脈沖渦流激勵信號參數對檢測能力的影響

趙　瑩，解社娟，張東亮，田明明，吳　磊，李　勇，陳振茂

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測結構完整性評價工程技術中心，西安 710049; 2.西安交通大學 機械工程學院， 西安 710049)

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脈沖渦流激勵信號參數對檢測能力的影響

趙瑩1，解社娟1，張東亮2，田明明1，吳磊1，李勇1，陳振茂1

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測結構完整性評價工程技術中心，西安 710049; 2.西安交通大學 機械工程學院， 西安 710049)

脈沖渦流檢測方法是近年來發展起來的一種新型無損檢測技術，檢測時激勵信號的參數選取對檢測結果有一定影響。首先基于頻域疊加法開發了脈沖渦流信號的快速算法；然后，分析了脈沖渦流激勵信號的基頻、占空比以及脈沖上升和衰減時間變化對檢測靈敏度的影響，并從激勵信號的頻譜特性角度分析了原因，且給出了基頻和占空比的選定原則。

脈沖渦流檢測；基頻；占空比；脈沖上升和衰減時間

隨著社會經濟發展的全面加速，各行各業能源需求的增長同傳統石化能源緊缺的矛盾日益突出，核電站的出現和發展大大緩解了這一矛盾,而核電站的安全問題備受社會關注。核電站的定期安全檢查是其安全運行的重要保證，無損檢測又是定期安全檢查的重要手段。在核電站中，冷卻用管道局部減薄缺陷是較為常見的安全問題之一，管道中液體的流動加速腐蝕和液滴沖擊易造成內管壁局部減薄，當管壁減薄到一定程度后，會導致嚴重后果[1]。因此，為了保證核電站結構安全及減少管道不必要的更換次數，需定期對管壁厚度進行定量無損檢測。

脈沖渦流檢測具有頻率廣、檢測深度大等優點，對深部缺陷和多層結構缺陷的檢測具有優勢。核電站冷卻管管壁較厚，常規渦流檢測方法由于趨膚效應，檢測深度有限，因此脈沖渦流檢測方法被認為是較有效的檢測手段。目前，對脈沖渦流檢測的研究較多，其中包括脈沖渦流檢測系統參數選擇對于檢測靈敏度影響的研究等，但是脈沖激勵信號的基頻、占空比以及脈沖上升和衰減時間變化對脈沖渦流檢測靈敏度的影響尚不明確。

基于以上背景，筆者主要分析了脈沖渦流激勵信號的基頻和占空比對脈沖渦流檢測靈敏度的影響，以及脈沖上升和衰減時間對檢測靈敏度的影響。

1　脈沖渦流檢測基本原理

脈沖渦流的基本原理是:在激勵線圈中通入一定占空比的方波電流作為激勵信號，根據法拉第電磁感應定律，激勵線圈周圍會產生一個快速衰減的脈沖磁場;當激勵線圈接近金屬被測體時，導體中感應產生瞬變的渦流和渦流磁場，隨著渦流磁場的衰減，檢測線圈感應出隨時間變化的電壓[2]。在實際試驗中，通常在激勵線圈底部加磁場傳感器，實現對磁場的直接測量，所以文中數值模擬部分檢出結果分析均為磁場信號分析。圖1為脈沖渦流檢測試驗平臺框圖。

圖1　脈沖渦流檢測試驗平臺框圖

2　數值模擬與信號分析

文章基于頻域疊加方法，開發了求解脈沖渦流信號的快速算法[3-9]。脈沖渦流檢測的激勵源主要是脈沖方波電流，通過離散傅里葉變換，將脈沖方波離散成一系列具有不同諧波頻率和振幅的正弦波的總和；由于文章僅考慮脈沖渦流問題的線性特性，因此它的響應信號也是由一系列具有不同諧波頻率且與激勵信號頻率相同的正弦波組成，通過疊加組合即可求解響應信號。筆者基于以上原理，開發了脈沖渦流信號的有效求解程序并進行了驗證。

基于此，筆者分析了脈沖渦流激勵信號的參數選取對檢測靈敏度的影響。

2.1基頻和占空比對脈沖渦流檢測靈敏度的影響

基頻和占空比是表征脈沖渦流激勵信號的兩個重要參數，不同的基頻和占空比設定，會產生不同的檢測效果。根據不同的試驗目的合理地設定基頻和占空比大小，有助于達成試驗目的，這就要求了解基頻和占空比對檢測靈敏度的影響。

2.1.1仿真模型

鑒于核電站冷卻管管道材料及結構參數，設定仿真模型為兩塊長度300 mm，寬度100 mm，厚度20 mm的AISI 316奧氏體不銹鋼，其中一塊無缺陷，作為參考試件;另一塊試件底部中心含矩形槽缺陷，缺陷尺寸為寬度20 mm，深度10 mm。試件磁導率為1，電導率為1.35×106S·m-1。激勵線圈位于試件表面的中心位置，檢測線圈距激勵線圈30 mm，提離0.5 mm;激勵線圈和檢測線圈內直徑均為5 mm，外直徑均為10 mm，高度均為5 mm;激勵線圈匝數為296匝，檢測線圈匝數為3 446匝，激勵電流為1 A，檢測點位于激勵線圈底部中心位置，如圖2所示。

圖2　試件模型示意

2.1.2占空比對檢測靈敏度的影響

為分析占空比對檢測靈敏度的影響，將基頻設定為200 Hz，占空比分別取10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，獲得不同占空比時檢測點的磁場大小，提取缺陷件和參考件的差分信號的峰值(除了50%占空比上升沿下降沿峰值絕對值相等外，其余均不等，為便于比較，取差分信號的上升沿和下降沿峰值絕對值的平均數作為特征值)，如圖3所示。由圖3可觀察到：曲線以50%占空比為最高點，對稱分布，即當占空比比值互補時，峰值大小相等，且當占空比為50%時，峰值達到最大值，以上現象均與基頻能量占比有關[10]。圖4為基頻能量占比圖，由圖可見，當占空比互補時，基頻能量占比相等，檢出磁場差分信號峰值大小相等，曲線對稱分布；當占空比為50%時，基頻能量占比達到最大值，峰值相應也取得最大值。

圖3　占空比對差分脈沖信號峰值的影響

圖4　不同占空比方波激勵信號的基頻能量占比圖

2.1.3基頻對檢測靈敏度的影響

基于占空比對檢測靈敏度的影響，將占空比設定為50%，通過改變基頻，獲得檢測點的磁場大小，提取缺陷件和參考件的磁場差分信號峰值作為特征量并加以分析。基頻分別取10，20，40，80，125，200，500，1 000，2 000 Hz，基頻改變時峰值的變化曲線見圖5。從圖5可看出，當基頻小于200 Hz時，峰值基本穩定；當基頻大于200 Hz時，隨著基頻的增大，峰值下降明顯。

圖5　基頻改變時峰值的變化

在傳統渦流檢測技術中，受趨膚效應的影響，隨著頻率的增大，趨膚深度減小。在脈沖渦流檢測技術中，趨膚效應的影響因為方波激勵有所改善，當激勵信號為正弦波時，根據趨膚深度公式可以得到趨膚深度20 mm時對應的頻率為589 Hz，結合基頻能量占比，可得到占空比為50%時，基頻在140 Hz左右；所以當基頻大于200 Hz時，隨著基頻的升高，峰值下降明顯。

圖6　基頻占空比改變時的峰值變化

2.1.4基頻、占空比選定原則

綜合基頻和占空比部分計算結果，得到基頻占空比改變時的峰值變化曲線，如圖6所示。當占空比為10%或者90%時，可以通過減小基頻，得到較大的峰值；當占空比為50%時，若基頻過大，得不到理想的峰值，若基頻過小，則造成能量浪費。如果以檢出電壓差分信號峰值作為特征量，試驗結果也會有所不同，所以在設定占空比和峰值時，應盡量考慮試驗需求。若將檢出磁場差分信號峰值作為特征量提取時，基頻選擇根據脈沖渦流趨膚深度確定合適的頻率范圍，占空比為50%，檢測靈敏度更高。

圖7　脈沖上升/衰減時間變化時的激勵信號與磁場差分信號

2.2脈沖上升和衰減時間對脈沖渦流檢測靈敏度的影響

在介紹脈沖渦流檢測技術原理時提到的激勵源主要是方波脈沖電流，這里所說的方波都是近似方波，理想方波在高低電平間的瞬時變化，無論在試驗中還是在數值模擬中，都是不可能達到的；所以，激勵電流從低值上升到高值和從高值下降到低值都有相應的脈沖上升時間和脈沖衰減時間，通過改變脈沖上升和衰減時間，筆者發現檢測靈敏度受到影響。當基頻為200 Hz，占空比為50%時，將脈沖上升時間占比分別設定為25%，10%，5%，2.5%，1%，0.5%，對應的脈沖上升和衰減時間分別是1 250，500，250，125，50，25 μs，激勵信號如圖7(a)所示。在此激勵條件下，得到檢出磁場差分信號，如圖7(b)所示，提取峰值，發現隨著脈沖上升和衰減時間的減少，檢測靈敏度不斷增大，如圖8所示。

圖8　脈沖上升/衰減時間變化時的峰值變化圖

鑒于以上數值模擬結果，分析了不同脈沖上升時間對應的頻譜圖，如圖9所示。經分析發現，脈沖上升越快，基頻系數越大，反之，基頻系數越小，如圖10所示。結合圖8結果，得到，基頻對檢測靈敏度的影響非常重要，基頻比重越大，檢測靈敏度越高。因此可得，脈沖上升越快，基頻系數越大，檢測靈敏度越高。

圖9　激勵信號頻譜圖(前15階)

圖10　脈沖上升時間變化時的基頻系數圖

3　結語

基于頻域疊加方法，開發了求解脈沖渦流信號的快速算法，研究了基頻、占空比以及脈沖上升和衰減時間對檢測靈敏度的影響，并分析了原因，給出了基頻、占空比選定原則：檢測試件的底部缺陷時，占空比選擇50%較好，基頻依據集膚深度和基頻能量占比并結合試件厚度來確定，脈沖上升越快越好。但在實際應用中，由于試件的復雜性以及試驗要求的不同，需要綜合考慮確定參數，確保檢測效果達到最佳。對上述給出的基頻和占空比選定原則，下一步將進行試驗驗證工作。

[1]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, CHEN Hong-en, et al. Sizing of wall thinning defects using pulsed eddy current testing signals based on a hybrid inverse analysis method[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49:1653-1656.

[2]徐平,羅飛路,張玉華,等.基于脈沖渦流檢測技術的缺陷定量檢測研究[J].工業計量,2006,16(2):6-10.

[3]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, WANG Li, et al. An inversion scheme for sizing of wall thinning defects from pulsed eddy current testing signals[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2012, 39:203-211.

[4]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Efficient numerical solver for simulation of pulsed eddy current testing signals[J]. IEEE Transactions on Magnetics[J]. 2011, 47:4582-4591.

[5]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Development of a very fast simulator for pulsed eddy current testing signals of local wall thinning[J]. NDT&E International, 2012, 51:45-50.

[6]LI Yong, LIU Xiang-biao, CHEN Zhen-mao, et al. A fast forward model of pulsed eddy current inspection of multilayered tubular structures[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanic[J]. 2014, 45:417-423.

[7]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Quantitativenon-destructive evaluation of wall thinning defect in double-layer pipe of nuclear power plants using pulsed ECT method[J]. NDT&E International, 2015, 75: 87-95.

[8]LI Yong, TIAN Gui-yun, ANTHONY S. Fast analytical modelling for pulsed eddy current evaluation[J]. NDT&E International, 2008, 41(6):477-483.

[9]李勇，齊勇，陳振茂，等.基于脈沖渦流差分信號提離交匯點的亞表面層材質劣化檢測技術理論研究[J].無損檢測，2012, 34(7):1-5, 10.

[10]陳飛,王志誠.懸索結構基頻能量法分析[J]. 四川建筑, 2006, 26(4):83-84.

Influence of Excitation Parameters on Detection Sensitivity for PECT

ZHAO Ying1, XIE She-juan1, ZHANG Dong-liang2, TIAN Ming-ming1, WU Lei1, LI Yong1, CHEN Zhen-mao1

(1. Shanxi Engineering Research Center for NDT and Structural Integrity, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China 2.School of Mechanical Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

Pulsed eddy current testing (PECT) is a new nondestructive testing technology developed in recent years. Selection of appropriate parameters of excitation signals for PECT method has important effect on pickup signals. In this paper, the efficient numerical solver of PECT is developed based on frequency domain summation method at first. Then, the influences of fundamental frequency, duty ratio, pulsed rising time and falling time on detection sensitivity are investigated. In addition, the reason of the influences is analyzed from the viewpoint of frequency spectrum characteristics of excitation signals. Finally, the principle of how to choose appropriate fundamental frequency and duty ratio is proposed.

PECT; Fundamental frequency; Duty ratio; Pulsed rising and falling time

2016-06-22

國家磁約束聚變資助項目(2013GB113005)；國家自然科學基金資助項目(51407132, 51277139, 51577139)。

趙瑩(1988-)，女，碩士研究生，主要研究方向為電磁無損檢測方法。

解社娟(1983-)，女，副教授，主要研究方向為電磁無損檢測與斷裂力學，E-mail: xiesj2014@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201610004

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0014-04