基于脈沖渦流/電磁超聲復合檢測方法的復雜缺陷檢測

田明明，解社娟，肖 盼，裴翠祥，李 勇，陳振茂

(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)

表1 模型主要參數

?

基于脈沖渦流/電磁超聲復合檢測方法的復雜缺陷檢測

田明明，解社娟，肖 盼，裴翠祥，李 勇，陳振茂

(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)

相比于電磁超聲檢測方法，脈沖渦流檢測方法對于近表面缺陷具有較高檢測靈敏度。而電磁超聲信號本身包含脈沖渦流信號部分，基于此特點，開發了電磁超聲/脈沖渦流的復合無損檢測方法。首先，基于有限元理論開發了電磁超聲/脈沖渦流復合信號的數值模擬方法；其次，提出了基于頻譜分析、濾波等策略對混合檢出信號進行信號分離提取的方法，并結合試驗驗證了所提方法的有效性；最后，基于復合檢測方法對鋁板中的三種類型缺陷(表面缺陷、底部減薄缺陷、復合缺陷)同時成功地進行了檢測，驗證了所開發復合檢測方法的優越性。

脈沖渦流/電磁超聲；復合無損檢測；信號分離提?。粡碗s缺陷

電磁超聲與傳統壓電超聲同屬于超聲范疇。與傳統的壓電超聲相比，電磁超聲由于無需媒介且不與被測物體接觸，具有可靈活產生各類波形，對檢測工件表面質量要求不高和檢測速度快等特點，可提高檢測效率，且可擴展應用于高溫、高速和在線檢測中[1]。然而由于電磁超聲有一個近表面盲區，即當缺陷在近表面(1～2 mm)時，回波信號會與激勵信號幾乎重疊而很難區分。相比于電磁超聲檢測，脈沖渦流檢測方法對于近表面缺陷有較高的精度；但是由于趨膚深度的限制，其無法準確地對更深的地方進行檢測。研究發現，電磁超聲信號本身含有脈沖渦流信號的部分。如果能夠將兩種檢測信號進行分離提取和結果融合，開發脈沖渦流/電磁超聲復合檢測方法，將可使兩種方法優缺互補，從而得到更加可信的無損評價結果。相比于壓電超聲與渦流復合無損檢測方法，此復合檢測方法具有探頭簡單，工作范圍廣，適應復雜環境等優點[2]。

1 方法論述

1.1 復合檢測方法的基本原理

電磁超聲檢測原理示意如圖1所示，線圈中通入瞬態激勵電流，導電試件中由于電磁感應會產生渦流，該渦流被定義為脈沖渦流。同時，線圈正上方的永磁鐵會產生很強的靜磁場，靜磁場和試件中的脈沖渦流相互作用產生洛倫茲力，從而引起試件振動，試件振動切割磁感線，又會產生新的渦流(定義為超聲渦流)。檢出線圈會同時檢測到這兩種渦流信號；而常規電磁超聲檢測方法只關注超聲渦流的結果，忽略了脈沖渦流信號部分。筆者全面分析了混合渦流信號，包括兩種渦流信號的特征，以及如何分離提取脈沖渦流信號和超聲渦流信號，提出了脈沖渦流/電磁超聲復合檢測(PECT/EMAT)方法。復合檢測方法的原理如圖2所示。

圖1 電磁超聲檢測原理示意

圖2 復合檢測方法的原理示意

1.2 數值模擬與信號分析脈沖渦流檢測和電磁超聲檢測的信號計算已有很多學者開發了各種不同的方法[3-9]。筆者基于有限元理論開發了電磁超聲/脈沖渦流復合信號的數值模擬方法，其計算模型如圖3所示，試件為長方體板，表1列出了模型主要參數。激勵線圈中通入半個周期的脈沖正弦激勵電流I=sin(2πF0t)(F為激勵頻率，t為時間)，頻率為2 MHz。

表1 模型主要參數

類型參數類型參數長度/mm50密度/(kg·m3)8．9×103寬度/mm50楊氏模量/Pa1．1×1011厚度/mm10磁導率/(H·m-1)0．37節點418241電導率/(S·m-1)5．714×107

圖3 計算模型示意

長方體板試件的脈沖渦流與超聲渦流檢出信號如圖4所示。對時域信號進行頻譜分析，結果如圖5所示?？梢园l現，脈沖渦流信號的頻譜能量主要集中在低頻區域(0～1 MHz)；而超聲渦流信號的能量則相對分散。基于此特點，使用濾波對兩種信號進行分離的策略具備一定的可行性。

圖4 長方體板試件的脈沖渦流與超聲渦流檢出信號

圖5 長方體板試件的脈沖渦流與超聲渦流信號頻譜圖

1.3 濾波策略的實現

對于電磁超聲信號，由于筆者主要考慮線性超聲，當激勵頻率為2 MHz時，響應諧波成分應該分布在2 MHz附近；此外，考慮到頻譜圖中脈沖渦流信號在0～1 MHz間的能量較大，因此超聲信號的提取需要排除該區域脈沖渦流信號的干擾。對于脈沖渦流信號，從頻譜分布可以看到大部分的信號諧波成分處于低頻區間(0～1 MHz)內。

通過數值計算得出兩種渦流耦合之后產生的混合信號的結果，如圖6所示。對其進行濾波處理，由于是數值信號，故采用數值濾波的方法，首先對時域信號做傅里葉變換，得到特定頻域下的頻譜結果，選取需要保留的濾波區間，其余諧波成分置零；然后再做反傅里葉變換將頻域信號還原為時域信號[10]。

圖6 混合渦流數值信號

圖7 1～5 MHz,1～3 MHz濾波結果(獲得超聲信號)

首先嘗試通過濾波得到超聲信號。通過頻譜分析，考慮線性超聲和脈沖渦流干擾，濾波應該從1 MHz 開始，因此分別采用1～5 MHz，1～3 MHz進行嘗試濾波，得到圖7所示結果。此次數值模擬試件本身沒有內部缺陷，所以以一次回波作為特征信號來觀察濾波結果，分析發現1～3 MHz濾波結果信噪比更高。

圖8 0～1 MHz, 0～5 MHz濾波結果(獲得脈沖渦流信號)

其次嘗試通過濾波得到脈沖渦流信號。通過頻譜分析發現，脈沖渦流信號中低頻部分能量較高，于是分別采用0～1 MHz，0～5 MHz進行嘗試濾波，得到圖8所示結果。此次脈沖渦流信號沒有明顯的特征，所以以數值模擬得到單純的脈沖渦流信號(見圖9)做參考來觀察濾波結果，可見0～5 MHz濾波結果與原始脈沖渦流信號保持了更高的相似度和細節信息。

圖9 脈沖渦流參考信號

2 脈沖渦流/電磁超聲檢測試驗

筆者搭建了如圖10所示的脈沖渦流/電磁超聲試驗系統。電磁超聲儀器為RITEC-RAM 5000。試件為四個不同厚度的鋁板，厚度分別為7.76，10.06，12.14，25.05 mm。

2.1 有效性驗證

2.1.1 超聲信號濾波

對檢出信號通過NF-FV628濾波器進行1～3 MHz帶通濾波，濾波結果如圖11所示。根據四個不同板厚試件的濾波結果可以看出，對混合信號進行上述濾波得到的超聲信號比較理想，可以很好地表征不同厚度板的特征，同時也很好地驗證了上述提出的對混合信號進行1～3 MHz濾波處理的合理性。

圖10 脈沖渦流/電磁超聲復合檢測試驗系統

圖11 不同厚度鋁板的1～3 MHz帶通濾波結果

2.1.2 脈沖渦流信號濾波

由于脈沖渦流信號沒有明顯的特征信號，所以以去除磁鐵(去除電磁超聲信號)，濾波器處于關閉狀態，即不進行濾波的純脈沖渦流信號(見圖12(a))作為參考脈沖渦流信號。對混合檢出信號通過NF-FV628濾波器進行0～5 MHz帶通濾波，濾波結果如圖12(b)所示。可見，濾波結果與參考脈沖渦流信號具有很高的相似性，幅值大小也很相近，證明了上述濾波策略的合理性。

2.2 基于PECT/EMAT復合檢測方法的復雜缺陷檢測筆者制作了帶有三種缺陷類型(表面缺陷、底部減薄缺陷、復合缺陷)的鋁板試件(見圖13)。鋁板上表面刻了7個長度寬度相同、深度不同的槽，模擬不同深度的表面缺陷；鋁板底部右端制作了4個不同厚度的臺階狀的減薄缺陷；中間的兩組復合缺陷既包含表面缺陷又包含底部減薄缺陷。同時用復合信號中的脈沖渦流成分和超聲渦流成分進行檢測，檢測結果如圖14,15所示?？梢钥闯觯瑥秃闲盘柌粌H有效地檢出了單一的表面缺陷和底部減薄，也檢測出了中間的復合缺陷，進一步證明了濾波策略的正確性以及復合方法的優越性。

圖12 不同厚度鋁板的脈沖渦流信號(參考信號)及混合檢出信號濾波結果

圖13 帶缺陷的鋁板試件

圖14 含不同缺陷鋁板檢出信號的0～5 MHz(脈沖渦流成分)濾波結果

3 結語

首先,基于有限元理論開發了電磁超聲/脈沖渦流信號的復合數值模擬方法，通過數值模擬計算出了試驗中難以測得的單純的脈沖渦流信號和超聲信號，并且對兩種信號進行了頻域的分析和比較；其次，提出了基于頻譜分析、濾波等策略對混合檢出信號進行信號分離提取的方法，并結合試驗結果驗證了所提方法的有效性；最后，基于復合檢測方法對鋁板中的三種類型缺陷(表面缺陷、底部減薄缺陷、復合缺陷)同時進行了檢測，驗證了所開發的PECT/EMAT復合檢測方法的優越性和高效性。

圖15 含不同缺陷鋁板檢出信號的1～3 MHz(超聲渦流成分)濾波結果

[1] 王新平. 電磁超聲技術在無損檢測中的應用[J]. 中國學術期刊網, 2004, 26(6):275-279.

[2] 張清華. 基于超聲和渦流的復合式無損檢測技術[D].廣州：華南理工大學, 2010:12-96.

[3] 周樂柱. 邊棱元法——一種模擬和分析電磁場的新型計算方法[J]. 電子學報，1994, 22(12):1-6.

[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, 2011, 47:4582-4591.

[5] XIE She-juan,CHEN Zhen-mao,TAKAGI T, et al. Quantitative non-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.

[6] LI Yong,YAN Bei,LI Da, et al. Gradient-field pulsed eddy current probes for imaging of hidden corrosion in conductive structures[J]. Sensors & Actuators: A Physical, 2016, 238:251-265.

[7] 周海強,李勇,陳振茂. 鐵磁材料電磁超聲無損檢測數值模擬[J]. 無損檢測, 2012, 34(11):21-24.

[8] PEI Cui-xiang, DEMACHI K, FUKUCHI T, et al. Development of a fiber-phased array laser-EMAT system for defect inspection[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013, 113:163101/1-7.

[9] XIAO Pan,PEI Cui-xiang,YANG Gui-cai, et al. A phased-array EMAT for detection of delamination defect in a tube of multilayer structure[J]. Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, 2016, 41:163-170.

[10] HUANG N E. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J]. Proceedings of the Royal Society A,1998,454:903-995.

Complicated Defects Detection Based on Hybrid NDT Methods of PECT and EMAT

TIAN Ming-ming, XIE She-juan, XIAO Pan, PEI Cui-xiang, LI Yong, CHEN Zhen-mao

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

EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) testing method is of the inherent disadvantage of the near surface blind area. On the other hand, the pulsed eddy current testing (PECT) method has higher inspection sensitivity for near surface defects. After analysis, we find that actually the EMAT testing signal itself contains the PECT part. Based on the backgrounds above, the purpose of this study is to propose a hybrid NDT method which is to combine PECT with the EMAT together. The contents of this paper are as follows: firstly, a numerical code is developed for the simulation of hybrid EMAT/PECT signals based on finite element method; then, signal separation and extraction methods are proposed on the basis of the spectral analysis and filtering strategies for signals of the hybrid EMAT/PECT method and investigated by experiment. Finally, the three types of defects (surface defects, bottom thinning defects, composite defects) in aluminum plate are successfully detected at the same time based on the developed hybrid NDT method, which validates the superiority of the developed hybrid PECT/EMAT NDT methods.

PECT/EMAT; Hybrid NDT method; Signal separation and extraction; Complicated defect

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);中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目

田明明(1992-)，男，碩士研究生，主要從事電磁無損檢測方法研究。E-mail: tianmingming@stu.xjtu.edu.cn。

解社娟，E-mail: xiesj2014@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201612003

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0009-06