鋁蜂窩內腐蝕缺陷的脈沖渦流檢測傳感器參數優化

楊 浩，付躍文，曹愛松

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

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鋁蜂窩內腐蝕缺陷的脈沖渦流檢測傳感器參數優化

楊 浩，付躍文，曹愛松

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

鋁蜂窩內腐蝕缺陷的檢測一直是無損檢測領域的一個難點和熱點。脈沖渦流檢測技術對腐蝕缺陷十分敏感，采用該技術對鋁蜂窩內腐蝕缺陷進行檢測，設計了一種雙激勵的U型探頭，并用TMR芯片接收信號。通過大量試驗對U型探頭模型、激勵線圈匝數、TMR接收位置、激勵頻率和占空比進行了優化選擇，確定了U型探頭檢測鋁蜂窩內腐蝕缺陷的最優參數,使U型探頭檢測靈敏度達到最高。

脈沖渦流；鋁蜂窩腐蝕；U型探頭；參數優化

鋁蜂窩復合板是一種新型復合材料，具有比重輕、強度高、剛度大、結構穩定、高抗風壓性等顯著優點，被廣泛應用于航空、航天領域。蜂窩板由上下兩層面板通過膠粘劑或膠膜與鋁蜂窩芯復合而成，面板通常為碳纖維材料或者鋁合金材料。隨著鋁蜂窩結構材料服役時間的增加，鋁蜂窩芯內壁上極有可能出現腐蝕缺陷，從而影響蜂窩結構材料的整體性能，所以對鋁蜂窩板內部腐蝕缺陷的檢測具有重大意義。脈沖渦流檢測技術由于激勵脈沖包含很寬的頻譜，對鋁蜂窩板的內腐蝕缺陷十分敏感，磁感應強度變化量包含較多的腐蝕缺陷信息[1]，故脈沖渦流檢測技術檢測鋁蜂窩內腐蝕缺陷具有顯著優越性。

Adriana Savin繞制了一個正交型的電渦流傳感器，對鋁蜂窩芯的損壞破裂缺陷進行檢測，并用渦流全息算法得到試驗結果圖，結果圖可直觀地顯示鋁蜂窩芯有損壞的部位[2]。何赟澤建立了一套TRECSCAN脈沖渦流掃描系統，PEC(Pulsed Eddy Current)探頭主要由勵磁線圈和霍爾傳感器組成，對碳纖維鋁蜂窩板的沖擊損傷進行了掃描檢測，通過霍爾傳感器拾取檢測的峰值響應作為特征提取，從而表示蜂窩板不同能量下的沖擊損傷[3]。董婕和李路明等提出了“波包電磁檢測方法”，設計了差分式線圈結構的自衰減振蕩傳感器，提取衰減的波形包絡的特征值來實現蜂窩板脫粘缺陷的檢測。

文獻[4-6]表明U型探頭可以在一定空間范圍內產生勻強磁場，并且隨著磁場強度的增強，滲透深度變深。當激勵線圈繞成雙激勵模式時，探頭有更高的信噪比，并且受提離效應的影響較小[8-9]。這些均說明U型探頭對蜂窩板腐蝕缺陷的檢測存在巨大潛力。筆者主要設計了U型探頭對鋁蜂窩結構材料的內部腐蝕缺陷進行檢測，并通過大量試驗對U型探頭的各項參數進行優化設計，以獲得較高的靈敏度。

1 鋁蜂窩腐蝕缺陷脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測采用具有一定占空比的方波電壓或電流接入激勵線圈的兩端，由法拉第電磁感應定理可知，激勵線圈中的脈沖電流感生出一個快速衰減的脈沖磁場，變化的磁場在導體試件中感應出瞬時渦流，感生渦流向導體試件表面及內部傳播，產生一個快速衰減的渦流磁場；隨著渦流磁場的衰減，隧道磁電阻TMR(Tunnel Magneto Resistance)磁傳感器就會輸出隨時間變化的電壓，當渦流磁場經過被測試件的缺陷時，TMR傳感器上的感應電壓會發生變化。通過測量瞬態輸出電壓信號的變化，就可得到金屬試塊缺陷的尺寸、類型等信息[7]。

圖1 探頭檢測鋁蜂窩缺陷示意

筆者設計的U型傳感器檢測鋁蜂窩缺陷示意如圖1所示。由圖1(a)可見，傳感器的兩個激勵線圈端反向聯接，使得磁場有局部聚焦的作用，并且U型材料選用磁導率較大的錳鋅鐵氧體磁芯，可進一步增強聚磁效果[8],并能將激勵線圈產生的交變磁場的磁通量最大限度地匯聚到工件表面，以獲得較強的感應電流[6]。TMR置于U型鐵氧體兩個端角之間。缺陷出現在六邊形蜂窩芯的一邊處，試驗時對一定范圍內的蜂窩內壁處的蒙皮正上方進行檢測。TMR的位置嚴格放置于蜂窩內壁正上方、蜂窩內壁正中間，TMR與蜂窩內壁呈垂直角度進行檢測，如圖1(b)所示；當TMR如圖放置時，由電磁感應定律可知磁場產生的電流會沿著蜂窩內壁的方向流動，當蜂窩內壁上存在缺陷時，電流的流動路徑會受到阻礙，從而影響TMR對信號的接收。TMR嵌于透明亞克力板內并緊貼鋁蜂窩板試件，以盡可能地減小檢測時提離效應的影響。檢測過程中探頭檢測方向始終一致，其中取無缺陷處信號為參考信號，蜂窩內壁存在缺陷時，脈沖渦流感應磁場和電流走向會發生變化，將TMR拾取的缺陷信號與參考信號做差分處理，通過觀察差分信號峰值大小可判斷此處正下方的蜂窩內壁處是否存在缺陷。

2 檢測系統

2.1 脈沖渦流檢測系統平臺的搭建

脈沖渦流檢測系統平臺主要由脈沖信號發生器、檢測探頭、被檢測試樣和數據采集處理模塊4部分組成。如圖2所示，脈沖信號發生器產生脈沖方波，激勵線圈用來在被測試件中產生渦流，TMR芯片置于激勵線圈之間接收信號，采集到的信號經NI-6356數據采集卡傳輸至計算機并用Labview軟件搭建的平臺來顯示和保存試驗數據。其中激勵電流為0.7 A，激勵電流占空比為50%，采樣頻率500 kHz，采樣點數20 000點，上升沿觸發。

圖2 脈沖渦流檢測系統結構框圖

2.2 試塊制作

試驗采用鋁蒙皮蜂窩結構試件，試塊長500 mm，寬400 mm；蒙皮厚1 mm，蜂窩高25 mm，蜂窩呈近似六邊形，邊長約5 mm，蜂窩壁厚約0. 06 mm。蜂窩內壁處加工缺陷，其俯視圖如圖3所示，在六角形的蜂窩芯的一邊分別制作了腐蝕寬度為5，3，2 mm的缺陷，腐蝕深度從2，4，6 mm一直到20 mm。缺陷在蒙皮表面處有標記。

圖3 試塊上加工缺陷的尺寸示意

2.3 U型鐵氧體和骨架尺寸試驗中選取的U型鐵氧體的外長為58 mm，內長為28 mm，高為29 mm，內高為18 mm，圓角直徑為15.7 mm。選用的骨架尺寸為罐型GU30鐵氧體的專用配套骨架，外徑30 mm，內徑16 mm，高14 mm。

圖4 骨架及U型磁芯尺寸示意

3 傳感器參數優化

接下來對U型探頭的一系列參數進行優化，以獲得較高的檢測靈敏度。試驗中探頭靈敏度S=VP/VS，其中VP為缺陷信號與參考信號的差分信號幅值，VS為參考信號幅值。

3.1 U型探頭模型選擇如圖5所示，建立了4種不同類型的U型探頭。

圖5 4種傳感器模型結構示意

第1種模型的激勵線圈分別繞制在U型鐵氧體兩個角上，其中兩個激勵線圈反向連接，匝數200匝，每個角上100匝；第2種模型的激勵線圈繞在鐵氧體的橫梁上，匝數200匝；第3種模型的激勵線圈既繞制在兩個角上，又繞制在橫梁上，匝數330匝，其中每個角上90匝，橫梁上150匝；第4種模型的激勵線圈分別先繞制在GU30鐵氧體骨架上，每個骨架100匝,總匝數200匝，并且兩個激勵線圈反向連接，然后將骨架置于U型鐵氧體的兩個角上。激勵線圈采用直徑為0.41 mm銅線，TMR芯片放置于兩個激勵線圈正中間的位置，嵌于透明亞克力板內并緊貼鋁蜂窩板試件。

以此四種模型的探頭分別對鋁蜂窩板寬5 mm，深度20 mm的腐蝕缺陷進行檢測，其中激勵電流為0.7 A，頻率為50 Hz，占空比為50%。得到的靈敏度結果如圖6所示。從圖中可以看出，模型1和模型4的檢測靈敏度大于第2種和第3種模型，并且模型1和模型4的檢測靈敏度相對來說差別不大。但是考慮到探頭的制作工藝和精確性，將激勵線圈繞在骨架上然后置于U型磁芯兩端比將激勵線圈直接繞在U型鐵氧體兩端要方便，并且模型4探頭的鐵氧體磁芯還可以抽取出來重復利用，避免后期試驗更換鐵氧體時產生誤差。

圖6 四種模型的檢測靈敏度

對圖6進行分析，最終確定采用第4種U型探頭模型。在接下來的試驗中對第四種模型的U型探頭的參數進行優化。

3.2 激勵線圈匝數選擇

當改變探頭激勵線圈的匝數時，線圈的阻抗、感抗和品質因數都會發生變化,從而影響探頭的檢測靈敏度，所以在第4種U型探頭模型的基礎上又繞制了160,180,220，240匝的U型探頭，每個骨架上各繞制一半數值的匝數，其他參數不變，得到試驗結果如圖7所示。

圖7 激勵線圈不同匝數時探頭的靈敏度

從圖7可得出結論，當激勵線圈匝數為160～200匝時，U型探頭的檢測靈敏度較高，故U型探頭的激勵線圈匝數選取200匝。

3.3 TMR接收位置選擇

下面探討TMR接收位置對U型探頭檢測靈敏度的影響。圖8是從探頭底部觀測的TMR接收位置的俯視圖，首先將TMR置于雙激勵線圈正中間，然后將TMR位置分別向右移2，4 mm和向上移2，4 mm，檢測并比較5個TMR放置位置的靈敏度。第4種模型探頭匝數選取200匝，其他參數不變，試驗結果如圖9所示。

圖8 TMR接收位置示意

圖9 TMR接收位置不同時探頭的靈敏度

從圖9可看出，當TMR置于磁場正中間軸線上時，檢測靈敏度比其他TMR所在位置的靈敏度高，并且往上移動距離越遠，檢測靈敏度越低。因為整個磁場分布和電流走向關于兩個激勵線圈軸對稱[6]，相比于TMR上移的探頭，TMR上移后所在位置處的磁場強度會因為遠離中心磁場線而變小，所以檢測靈敏度會相對降低。當TMR芯片右移時，因為離激勵線圈更近，此時TMR所在位置處的磁場強度會更大，所以檢測到的信號幅值要比TMR置于正中間時的大，但是從圖中看出檢測靈敏度相差并不大，且TMR置于正中間可使得探頭看上去對稱，整體更加協調。故最后確定將TMR置于兩個激勵線圈的正中間位置。

3.4 激勵頻率的選擇由趨膚效應可知，當激勵頻率越低，渦流滲透的深度會越深，但是滲透能量會降低，檢測靈敏度隨之降低。所以U型探頭檢測蜂窩板缺陷時，需要選擇合適的激勵頻率。選取1，5，10，50，100，200 Hz的激勵頻率進行靈敏度試驗，其他參數不變，試驗結果如圖10所示。

圖10 激勵頻率不同時探頭的靈敏度

由圖10可看出:頻率小于50 Hz時，檢測靈敏度隨著頻率的增加呈上升趨勢;當頻率為50 Hz時,靈敏度最大;超過50 Hz時，頻率越大，靈敏度相對越小。故最終選取激勵頻率為50 Hz。

3.5 激勵占空比的選擇

當激勵頻率為50 Hz時，改變激勵電流的占空比，比較激勵電流不同占空比時的探頭檢測靈敏度(其他參數不變)，結果如圖11所示。

圖11 激勵電流占空比不同時的探頭靈敏度

從圖11可看出，占空比大于50%時的檢測靈敏度大于占空比小于50%時的檢測靈敏度，并且當占空比為50%時，探頭的檢測靈敏度最高。故激勵電流的占空比取50%。

4 結語

采用雙激勵U型鐵氧體探頭對鋁蜂窩內腐蝕缺陷進行檢測，確定了U型探頭的設計模型，將激勵線圈纏繞在兩個骨架上，然后將骨架分別置于U型鐵氧體的兩個端腳處，并確定了激勵線圈匝數為200匝、TMR接收信號位置處于兩個激勵線圈正中間,激勵頻率為50 Hz,占空比為50%時,探頭的檢測靈敏度最高。

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Optimization of Pulsed Eddy Current Sensor Parameters for Detection of Internal Corrosion of Aluminium Honeycomb Structure

YANG Hao, FU Yue-wen, CAO Ai-song

(Key Laboratory of Nondestructive Testing， Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Detection of internal corrosion of aluminium honeycomb structure is of difficulty and hotspot in the field of nondestructive testing. Pulsed eddy current testing technique is sensitive to corrosion defects, and for effective detection of internal corrosion defects in aluminum honeycomb, this study designed a double incentive U-shaped probe and used TMR to receive signal. A lot of experiments were carried out for choosing optimal parameters in U-shaped model of the probe, including the excitation coil number of turns，the position of TMR，the size of the excitation frequency and the duty ratio. Finally the optimization of parameters of U-shaped probe for detecting internal corrosion of aluminium honeycomb structure were confirmed and this U-shaped probe was of the highest sensitivity for corrosion detection.

Pulsed eddy current;Corrosion of aluminium honeycomb;U-shaped probe; Parameter optimization

2016-06-22

國家自然科學基金資助項目(51267016,51667016);國家重大儀器設備開發專項資助項目(2013YQ140505)

楊 浩(1992-)，男，碩士研究生，主要從事電磁無損檢測技術等方面的研究。

楊 浩，E-mail：403763402@qq.com。

10.11973/wsjc201612005

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0020-05