結合磁場梯度測量的脈沖調制渦流檢測關鍵技術研究*

閆　貝， 李　勇,2， 李　達， 陳振茂,2， 王　鈞

(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，陜西 西安 710049；2.西安交通大學 核能結構安全檢測與完整性評價研究中心，陜西 西安 710049；3.中航飛機股份有限公司 西安制動分公司，陜西 西安 710075)

結合磁場梯度測量的脈沖調制渦流檢測關鍵技術研究*

閆貝1， 李勇1,2， 李達1， 陳振茂1,2， 王鈞3

(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，陜西 西安 710049；2.西安交通大學 核能結構安全檢測與完整性評價研究中心，陜西 西安 710049；3.中航飛機股份有限公司 西安制動分公司，陜西 西安 710075)

摘要:脈沖調制渦流(PMEC)檢測技術是一種新型脈沖渦流(PEC)檢測技術，研究發(fā)現，該技術相較傳統PEC檢測技術在金屬構件缺陷檢測和評估中具有優(yōu)勢。通過集中研究PMEC檢測技術與磁場梯度測量(GMFM)技術的有效結合，探究其在金屬構件亞表面裂紋檢測中的應用關鍵和技術優(yōu)勢。仿真分析了PMEC磁場梯度信號及其特征，以及金屬構件亞表面裂紋PMEC檢測的典型掃查曲線，探究和比較了缺陷檢測靈敏度。搭建了試驗系統，試驗進一步驗證了仿真分析結論。研究表明:磁場梯度測量與PMEC檢測技術相結合，可有效增強亞表面裂紋的檢測靈敏度約10 %。

關鍵詞:電磁無損檢測和評估； 脈沖調制渦流檢測； 亞表面裂紋； 磁場梯度測量

0引言

傳統脈沖渦流(pulsededdycurrent，PEC)檢測技術[1～3]通常采用方波激勵信號，能夠在一次激勵下獲取金屬不同深度的完整信息，可對金屬構件亞表面裂紋實現檢測和評估。但最近的研究表明該技術存在一定的不足，主要體現在：PEC檢測的方波激勵信號能量主要集中于其直流成分和低頻諧波成分，但是直流成分無法感應渦流場，而低頻諧波成分感應產生的渦流場強度較弱，從而導致渦流場對金屬構件亞表面裂紋響應較弱、檢測系統信噪比較差、對金屬構件亞表面裂紋的響應靈敏度偏低[4]。為了解決方波激勵信號的能量分配問題，本文提出了基于脈沖調制波[5～7]激勵的新型PEC檢測技術，即脈沖調制渦流(pulse-modulation-basededdycurrent，PMEC)檢測技術，該技術避免了方波激勵能量分配的弱點，且能將激勵能量進行有效分配，可有效改善檢測系統的信噪比，并提高金屬構件亞表面缺陷檢測靈敏度。

磁場梯度測量(GMFM)技術[8～10]是一種測量磁場空間擾動大小的有效方法，具有對微觀磁場變化提取靈敏度高等優(yōu)勢，本文將其與PMEC技術相結合，基于退化磁矢位(AR)法[11]進行有限元仿真和試驗，仿真與試驗結果均驗證了PMEC磁場梯度信號對金屬構件亞表面裂紋檢測具有更高的靈敏度。

1仿真研究

1.1基于AR法的有限元仿真

目前，PEC檢測三維數值的仿真多采用商業(yè)有限元軟件，對計算機性能要求較高，且存在計算時間較長等問題。由于AR法不需要對激勵源劃分網格，因此具有較高的計算精度和效率。鑒于此，本文采用AR法進行有限元仿真。針對基于磁場梯度信號的PMEC檢測，對原有的PEC檢測仿真模型[12,13]進行了修改和補充，以建立PMEC檢測有限元計算模型。在AR法中，PMEC檢測激勵信號可通過時域的正弦載波信號與方波調制波信號相乘得出，其傅立葉級數展開式為

(1)

式中ω1=ωc-nωm，ω1=ωc+nωm，ωc與ωm分別為載波和調制波角頻率,Fn為脈沖調制激勵電流信號幅值,則PMEC磁場信號表達式為

(2)

式中Bn為磁場頻域響應信號。

磁場梯度信號是磁場在不同空間位置的變化率，因此，可得PMEC磁場梯度信號表達式為

(3)

式中F1n,F2n和B1n,B2n分別為不同位置處的脈沖調制激勵電流信號幅值和磁場頻域響應信號。

1.2仿真結果與討論

基于前述仿真模型，建立了基于磁場梯度測量的PMEC檢測金屬構件亞表面裂紋的有限元仿真模型，圖1為模型示意圖。

圖1　PMEC檢測裂紋三維有限元模型Fig 1　3D　FEM for PMEC for inspection of cracks

在該模型中，檢測探頭由盤式激勵線圈和2只放置于其中心的磁場傳感器組成。試件材質為鋁，其電導率為34MS/m，尺寸為200mm×100mm×10mm，下表面裂紋的尺寸為100mm×6mm×6mm。設PMEC和PEC的激勵電流信號峰值同為0.5A、占空比同為0.5，PEC激勵電流信號基頻f與PMEC調制波頻率fm相為100Hz，PMEC載波頻率fc為1kHz。

檢測探頭緊密貼附于試件表面，沿圖1所示方向進行掃描。以裂紋中心為坐標原點，探頭從Y=-20mm處開始掃描，至Y=20mm處結束，掃描間隔為2mm。傳感器B的信號作為磁場信號，傳感器A,B信號做差可得到磁場梯度信號。以各自空氣信號為基準作差，可得磁場差分信號與磁場梯度差分信號。通過仿真，得到如圖2所示的磁場梯度差分信號。

圖2　PEC和PMEC磁場梯度差分信號Fig 2　Magnetic field gradient differential signals of PEC and PMEC

由于所得信號均具有明顯的峰值特征，故采用信號峰值作為特征，并對裂紋掃查曲線進行歸一化處理，建立信號歸一化峰值—掃描位置關系圖，如圖3所示，探頭在裂紋中心時，歸一化信號峰值有最大的變化量，且PMEC磁場梯度差分信號峰值有最大的變化量(約44 %)。由以上分析可知，當采用PMEC磁場梯度差分信號峰值作為特征時，對金屬結構亞表面裂紋的檢測更為靈敏。

圖3　歸一化后的亞表面裂紋掃查曲線Fig 3　Normalized scanning curves of subsurface crack

2試驗研究

2.1PMEC/PEC雙檢測試驗系統

圖4所示為試驗系統框圖。在激勵線圈中心位置放置2只TMR磁場傳感器(MultiDimensionMMLP57F)[14，15]，傳感器A，B提離分別為7，2mm。

圖4　PMEC/PEC雙檢測試驗系統框圖Fig 4　Block diagram of PMEC/PEC detecting system

信號發(fā)生器產生激勵信號的相關參數與仿真相同，將幅值為0.2V的激勵信號放大10倍之后輸入激勵線圈。磁場傳感器輸出信號經過低通濾波(截止頻率為30kHz)并放大10倍之后，輸入數據采集卡進行采集和數字化，通過LabVIEW實現對試驗信號的處理和分析。試驗中所采用試件如圖5所示，在300mm×100mm×10mm的鋁板下表面加工了2個深度不同的裂紋，裂紋A的尺寸為100mm×3mm×6mm，裂紋B的尺寸為100mm×3mm×3mm。

圖5　檢測試件和探頭掃描路徑示意圖Fig 5　Diagram of detecting testpiece and scanning path of probe

2.2試驗結果與分析

試驗中，以裂紋中心為坐標原點，探頭從Y=-20mm處開始掃描，至Y=20mm處結束，掃描間隔為1mm。為了便于檢測靈敏度的對比，將試驗得到的掃查曲線進行歸一化處理，可得不同深度裂紋的掃描圖，如圖6所示。

圖6　不同深度亞表面裂紋的歸一化掃查曲線Fig 6　Normalized scanning curves of subsurface cracks with different depths

由圖6可見，當探頭掃描位置遠離裂紋時，峰值在較小范圍內震蕩波動，當探頭進入裂紋后，峰值急劇下降，至裂紋中心時峰值最小，即此時具有最大的峰值變化量，當探頭離開裂紋時則具有反向規(guī)律。同時發(fā)現，裂紋深度越大，掃查曲線波形峰值變化量越大。

對于6mm深的裂紋，當探頭位于裂紋中心時，PEC差分信號峰值變化量約為14 %，PMEC差分信號峰值變化量約為16 %，PEC磁場梯度差分信號峰值變化量約為18 %，PMEC磁場梯度差分信號峰值變化量約為20 %。由此可見：1)PMEC信號相比PEC信號具有更高的靈敏度；2)磁場梯度差分信號相比磁場差分信號具有更高的靈敏度。當采用PMEC磁場梯度差分信號作為檢測信號時，對試件亞表面裂紋的檢測靈敏度提高約10 %。由3mm深裂紋的試驗結果可得同樣結論。

3結論

1)基于退位磁矢位法建立了PMEC檢測金屬構件亞表面裂紋的三維有限元模型，仿真分析了磁場梯度差分信號和磁場差分信號及其特征(峰值)，以及亞表面裂紋掃查曲線。靈敏度分析表明了結合磁場梯度測量的PMEC檢測技術在金屬構件亞表面裂紋檢測評估中具有優(yōu)勢。

2)開發(fā)了PMEC/PEC雙檢測試驗系統,試驗研究了結合磁場梯度測量的PMEC/PEC檢測技術及其應用關鍵。經過分析和對比證明，結合磁場梯度測量的PMEC檢測技術在金屬亞表面裂紋檢測方面可有效提高檢測靈敏度10 %,驗證了仿真結論的正確性。

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ResearchonkeytechnologyofPMECdetectioncombinedwithgradientmagneticfieldmeasurement*

YANBei1,LIYong1,2,LIDa1,CHENZhen-mao1,2,WANGJun3

(1.StateKeyLaboratoryforStrengthandVibrationofMechanicalStructures,SchoolofAerospace,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;2.RsearchCentreforInspectionandEvaluationofNuclearStructuralIntegrity,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;3.Xi’anBrakeBranch,AVICAircraftCoLtd,Xi’an710075,China)

Abstract:As a new inspection technique extended from pulsed eddy current(PEC) technique,pulsed-modulation-based eddy current(PMEC) technique has advantageous over PEC in evaluation of metal component defects inspection.PMEC integrates with gradient magnetic field measurement (GMFM),namely GMFM-based PMEC is proposed particularly for inspection of subsurface cracks.The application and technical advantages of the proposed technique are analyzed.Simulate and analyze correlations of GMFM-based PMEC signals and its features,typical scanning curve subsurface cracks PMEC inspection of metal component are analyzed,defect detecting sensitivity is researched and analyzed.Experimental system is built up,conclusion of simulation analysis is verified.Research shows GMFM-based PEC,GMFM combines with PMEC significantly enhances sensitivity of inspection about 10 % on subsurface cracks.

Key words:electromagnetic nondestructive detection and evaluation; pulsed-modulation-based eddy current(PMEC) detection; subsurface crack; gradient magnetic field measurement(GMFM)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0015—03

收稿日期：2015—08—09

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51477127)

中圖分類號:TG 115

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0015—03

作者簡介:

閆貝(1986-)，男，陜西榆林人，碩士研究生，主要研究方向為電磁無損檢測理論與試驗研究。

李勇，通訊作者，E—mail:yong.li@mail.xjtu.edu.cn。