢測位置上系統(tǒng)控制兩模式順次激勵(lì),兩探測場在時(shí)空上互不干擾、解耦徹底,檢測結(jié)果中所包含的信息較為豐富,有利于缺陷幾何參數(shù)的反演。