基于頻譜分析的渦流探頭工作頻率確定方法及檢測系統研究

楊琳瑜，丁慶喜，于潤橋

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

渦流無損檢測是指利用材料在鐵磁線圈作用下，通過呈現出電學或磁學性質的變化，來判斷材料表面或內部組織及有關性能的試驗方法［1］。渦流檢測時把導體接近通有交流電的線圈，由線圈建立的交變磁場與導體發生電磁感應作用，在導體內建立渦流。此時，導體中的渦流也會產生相應的感應磁場，并影響原磁場的強弱，進而導致線圈電壓和阻抗的改變。影響渦流變化的因素很多，包括導體自身各種因素（如電導率、磁導率、形狀、尺寸和缺陷等）的變化，線圈與導體之間的距離變化等，都將會導致感應電流的變化。渦流檢測正是利用了這些變化，可以完成如下檢測：① 不連續性缺陷如裂紋、夾雜物、材質不勻等。② 電導率。③ 磁導率。④ 試件幾何尺寸，如形狀、大小、膜厚等。⑤ 被檢件與檢測線圈間的距離（提離間隙）、覆蓋層厚度等［2］。但這些影響因素往往同時存在于一次檢測中，電壓和阻抗的變化是這些影響因素的綜合反映。如何從中區分出某一項被檢測量，正是渦流檢測需要解決的問題。

由于集膚效應的作用，渦流檢測激勵信號的頻率將影響導體中渦流的分布，在不同頻率激勵下，各影響因素所產生的響應不同，因此渦流檢測對某一被測量的檢測靈敏度在很大程度上依賴于試驗頻率。如何快速有效地找出某一探頭應用于特定材料工件的最佳試驗頻率，是渦流檢測工程實踐中亟待解決的問題。通常，試驗頻率依據下列因素進行選擇：① 集膚效應（滲透深度）和檢測靈敏度。② 檢測因素的阻抗特性［3－4］。但這些方法只能給出估算值，實際應用還需根據經驗和反復的試驗才能獲取較為合適的試驗頻率。傳統的方法已難以滿足工業實際應用的需要，因此尋找一種快速準確的確定渦流檢測最佳試驗頻率的方法具有十分重要的意義和實際工業價值。

文章提出了一種基于頻譜分析的渦流探頭最佳試驗頻率獲取方法，設計了數字化渦流阻抗檢測系統。在該系統中，激勵信號掃頻輸出至渦流探頭，檢測信號拾取后數字化分解為實部和虛部，經串口輸出至計算機，從而實時生成探頭阻抗變化量的頻譜圖。借助該系統，可方便、快捷、實時地獲取各探頭的阻抗頻譜，根據實際需要分析獲得最佳試驗頻率。

1 檢測線圈阻抗數值化二維分解方法

渦流線圈阻抗測量電路原理如圖1所示。激勵源采用正弦信號，設檢測線圈阻抗為Zx＋Rx＋j Xz，由圖可知，檢測線圈的輸出電壓向量U1即為被測阻抗Zx兩端的電壓，故：

圖1 阻抗測量原理圖

若Rb遠遠大于｜Rx＋j Xx｜：

設us為參考電壓，即us＝uscos wt，則u1的實部電壓和虛部電壓u1i分別為：

上式中濾除高頻正弦信號，輸出直流分量即正比于u1的實部，將Us的正交信號即us移相π／2的信號，us與u1相乘：

此時輸出直流分量正比于u1的虛部。

要除去高頻信號，除了通過低通濾波環節，還有另外一種方法，即通過積分的方法：

通過數字阻抗分解，將上述的積分過程離散化，且令us的幅值保持為1，即：

式中f（n）為被測信號u1（t）的離散采樣信號；cos（n），sin（n）為離散形式的正交解調信號us（t）和us（t）′。

2 系統設計

檢測系統原理如圖2所示。信號產生和輸出單元由27位相位累加器的DDS核、數模轉換器（DAC）及可編程放大器組成。輸出單元可通過上位機設置頻率增益寄存器和頻率增益數寄存器來實現掃頻功能。DDS的離散數字信號通過DAC后變成連續模擬信號，經放大器放大后提供檢測探頭所需激勵信號Us。檢測探頭阻抗測量電路將阻抗轉換為電壓U1，經放大濾波后送12位模數轉換為x（n）。cos（n）和sin（n）是 DDS內核提供的頻率點f的采樣測試矢量。對ADC采樣數據做離散傅里葉變換（DFT），如下式所示：

圖2 檢測系統原理圖

DFT算法結果的實部r和虛部i分別存入16位的實部寄存器和虛部寄存器中。經串口送計算機，下載實部和虛部的數據。采用直接數字頻率合成（DDS）技術產生激勵信號，能方便地實現激勵信號頻率掃描，使采用頻譜分析方法進行渦流檢測最佳檢測頻率范圍的確定成為可能。

3 探頭阻抗特性頻譜分析試驗

以應用點式探頭檢測平板類工件的表面缺陷為例，采用頻譜分析法獲得最佳試驗頻率。試驗采用點式探頭，檢測線圈主要參數為：磁芯材料MnZn高導磁率鐵氧體，線圈內徑D1＝2.8mm、外徑D＝3mm、高H＝5mm，線圈匝數n＝30匝、線徑d＝0.3mm。

試驗準備預制缺陷試塊1塊，試塊材料為45號鋼，預制人工缺陷如圖3所示，其中刻槽模擬不同深度的裂紋類缺陷，平底孔模擬常見的腐蝕缺陷。

圖3 試塊缺陷位置和形狀示意圖

采用點式探頭檢測平板類工件的表面缺陷時，若工件材料相同，則提離效應對檢測結果的影響最大，因此在選取工作頻率時，不僅要考慮高靈敏度，同時應兼顧提離的影響應盡可能小。試驗時將探頭分別置于以下3個位置：① 緊貼工件表面，無缺陷處。②緊貼工件表面，試塊最小缺陷處。③ 距離工件表面1mm，無缺陷處。每一位置下控制檢測線圈激勵信號us的頻率按要求遞增，為保證足夠的渦流檢測響應時間，每一頻率激勵信號保持30個周期。每一頻率下系統輸出的實部和虛部量為這30個周期的算術平均，其中實部標記為Ai（f），虛部標記為Bi（f）。其中i＝1，2，3，分別對應3個位置下的輸出值，f為各離散的頻率點。考慮到實際檢測時顯示的是探頭經過缺陷時阻抗的變化量，因此以位置1為檢測基準，得到缺陷頻譜：

圖4 探頭粗掃描和細化掃描阻抗頻譜圖

根據探測深度和靈敏度要求，首先進行粗掃描，頻率f的變化范圍選擇為1～100kHz，頻率增量100Hz。圖4為探頭作用于試塊時，粗掃描及細化掃描阻抗變化頻譜圖。由圖4（a）可見，不同頻率下，阻抗變化量是完全不同的，相同探頭對于不同材料的工件，阻抗的變化規律也完全不同。通過頻譜圖直觀顯示出：對于1號試塊，頻率為51～56kHz的范圍內，缺陷處的實部和虛部的變化值都比較大，提離情況下的實部和虛部變化量小于最小缺陷處阻抗的實部、虛部的變化量，且變化方向相反。選用這一頻率段，有利于區分缺陷和提離，且具有較高的缺陷檢測靈敏度。

為獲得更為精確的試驗頻率點，進行2次細化掃描，頻率范圍為51～56kHz，增量為10Hz，測量結果如圖4（b）所示。從圖可見，頻率為51～52.5kHz時，缺陷檢測靈敏度稍高。

確定最佳工作頻率后，系統工作于單頻激勵模式下，激勵源輸出固定頻率52kHz正弦波，探頭勻速掃過工件表面，實時檢測結果如圖5所示，從圖5中可以很清楚地辨別出試塊上的5個孔和4條縫模擬缺陷，兩類缺陷能有效區分。說明選擇該頻率作為工作頻率是適合該探頭和工件的。

圖5 鋼板連續掃描（52kHz）

4 結論

試驗結果表明，應用數字化阻抗分解設計的渦流檢測系統，由于采用DDS技術，可以方便地實現激勵信號的頻率掃描輸出，使用該測試系統能快速獲取探頭阻抗的頻譜特性，為探頭工作頻率的確定提供了方便、實用、快捷的系統工具。該系統同時又能實現激勵信號的單一頻率輸出或多頻率輸出，系統可以作為單頻渦流檢測系統或多頻渦流檢測系統使用，因此系統兼具頻譜分析及檢測功能，提高了實際檢測過程中的工作效率。檢測原始數據傳送至計算機，方便后續的信號處理及其它功能的二次開發。

［1］任吉林，林俊明.電磁無損檢測［M］.北京：科學出版社，2008：75－77.

［2］蔣齊密，張新訪，劉土光，等.電渦流檢測系統的參數設置依據［J］.無損檢測，2001，23（3）：100－105.

［3］美國無損檢測學會.美國無損檢測手冊（電磁卷）［M］.上海：世界圖書出版社，1996.

［4］Tomasz Chady，Masato Enokizono，Ryszard Sikora.Neural network models of eddy current multi－frequency system for nondestructive testing［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2000，36（4）：1724－1727.