鋼板表面球形孔電磁超聲檢測(cè)信號(hào)特性分析

王 麗，武新軍，汪玉剛

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

鋼板表面球形孔電磁超聲檢測(cè)信號(hào)特性分析

王 麗，武新軍，汪玉剛

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

針對(duì)儲(chǔ)罐底板表面腐蝕坑類(lèi)缺陷定量化檢測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)，利用電磁超聲非接觸、無(wú)需耦合劑的特點(diǎn)，采用自行研制的表面波傳感器對(duì)鋼板表面模擬腐蝕缺陷的球形孔進(jìn)行掃查檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)討論檢測(cè)信號(hào)特性，并提出利用信號(hào)衰減起始點(diǎn)對(duì)鋼板表面球形孔的截面直徑進(jìn)行缺陷信息反演的方法。結(jié)果表明：球形孔掃查檢測(cè)信號(hào)呈現(xiàn)共同的特征，對(duì)球形孔在鋼板表面的截面直徑進(jìn)行反演的相對(duì)誤差在17%以?xún)?nèi)，且信號(hào)直線(xiàn)衰減部分的斜率隨孔深度的增大而單調(diào)增大。該結(jié)果有望為腐蝕坑類(lèi)缺陷定量評(píng)判提供新的特征量。

電磁超聲；球形孔；掃查檢測(cè)；信號(hào)特性；定量評(píng)判

0 引 言

超聲波探傷是鋼板表面檢測(cè)的主要手段之一，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)不僅需要判斷缺陷的有無(wú)，實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的定量評(píng)價(jià)也至關(guān)重要。對(duì)缺陷的定量檢測(cè)需根據(jù)獲取的檢測(cè)信號(hào)特性反演缺陷信息，但影響檢測(cè)信號(hào)的因素很多[1]，分析檢測(cè)信號(hào)特性逆向推斷缺陷信息給出定量解釋是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)及研究熱點(diǎn)。

基于壓電超聲技術(shù)，利用缺陷反射回波進(jìn)行信息提取是常用的測(cè)量分析方法[2-3]。Cooper等[4]則通過(guò)激光檢測(cè)技術(shù)同時(shí)從時(shí)域和頻域上進(jìn)行分析。也有學(xué)者以反射透射比等來(lái)評(píng)價(jià)裂紋的深度[5-6]。基于衍射波的端點(diǎn)衍射波法是當(dāng)前測(cè)定缺陷深度的熱門(mén)技術(shù)，在表面開(kāi)口裂紋甚至帶包覆層的金屬表面裂紋中均有應(yīng)用[7-8]。除以上運(yùn)用超聲反射波、透射波和衍射波的方法外，近年Edwards等[9]提出了一種裂紋類(lèi)缺陷定量分析的新方法，利用近距離檢測(cè)時(shí)超聲信號(hào)干涉增強(qiáng)的幅度與缺陷深度的關(guān)系對(duì)缺陷做定量評(píng)判。

上述研究中檢測(cè)的缺陷類(lèi)型多為裂紋、刻槽結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼板腐蝕坑類(lèi)缺陷的定量檢測(cè)報(bào)道則相對(duì)較少。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電超聲，是一種非接觸的換能方式[10]，檢測(cè)時(shí)可以排除耦合劑對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。本文基于電磁超聲檢測(cè)技術(shù)，使用自行研制的表面波傳感器，對(duì)模擬腐蝕坑類(lèi)缺陷的球形盲孔進(jìn)行了透反射結(jié)合的線(xiàn)掃查檢測(cè)實(shí)驗(yàn)并對(duì)檢測(cè)信號(hào)特性作了詳細(xì)分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 電磁超聲表面波傳感器

實(shí)驗(yàn)所用的電磁超聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括激勵(lì)和接收兩個(gè)單元，屬一發(fā)一收的傳感器模式，兩單元的中心間距為80mm。激勵(lì)與接收單元均由回折線(xiàn)圈和提供垂直磁場(chǎng)的永磁鐵組成，該結(jié)構(gòu)能有效激發(fā)能量集中且指向性較好的電磁超聲表面波。

此傳感器主要針對(duì)厚度大于8 mm的鋼板表面缺陷檢測(cè)，采用的激勵(lì)頻率為1.5MHz。為了方便掃查檢測(cè)，在傳感器的底部設(shè)計(jì)安裝了6個(gè)微型萬(wàn)向球，使該傳感器可在鋼板上沿任意方向運(yùn)動(dòng)。綜合考慮傳感器的換能效率以及傳感器在鋼板上的運(yùn)動(dòng)可靠性，傳感器線(xiàn)圈距鋼板表面的距離約為1.5mm。

1.2 檢測(cè)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)

采用如圖2所示的檢測(cè)平臺(tái)，主要由用于精確控制傳感器位置的三坐標(biāo)工作臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大裝置、電磁超聲表面波傳感器、信號(hào)放大濾波裝置以及示波器等組成。示波器中的數(shù)據(jù)最終經(jīng)存儲(chǔ)器導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)所用試件為長(zhǎng)1210mm、寬510mm、厚8mm的鋼板，采用φ25mm的球頭銑刀在鋼板表面不同位置處分別加工深度為板厚20%、40%、60%和80%的4個(gè)球形盲孔，隨著盲孔深度的增大，其在鋼板表面的截面直徑也在增大。

圖1 電磁超聲表面波傳感器

圖2 球形孔掃查檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖

安放傳感器時(shí)使球形孔的鋼板表面截面中心與表面波聲束軸線(xiàn)重合，以此聲軸線(xiàn)為x軸并假定被測(cè)缺陷中心為零點(diǎn)，x軸的正向見(jiàn)圖2標(biāo)示。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)傳感器接收單元與激勵(lì)單元中心位于球形孔的同一側(cè)且分別處于120 mm和200mm位置處，保持傳感器放置方位不變并使其沿聲軸線(xiàn)即x軸負(fù)向以一定步距作直線(xiàn)掃查檢測(cè)，每移動(dòng)一個(gè)點(diǎn)，記錄下該檢測(cè)點(diǎn)的接收信號(hào)，直至接收單元中心運(yùn)動(dòng)至-50mm位置處。傳感器的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)由電機(jī)通過(guò)絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部位實(shí)現(xiàn)，該運(yùn)動(dòng)部位以點(diǎn)動(dòng)或連動(dòng)的方式推動(dòng)傳感器在鋼板表面移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)準(zhǔn)確度可達(dá)0.005mm。推動(dòng)過(guò)程中通過(guò)觀察超聲信號(hào)幅值變化確定運(yùn)動(dòng)步距，此實(shí)驗(yàn)使用的最大步距為5mm，最小為0.5mm。而由于電機(jī)開(kāi)停等因素影響，實(shí)際移動(dòng)距離與所設(shè)定的移動(dòng)步距存在誤差，因此該工作臺(tái)安裝有光柵尺位置測(cè)量裝置，以精確讀取工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部位的實(shí)際位置。

2 檢測(cè)信號(hào)分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了脈沖反射法檢測(cè)到透射法檢測(cè)的過(guò)程，兩種方法對(duì)應(yīng)的典型檢測(cè)信號(hào)如圖3所示。可以看到由于激勵(lì)單元與接收單元之間的距離一定，通過(guò)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間始終保持不變，并且兩單元之間80mm的距離確保了電磁脈沖干擾與通過(guò)信號(hào)無(wú)時(shí)域上的重疊，便于提取通過(guò)信號(hào)的幅值。脈沖反射法檢測(cè)時(shí)，深80%的球形孔缺陷信號(hào)清晰可見(jiàn)，透射法檢測(cè)深20%球形孔時(shí)，通過(guò)信號(hào)幅值明顯有所減小。

圖3 兩種檢測(cè)方法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)

提取每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)接收的通過(guò)信號(hào)峰峰值，得到如圖4所示的峰峰值與接收單元中心所處位置對(duì)應(yīng)的關(guān)系圖。可見(jiàn)，4個(gè)深度的球形孔檢測(cè)結(jié)果有著相同的信號(hào)特征，在傳感器距缺陷較遠(yuǎn)的位置處信號(hào)大小保持在一個(gè)較穩(wěn)定的值上。隨著檢測(cè)距離的減小，在某一位置處通過(guò)信號(hào)開(kāi)始基本呈直線(xiàn)衰減，直至接收單元中心越過(guò)球形孔中心后，信號(hào)達(dá)到最小值，緊接著信號(hào)略有上升最終又趨于平穩(wěn)。

圖4 不同深度球形孔線(xiàn)掃查檢測(cè)信號(hào)

進(jìn)一步分析，線(xiàn)圈在掃查方向上的有效寬度為31.5mm，測(cè)得4個(gè)深度的球形孔在鋼板表面的實(shí)際截面直徑分別為φ7.5mm、φ14mm、φ20mm、φ22mm。傳感器在鋼板表面移動(dòng)過(guò)程中接收單元線(xiàn)圈與球形孔存在如圖5所示4種特殊的相對(duì)位置，對(duì)應(yīng)的接收單元中心在x軸位置分別為d1、d2、d3、d4，計(jì)算這4個(gè)位置值如表1所示并將其標(biāo)于圖4中。由此可依次將掃查檢測(cè)信號(hào)劃分為5個(gè)部分:1）接收單元中心從120mm位置到d1位置處，傳感器激勵(lì)與接收單元之間不受缺陷影響，在假定儀器性能穩(wěn)定、鋼板材質(zhì)均勻的情況下通過(guò)信號(hào)幅值應(yīng)為一定值；2）從d1位置處開(kāi)始，由于接收線(xiàn)圈與鋼板表面的接觸面積在減小，接收的超聲信號(hào)開(kāi)始衰減直到d2位置；3）從d2位置到d3位置，雖然接收線(xiàn)圈與鋼板表面的接觸面積不變，但接收的信號(hào)逐漸由未經(jīng)過(guò)球形孔阻擋的超聲成分轉(zhuǎn)為經(jīng)過(guò)球形孔阻擋的超聲成分，所以信號(hào)繼續(xù)衰減，直至越過(guò)球形孔中心到達(dá)d3位置時(shí)，通過(guò)信號(hào)達(dá)到最小值；4）從d3位置到d4位置，接收線(xiàn)圈與鋼板表面的接觸面積逐漸增大，信號(hào)又略有上升；5）過(guò)了d4位置后，在激勵(lì)線(xiàn)圈未跟球形孔發(fā)生干涉之前，理論上通過(guò)信號(hào)幅值再次穩(wěn)定為一個(gè)常值。從圖4可以看出，對(duì)這5部分的分析與實(shí)際掃查檢測(cè)信號(hào)的特征基本一致。注意到在d3位置處深80%球形孔檢測(cè)信號(hào)反而呈現(xiàn)局部增大現(xiàn)象，這可能與該球形孔由于制造加工誤差其邊緣存在突變而非平滑過(guò)渡有關(guān)。

圖5 球形孔掃查檢測(cè)過(guò)程中4個(gè)特殊的相對(duì)位置

表1 球形孔掃查檢測(cè)4個(gè)特殊位置計(jì)算值

實(shí)際觀察掃查檢測(cè)信號(hào)，4個(gè)特殊位置點(diǎn)只有d1的值易于從信號(hào)中分辨出來(lái)，將表1計(jì)算得到的該點(diǎn)值定義為理想信號(hào)衰減起始點(diǎn)，把從實(shí)驗(yàn)信號(hào)中實(shí)際提取得到的值（圖4中橢圓標(biāo)記處）定義為實(shí)驗(yàn)信號(hào)衰減起始點(diǎn)如表2所示。在已知傳感器線(xiàn)圈寬度的情況下，根據(jù)值反演計(jì)算球形孔在鋼板表面的截面直徑。為了更加直觀展示，將測(cè)量的截面直徑也列于表2中，可見(jiàn)兩者的相對(duì)誤差不超過(guò)17%。但該方法用于實(shí)際檢測(cè)時(shí)，需已知零點(diǎn)的位置，此時(shí)可通過(guò)脈沖反射法確定缺陷所處位置再利用該方法對(duì)其進(jìn)行定量分析。也可通過(guò)計(jì)算d4與d1的差值得到線(xiàn)圈寬度和球形孔截面直徑之和，而線(xiàn)圈寬度是已知的，此時(shí)不需要確定零點(diǎn)位置即可反算得到球形孔截面直徑且能提高計(jì)算精度。

表2 球形孔在鋼板表面截面直徑分析結(jié)果

另外，因信號(hào)第2）～3）部分近似呈連續(xù)的直線(xiàn)下降過(guò)程，于是將d1到d3位置段的數(shù)據(jù)作線(xiàn)性擬合得到信號(hào)衰減斜率k值如表3所示。可見(jiàn)隨著盲孔深度的增大，k值也單調(diào)增大，此斜率k值可用于評(píng)判球形孔深度。

表3 信號(hào)衰減斜率k值擬合結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于電磁超聲檢測(cè)技術(shù)，研究了鋼板表面球形盲孔線(xiàn)掃查檢測(cè)信號(hào)特性。結(jié)合4個(gè)不同深度球形孔檢測(cè)信號(hào)具有相同的信號(hào)特征以及4個(gè)特殊位置點(diǎn)的計(jì)算，將信號(hào)劃分為5個(gè)部分進(jìn)行分析。提取信號(hào)中衰減起始點(diǎn)值對(duì)球形孔在鋼板表面的截面直徑進(jìn)行反演，與測(cè)量的截面直徑大小相對(duì)誤差在17%以?xún)?nèi)；對(duì)信號(hào)衰減段數(shù)據(jù)作線(xiàn)性擬合發(fā)現(xiàn)，衰減斜率k值隨球形孔深度的增大而單調(diào)增大。本研究工作，對(duì)于拓展無(wú)損檢測(cè)缺陷定量技術(shù)具有一定意義。

[1]簡(jiǎn)曉明，李明軒.超聲檢測(cè)中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)缺陷定量評(píng)價(jià)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25（1）:71-77.

[2]王錚，梁菁，史麗軍，等.復(fù)合材料層板超聲檢測(cè)缺陷評(píng)定方法分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44（4）:138-141.

[3]牛向東.超聲端點(diǎn)反射法測(cè)量裂紋自身高度的數(shù)字處理方法[J].無(wú)損檢測(cè)，2001，23（7）:298-301.

[4]Cooper J A，Dewhurst R J，Palmer S B.Characterization of surface-breaking defects in metals with the use of laser generated ultrasound[J].Philos Trans R Soc Lond A，1986（320）:319-328.

[5]Cheng A，Achenbach J D.A roller device to scan for surface-breaking cracks and to determine crack depth by a self-calibrating ultrasonic technique[J].Research in Nondestructive Evaluation，1996，7（4）:185-194.

[6]韓曉華，張薇，楊陽(yáng)，等.透射波半高度法測(cè)量裂紋高度的研究[J].中國(guó)測(cè)試，2012，38（6）:9-12.

[7]何莎，袁宗明，喻建勝，等.超聲衍射時(shí)差法檢測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)測(cè)試，2009，35（3）:104-106，128.

[8]Baby S，Balasubramanian T，Pardikar R J，et al.Timeof-flight diffraction（TOFD）technique for accurate sizing of cracks embedded in sub-cladding[J].Insight，2003，45（9）:600-604.

[9]Edwards R S， Dixon S， Jian X.Depth gauging of defects using low frequency wideband Rayleigh waves[J]. Ultrasonics，2006，44（1）:93-98.

[10]王淑娟，康磊，趙再新，等.電磁超聲換能器的研究進(jìn)展綜述[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（5）:47-50.

Analysis on characteristics of electromagnetic acoustic signals for spherical holes on steel plate surface

WANG Li，WU Xin-jun，WANG Yu-gang
（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Quantitative testing for corrosion pits which usually appear on the steel surface of storage tank is a technicaldifficulty.In this paper， the scanning experiment， in which electromagnetic acoustic transducer（EMAT）was chosen due to its advantage of no couplant interference with the acoustic wave propagation，was conducted to investigate the experimental signals of spherical holes as the analog of corrosion pits.A method of calculating the surface section diameters of spherical holes using the attenuation starting points of scanning signals was proposed.Results show that the scanning signals of spherical holes with different depths have consistent characteristics and the calculation error of the surface section diameters is within 17%. Besides，the signal slope of linear attenuation portion increases monotonically with the increase of spherical hole depth.The research has the possibility to provide new characteristic values for the quantitative evaluation of corrosion pit defects.

EMAT；sphericalhole；scanning inspection；signalcharacteristics；quantitative evaluation

TG142；TG115.285；TN911.7；TP274

：A

：1674-5124（2014）05-0017-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.004

2013-10-09；

：2013-12-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51205148）國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)（2012YQ09017502）

王 麗（1987-），女，江西上饒市人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)殡姶懦暉o(wú)損檢測(cè)技術(shù)。