脈沖渦流測厚中的傳感器提離效應補償方法*

吳月東 黃 琛 熊 波 劉 義

(1.北京西三環中路19號 北京 100071)(2.中國艦船研究設計中心電磁兼容性重點實驗室 武漢 430064)

?

脈沖渦流測厚中的傳感器提離效應補償方法*

吳月東1黃 琛2熊 波2劉 義2

(1.北京西三環中路19號 北京 100071)(2.中國艦船研究設計中心電磁兼容性重點實驗室 武漢 430064)

鐵磁性材料的脈沖渦流測厚信號對試件厚度和傳感器提離效應均較敏感,對壁厚特征量的提取造成困難。為了消除提離效應,提出了基于相對磁通量計算的信號處理方法。試驗結果顯示相對磁通量法對提離效應不敏感,其信號處理結果只與板厚有關。

脈沖渦流檢測; 鐵磁性材料板材; 提離效應

Class Number TM154

1 引言

脈沖渦流無損檢測手段(PEC)是一種金屬測厚與缺陷檢測的新型電磁方法[1～3]。其脈沖回波信號所提供的豐富的頻率分量,使該方法具有較大的穿透深度,同時也為后續信號處理帶來一定困難。隨著渦流檢測理論的不斷完善及信號處理方法的進步,脈沖渦流信號的解釋近年來取得了長足發展。按照其試材的屬性,可分為兩類:非鐵磁性材料測試與鐵磁性材料測試。

非鐵磁性材料測試適合于飛行器多層鉚接結構及帶狀銅、鋁或一些高合金材料的檢測[4～7]。而鐵磁性材料測試則可用于檢測帶包覆層管道或壓力容器因大面積腐蝕造成的厚度變化[8～10]。

與傳統渦流檢測方法特性一樣,PEC方法對傳感器提離效應非常敏感。提離效應將導致PEC信號相位與幅值的變化,從而遮蓋因厚度變化造成的信號變化。

本論文提出了一種適用于鐵磁性材料檢測中,消除提離效應的方法,該方法不需要額外的測量次數或參考信號提供輔助。

2 提離效應補償方法

以在20mm厚16Mn容器鋼板上得到的一組信號為例,該組信號是在不同的傳感器提離高度下得到的,如圖1所示。

圖1 一組在20mm鋼板上得到的脈沖渦流測試信號

假設在無提離環境下測試得到的信號幅值為100%,則由提離引起的信號幅值時域衰減(百分比)如圖2所示。

由圖2可知,由一定提離高度引起的時域信號幅值衰減量并不是常數。大的提離高度將導致大的衰減。圖2顯示衰減量對噪聲也比較敏感(典型如220ms之后的信號)。因此,以簡單的對信號各取樣點乘以一個常數補償提離效應的方法是行不通的,也很難找導一種消除提離效應的線性補償方法。

對于從線圈結構傳感器得到的連續PEC信號,其起始時間為t0,則原始時域信號v(t)顯示了絕對磁通量變化,其定積分(以w(t)表示)由時間t0～t的信號v(t)積分而來,理論上分析,應從激勵電流關斷時(t0=0ms)開始積分,w(t)表征了通過線圈的絕對磁通量的值。

式(1)說明了PEC連續信號的相對磁通量變化率s(t)的計算方法。

(1)

對于時間離散的PEC時域檢測信號V[N],其積分由由梯形數字積分計算,如式(2)所示:

(2)

V[N0]是離散PEC信號的起始點。理論上V[N0]與v(t0)相等。積分曲線W[N]有經過一段時間后趨于常數的特性,此時激勵電流達到穩態。當將V[N]與W[N]點對點相除時,可得到S[N],即數字采樣的離散PEC信號的相對磁通量變化率。這個過程由式(3)表示:

+V[M+1])/2]N>N0+1

(3)

給定采樣頻率,則很容易由離散信號的索引值N轉換為時間單位t,這樣我們可由S[N]得到s(t)。s(t)就是處理后的信號,可由其進行壁厚特征量提取的后續操作。

3 實驗設置

制作的一套脈沖渦流實驗系統,方波電流激勵幅值為3.8A,關斷時間小于1ms。實驗數據由采樣率為25kHz的16位精度數據采集卡采集。采樣時間為984ms。并制作了線圈式傳感器以適應本方法。

四塊大小一致,厚度不同的16Mn容器鋼為本實驗試樣。板材長寬尺寸為500mm×500mm,厚度分別為10mm,20mm,30mm,45mm。

4 實驗結果與討論

待處理的信號為上述四塊鋼板分別在0mm,8mm,16mm,24mm,32mm及40mm提離高度下得到的信號。原始信號因提離效應影響,無法區分試件厚度。

圖3顯示了24個笛卡爾坐標系下經過處理的時域信號(即相對磁通量變化率)。由圖3可知,24個信號分成了四簇,每簇信號為同一厚度下不同提離條件下的信號。

圖3 笛卡爾坐標系下經過處理的信號

使用評價波形相似度的方法可定量本方法的效果。當指定一個經過處理的信號為標準參考信號時,以方差和(SSE)指標作為評價指標,小的方差和說明了波形的高相似度,反之亦然。

無提離條件下的信號被選為參考信號。例如,在10mm厚度板上,以不同提離高度得到的信號與無提離高度時得到的信號進行求SSE運算,其它20mm～45mm厚度板材上得到的信號也進行次操作。SSE值如表1所示。可見對于同一板厚,不同提離條件下的SSE值大約在10-7～10-6量級。

表1 不同提離高度下的SSE值

接下來驗證該方法不會消除壁厚變化帶來的信號變化。當比較同一提離高度下得到不同板厚信號時,SSE值如表2所示。可見SSE值大約在10-5～10-4量級。

表2 不同板厚條件下SSE值

由表1和表2可知,在不同壁厚條件下最小SSE值為7.93E-05。在不同提離高度下,最大SSE值為1.71E-06。因此最大提離效應減小到最小壁厚效應的2.16%。

5 結語

提出了一種基于相對磁通量變化率的鐵磁性材料PEC檢測信號的提離效應消除方法。根據波形相似度評價指標,該方法的效果得以定量描述。結果顯示提離效應被減少到壁厚變化效應的2.16%。

[1] Y. A. Plotnikov, S. C. Nath, C. W. Rose. Review of Quantitative Nondestructive Evaluation, ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti,(American Institute of Physics, 2002),1976-1983.

[2] J. S. R. Giguère, B. A. Lepine, J. M. S. Dubois. Review of Quantitative Nondestructive Evaluation, ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti, (American Institute of Physics, 2002),1968-1975.

[3] Hung-Chi Yang, Cheng-Chi Tai. Measurement Science & Technology,2002,13:1259-1265.

[4] 王春艷,陳鐵群,張欣宇.脈沖渦流檢測技術的某些進展[J].無損探傷,2005(4):1671-4423.

[5] Sophian A. A Feature Extraction Technique Based on Principal Component Analysis for Pulse Eddy Current[J]. NDT & E International,2003(1):37-41.

[6] 鄭崗,趙亮.金屬厚度的脈沖渦流無損檢測研究[J].傳感器與微系統,2006(4):35-37.

[7] DODD C V, DEEDS W E. Analytical solutions to eddy-current probe-coil problem[J]. Journal of Applied Physics,1968(6):2829-2838.

[8] MANDACHE C. Transient and harmonic eddy currents: Lift-off point of intersection[J]. NDT & E International,2006(1):57-60.

[9] 楊賓峰,羅飛路,張玉華.飛機多層結構中裂紋的定量檢測及分類識別[J].機械工程學報,2006(2):63-67.

[10] HAAN de V O. Simultaneous measurement of material properties and thickness of carbon steel plates using pulsed eddy currents[A]. Canada,2004.

Compensation Method of Sensor Lift-off Effect to Thickness Measurement of Pulsed Eddy Current

WU Yuedong1HUANG Chen2XIONG Bo2LIU Yi2

(1. No. 19 Central Xisanhuan Road, Beijing 100071)(2. The National Key Laboratory of EMC, China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

It is sensitive for specimen thickness and sensor lift-off effect to the pulsed eddy current thickness measurement signal of ferromagnetic materials. That causes difficulties to the extraction of wall thickness quantities. In order to eliminate the lift-off effect, the signal processing method is proposed based on the calculated relative flux. The results show that the relative flux method is not sensitive to the lift-off effect and the signal processing results is related only to the specimen thickness.

pulsed eddy current test, magnetic iron plate, lift-off effect

2014年9月1日,

2014年10月26日

吳月東,男,碩士,工程師,研究方向:裝備采購。

TM154

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.034