基于暫態磁場梯度信號的脈沖渦流無損檢測和定量評估技術

齊 勇，李 勇，陳振茂，肖美華

（1.西安交通大學 航天航空學院 機械結構強度與振動國家重點實驗室，西安 710049；2.中國人民解放軍94354部隊，濟寧 272400）

脈沖渦流檢測技術（Pulsed Eddy Current Testing，簡稱PECT）［1－3］是一種基于傳統多頻／掃頻渦流檢測技術的新興電磁無損檢測技術。脈沖渦流檢測技術采用方波信號作為激勵，由于方波激勵信號可等效為不同頻率正弦波的疊加，因此脈沖渦流檢測信號具有豐富的頻譜信息，有利于深層缺陷的檢測，該技術已應用于核電設備、石油／化工管道、飛機機翼等多層金屬結構的電磁無損檢測中。目前，脈沖渦流檢測是一種對多層金屬結構實現有效檢測和定量評估的無損檢測方法之一，該技術多采用磁場測量技術，如利用固態磁場傳感器拾取暫態磁場信號。Li等人在建立脈沖渦流檢測解析模型的基礎上，實現了基于霍爾傳感器的脈沖渦流檢測探頭，探究了脈沖渦流檢測磁場信號在多層金屬結構檢測評估中的應用［4］；Tian等人采用巨磁阻傳感器（GMR），實現了基于磁場信號的脈沖渦流檢測技術及其對多層金屬結構缺陷的檢測與分類識別［5］。

磁場梯度測量技術［6］是一種測量磁場擾動大小的有效方法，廣泛應用于醫學核磁共振成像（MRI），具有對微觀磁場變化拾取靈敏度高等優勢［7］。文章將磁場梯度測量技術與脈沖渦流檢測技術相結合，以實現對多層板亞表面材質劣化檢測靈敏度的提高。通過仿真和試驗，探究了基于暫態磁場梯度信號的脈沖渦流無損檢測技術在多層板亞表面材質劣化檢測中的優勢性。

1 脈沖渦流檢測磁場梯度信號的理論表達式

如圖1（a）所示，一個由盤式線圈與固態磁場傳感器（如霍爾元件、巨磁阻傳感器、磁通門等）構成的脈沖渦流檢測探頭放置于多層金屬結構上方。

假設圖1（a）所建立的脈沖渦流檢測模型中，多層金屬結構各層材料為線性、均勻且各向同性的靜止媒質。基于ETREE解析法［8］，線圈激發磁場（）和渦流激發磁場（）的z分量磁場信號理論解析式為［9－10］：

圖1 多層金屬結構脈沖渦流檢測模型示意圖

式（1）和（2）中ω是脈沖渦流檢測信號諧波角頻率；μ0是真空磁導率；Jn為貝塞爾函數；I（ω）為激勵電流強度；N為線圈匝數；h為渦流場邊界距離；ai為J1（aih）＝0的正根；V1／U1為金屬體電磁場反射系數，可由參考文獻［4］中相關公式計算得到。公式中涉及的函數還包括：

下層板導電率的變化對金屬體電磁場反射系數的影響可寫為：

基于式（2），（6）和（9），下層板金屬導電率變化對磁場梯度信號和磁場信號的影響可寫為：

2 脈沖渦流檢測磁場梯度信號的仿真研究

如圖1（b）所示，二維軸對稱脈沖渦流檢測仿真模型由探頭（盤式激勵線圈和磁場傳感器）和被測試件組成，試件為典型雙層金屬平板結構，上層板導電率為定值，下層板導電率變化，以模擬下層板材質劣化。因脈沖渦流信號可等效為不同頻率渦流信號的疊加，故對所建立的脈沖渦流磁場梯度信號理論表達式的驗證在頻域中進行。仿真模型各參數為：激勵線圈外半徑r2＝24.64mm；激勵線圈內半徑r1＝22.57mm；激勵線圈高度H＝6.62mm；激勵線圈匝數N＝804；探頭設計提離z1＝0.64mm；磁場傳感器底部高度c1＝0.64mm；磁場傳感器厚度c＝0.46mm；上層金屬板導電率σ1＝34MS·m－1；下層金屬板導電率σ2＝10～59.98MS·m－1；上／下層金屬板相對磁導率μ1r／μ2r＝1；上層金屬板厚度d1＝1.50mm；下層金屬板厚度d2－d1＝8mm；激勵電流頻率f＝10～10000Hz；激勵電流幅值I＝0.50A；磁場傳感器半徑r0＝0.91mm。

同時采用 FEM－BEM［11］法和 ETREE法求取圖1（b）模型磁場梯度信號，圖2為下層金屬板導電率分別10，40和60MS／m時，磁場梯度信號實部和虛部與激勵頻率關系曲線。圖3為激勵頻率分別為100，1，10kHz時，磁場梯度信號實部（圖3（a）），虛部（圖3（b））對下層金屬板導電率變化的響應。由圖2和圖3可見，ETREE和FEM－BEM兩種方法計算結果基本吻合。通過進一步數據分析，發現計算結果相對誤差在1%以內，從而驗證了所建立的磁場梯度信號（式（6））及其對下層金屬板導電率變化響應解析式（式（11））的正確性。然而，由于采用ETREE法求解信號無需對求解域進行網格剖分，能在1s內得到計算結果，故較FEM－BEM法計算效率更高。

圖4為磁場梯度信號和磁場信號實部、虛部對下層金屬板導電率變化響應曲線。由圖4可見，與磁場信號相比，磁場梯度信號對下層金屬板導電率變化反應更為靈敏，可提升近兩個數量級，體現了磁場梯度信號在金屬部件亞表面層材質劣化定量評估中的優勢。

圖4 磁場梯度信號和磁場信號實部，虛部對下層金屬板導電率變化靈敏度曲線

3 脈沖渦流檢測磁場梯度信號試驗

脈沖渦流試驗平臺及其系統框圖如圖5所示。試驗中，為比較磁場信號和磁場梯度信號對亞表面層導電率變化的靈敏度，分別制作了兩類脈沖渦流檢測探頭，各探頭均由激勵線圈和固態磁場傳感器組成。激勵線圈參數為：外徑23mm，內徑20mm，線圈高20mm，匝數210，線徑0.27mm。檢測探頭分別采用兩類巨磁阻傳感器（均置于激勵線圈底部中心位置）：① NVE GMR－AA004－02測量總磁場z分量信號。② NVE GMR－ABL005測量總磁場z分量梯度信號。

圖5 脈沖渦流檢測試驗平臺及其系統框圖

功率放大器輸出最大幅值為5V的電壓，以驅動激勵線圈。鑒于NVE GMR傳感器存在非線性和磁滯現象，輸出的線圈驅動電壓置入4V直流分量，保證兩個傳感器均工作在線性區域。為模擬多層金屬板亞表面材質劣化，選用典型雙層金屬板結構，上層金屬板尺寸為60mm×60mm×1.5mm，材質為黃銅（導電率為14MS／m）；下層金屬板尺寸為60mm×60mm×3mm，材質可變，分別為黃銅，鎢（導電率為20MS／m）以及鋁（導電率為34MS／m）。各層板材料相對磁導率均為1。

圖6（a）為下層板不同導電率的磁場梯度信號，圖6（b）為下層板不同導電率的磁場差分信號（參考信號為空氣中探頭輸出的磁場信號）。需要指出的是，各試驗信號與仿真計算結果相近。由圖6可見，磁場梯度信號與磁場差分信號存在明顯差異。磁場梯度信號幅值（絕對值）隨下層板導電率的減小而減小，磁場差分信號幅值（絕對值）與下層板導電率呈遞增關系。

圖6 下層板不同導電率的磁場梯度信號和磁場差分信號

為證明磁場梯度信號在多層板亞表面材質劣化檢測中的優勢，在信號處理中，分別提取磁場梯度信號和磁場差分信號的特征，即峰值（PV）［12］，并采用擬合函數，建立PV與亞表面層電導率σ間的關聯規律，進而對該擬合函數進行求導，即d（PV）／d（σ），計算結果如圖7所示。可見，d（PV磁場梯度）／d（σ）數值遠大于d（PV磁場差分）／d（σ），表明磁場梯度信號對第二層金屬板導電率變化靈敏度較大。該結果印證了前述理論仿真結論，體現了脈沖渦流磁場梯度信號在金屬部件亞表面層材質劣化定量評估中的優勢。

圖7 磁場梯度信號和磁場信號對第二層金屬板導電率變化的靈敏度對比

4 總結

基于ETREE解析法，推導了基于磁場梯度信號的脈沖渦流檢測亞表面層材質劣化理論表達式，同時，通過與FEM－BEM仿真結果的對比，驗證了所建立理論表達式的正確性。通過仿真和試驗研究發現，與脈沖渦流磁場差分信號相比，脈沖渦流磁場梯度信號對金屬部件亞表面材質劣化靈敏度較大，從而證明了基于暫態磁場梯度信號的脈沖渦流檢測技術在金屬部件亞表面層材質劣化定量評估中的優勢。

［1］楊賓峰，羅飛路.脈沖渦流檢測系統影響因素分析［J］.無損檢測，2008，30（2）：104－106.

［2］張思全，陳鐵群，朱佳震.脈沖渦流檢測技術的進展［J］.無損檢測，2008，30（11）：838－864.

［3］周德強，張斌強，田貴云，等.脈沖渦流檢測中裂紋的深度定量及分類識別［J］.儀器儀表學報，2009，30（6）：1190－1194.

［4］Li Y，Tian G Y，Simm A.Fast analytical modelling for pulsed eddy current evaluation［J］.NDT＆E International，2008，41（6）：477－483.

［5］Tian G Y，Sophian A.Defect classification using a new feature for pulsed eddy current sensors［J］.NDT＆E International，2005，38（1）：77－82.

［6］Harrell J W.Effect of AC gradient field on magnetic measurements with an alternating gradient magnetometer［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1999，205（1）：121－129.

［7］Bartusek K，Gescheidtova E，Vesely J.Magnetic resonance technique of gradient magnetic field measurement［C］.Proceedings of the 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，Cancun，Mexico，2003：3282－3285.

［8］Li Y，Theodoulidis T，Tian G Y.Magnetic field－based eddy－current modeling for multilayered specimens［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（11）：4010.

［9］Li Y，Chen Z M，Qi Y.Generalized analytical expressions of liftoff intersection in PEC and a liftoff－intersection－based fast inverse model［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，47（10）：2931－2934.

［10］Tian G Y，Li Y，Mandache C.Study of lift－off invariance for pulsed eddy current signals［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2009，45（1）：184－191.

［11］Zuo Y，Chen Z M.Enhancement of sizing capability of ECT for deep cracks by using split TR probes［J］.International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2010，33（3）：1157－1164.

［12］Abidin I Z，Li Y，Latif N A，et al.Advantages and applications of pulsed eddy current testing for comprehensive and reliable defect assessment［J］.NDT SPECTRA，2011（5）：227－233.