基于脈沖渦流的多層異種金屬材料內部缺陷檢測

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(1.電子科技大學 自動化工程學院，成都 610000；2.紐卡斯爾大學 電子電力與計算機工程學院， 紐卡斯爾 NEI7RU；3.中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 621900)

多層異種金屬黏接結構具有比強度高，比模量高，抗疲勞和減振性能強等優點，被廣泛應用于航空航天、國防、核工業等領域[1]。由于制造手段和生產環境的影響，層板黏接處容易產生脫黏、氣泡等缺陷。在生產、組裝和實際使用過程中，還會有裂紋、劃痕等缺陷的出現。這些缺陷大多是亞表面缺陷，容易導致構件的物理屬性發生改變，在毫無察覺的情況下逐漸影響構件的可靠性和安全性。因此，檢測并保證此類結構的質量安全具有重大意義[2]。

自20世紀50年代以來，WAIDELICH等[3]使用方波激勵的方式測量構件涂層的厚度，使脈沖渦流檢測技術(PEC)成為了無損檢測方法中重要的研究方向。相比傳統渦流檢測,脈沖渦流檢測方法具有集膚深度大，檢測深度深等優點，對內部缺陷以及多層材料缺陷檢測具有優勢[4]。TAI等[5-6]應用絕對式脈沖渦流檢測線圈成功檢測出多層導電結構電導率和厚度。DE HAAN等[7]針對鐵磁性材料建立了脈沖渦流探頭模型，采用多項式近似的方法，計算了脈沖渦流在試件中傳播各時段的響應信號的解析解。AOUKILI[8]等借助有限元仿真技術，將傳感器設計成陣列形式，模擬檢測金屬構件表面缺陷，分析了檢測線圈感應的靜態磁場。陳振茂等[9-10]提出在現有脈沖渦流檢測技術的基礎上，結合核磁共振成像、超導量子干涉儀的磁場梯度測量技術，通過仿真和試驗，證明了該種方法能有效提高對金屬構件表面缺陷檢測的靈敏度。武新軍等利用脈沖渦流檢測技術測量了鐵磁性材料的厚度，并提出利用信號斜率這一特征量來分析試件厚度[11]。針對鐵磁性構件，周德強等[12]將傳統的漏磁檢測與渦流檢測結合起來，提出了新的融合檢測方法，并通過有限元仿真討論了檢測信號與被測試件、激勵之間的關系。羅飛路等[13]基于脈沖渦流檢測理論，設計了矩形脈沖渦流傳感器，并分析了這種傳感器的三維磁場測量值。TIAN等[14]為了解決提離效應的影響，提出了使用歸一化和兩路參考信號的方法，用試驗驗證了該方法的準確性。

根據渦流檢測原理可知，缺陷對試件感應產生渦流的擾動可以用于檢測，而多層異種金屬平板的缺陷一般位于板層內部深處，根據渦流的集膚效應，內部缺陷對渦流的擾動隨著缺陷深度的增加而減小，故為了提高缺陷檢測深度以及檢測靈敏度，筆者從提高試件內感應渦流大小的角度入手，針對脈沖渦流探頭進行了優化和試驗驗證。

圖1 脈沖渦流檢測原理示意

1 脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測原理示意如圖1所示，當初級線圈中通有一定頻率和一定幅值的電流I1時，根據電磁感應原理，在該線圈的周圍空間里會感生出相同頻率的感應磁場B1，由渦流效應可知，交變的磁場B1在被測試件中感應出渦流I2。磁場B1的大小、被測試件的物理屬性都會影響渦流I2的大小和分布。渦流I2又感應出次級磁場B2。而通過檢測并分析磁場B1、磁場B2疊加后的磁場可判斷金屬導體中是否有缺陷。其中疊加磁場主要的變化來自于次級磁場B2的變化，而引起磁場B2異常的一個因素就是被檢構件中存在的缺陷。

2 磁集中脈沖渦流探頭仿真優化

使用的鉛鋼多層結構試件的結構示意如圖2所示，該試件共3層，第一層為1 mm厚的鉛合金，第二層為0.1 mm厚的環氧樹脂(作為黏接劑)，第三層為4 mm厚的45鋼。缺陷為圓柱體，位于45鋼層之上，厚度為0.5 mm，其直徑大小分別為5，4 mm。各層的材料屬性如表1所示。

圖2 試件結構示意

表1 被測試件各層材料屬性

針對該種結構，筆者通過數值模擬仿真技術，對脈沖渦流線圈和結構進行優化，提出磁集中探頭架構，提高了對內部缺陷的檢測能力。試驗使用二維軸對稱模型，采用絕對式探頭，將多層異種金屬材料的缺陷簡化為在鋼層處的環形槽，幾何模型如圖3所示，圖3(a)是圖3(b)的剖面圖。該模型共包含7個區域，其中區域1為內鐵芯，使用高磁導率材料制作，作用是加強激勵線圈產生的磁場；區域2為檢測線圈，通過分析檢測線圈上的瞬態信號可分析被測試件是否存在缺陷；區域3為內屏蔽罩，使用具有較高相對磁導率的材料制作，可以降低激勵線圈與檢測線圈產生的磁場耦合；區域4為激勵線圈；區域5為外屏蔽罩，使用具有高相對磁導率的材料制作；區域6為被測試件；區域7為空氣。

圖3 探頭仿真模型

仿真首先討論了內鐵芯對檢測信號的影響，使用差分信號峰值作為評價檢測靈敏度的特征量。試驗時，先固定內鐵芯的高度，改變半徑；然后固定半徑，改變高度。設計的試驗表格如表2，3所示。

表2 內鐵芯高度尺寸變化時得到的差分信號峰值

表3 內鐵芯半徑尺寸變化時得到的差分信號峰值

圖4(a)是檢測信號(差分信號峰值)與內鐵芯半徑的關系，可見隨著鐵芯半徑的增加(1～10 mm)，檢測信號強度增加(0.45～2.1 mV)，但在半徑增加到7 mm后，檢測信號強度變化趨于平穩，所以確定內鐵芯半徑為7 mm，其相應的檢測靈敏度為2.1 mV。圖4(b)是檢測信號與內鐵芯高度的關系，可見隨著鐵芯高度增加(5～70 mm)，檢測信號強度增加(1～2.1 mV)，在高度增加到70 mm后，檢測信號強度增幅較小，所以確定內鐵芯高度為70 mm，其相應的檢測靈敏度為2.2 mV。由此確定內鐵芯尺寸(半徑×高度)為7 mm×70 mm。不過，在實際的設計中，考慮到70 mm相比30 mm高出許多，但檢測靈敏度并沒有提高很多，所以可以考慮使用30 mm的高度。

圖4 檢測信號峰值與內鐵芯尺寸的關系

此外，仿真還討論了多項參數對檢測信號的影響,如：① 激勵線圈、檢測線圈的幾何尺寸，如半徑、高度以及線圈匝數對檢測結果的影響；② 在激勵線圈和檢測線圈之間增加屏蔽層，討論屏蔽層尺寸的影響。分析采用控制變量法，方法與上述討論內鐵芯尺寸對檢測信號影響的方法相同，得到的探頭結構尺寸如表4所示。

表3 探頭結構尺寸優化結果

圖5 有與無外屏蔽罩時的模型磁場分布

為了使傳感器激勵磁場分布靶向集中，筆者在激勵線圈外增加了屏蔽罩，如圖3(a)所示的區域5，其由高磁導率的材料制成，可以有效地減小磁場分散，即集中磁場，提高檢測靈敏度。模型在具有外屏蔽罩和無外屏蔽罩時的磁場分布情況，仿真結果如圖5所示，從圖5(a)和圖5(b)的對比可以得出結論，外屏蔽罩可以有效地集中磁場，減小磁場分散區域。

圖6 有屏蔽罩和無屏蔽罩時差分信號的曲線對比

因為外屏蔽罩對磁場有聚集磁場、增加試件感應渦流的作用，所以增加外屏蔽罩后，檢測靈敏度增加。仿真結果和試驗結果如圖6所示，可見，有外屏蔽罩模型的差分信號峰值大于無外屏蔽罩模型的差分信號峰值，即外屏蔽罩模型具有更高的檢測信號靈敏度。

3 脈沖渦流檢測平臺和試件

由上述仿真得到的探頭結構參數，筆者設計了磁集中脈沖渦流無損檢測系統，其系統框圖如圖7(a)所示，其由7個模塊組成，包括信號發生器、外部電源、驅動電路、探頭傳感器模塊、數據采集卡、上位機程序。圖7(b)所示為檢測系統外觀。

圖7 基于磁集中的脈沖渦流無損檢測系統框圖及外觀

使用該套系統檢測多層異種金屬平板的內部缺陷，試件實物如圖8所示。首先對被測試件進行網格劃分，分成7行4列，共28個網格點，然后對每一網格點進行信號采集，以網格點1作為參考點，通過分析每一網格點的差分信號來判斷試件是否存在缺陷以及缺陷位置。

圖8 多層異種金屬平板試件實物

4 試驗結果

針對2塊帶有不同直徑 (5，4 mm)缺陷的多層異種金屬平板進行檢測，分別采用時域和頻域下的信號特征量進行分析。時域下選取差分信號峰值作為特征量[15]，在頻域下采用差分信號傅里葉變換的基波幅值、三次諧波幅值以及其比值作為信號特征量。

圖9 缺陷直徑5 mm的試件在時域下的檢測結果

圖9是缺陷直徑為5 mm的平板在時域下的檢測信號，從圖中可看到在第3列中的差分信號出現了突變，突變大小達100 mV。圖9(b)為所有網格點差分信號峰值分布圖，可見圖中出現了明顯信號突變區域。圖9(c)是圖9(a)中每一列差分信號的變化趨勢，在圖中可以直觀地發現掃描行徑的第三列存在奇異點。所以結合圖9的各分圖可以確定該試件的缺陷位置。

圖10為直徑5mm缺陷的平板分別在頻域和時域下的檢測結果。文中選取的是第三列差分信號進行傅里葉變換得到的結果。從圖10(b)可知，網格點4的基波幅值、三次諧波幅值、以及兩者的比值均大于其他網格點。因此，判斷網格點4為缺陷所在位置，這與時域下的分析結果是一致的。

圖10 缺陷直徑5 mm的試件在頻域和時域下的檢測結果

對于缺陷直徑為4 mm的試件，采用相同的方法進行分析，得到的結果表明使用上述方法能成功檢測出缺陷。

5 結論

針對多層異種金屬平板，提出了磁集中的脈沖渦流探頭結構，從仿真入手優化了脈沖渦流探頭的結構參數，并根據仿真結果搭建了試驗平臺，仿真和實際檢測結果表明，提出的磁集中方法能夠有效提高探頭檢測靈敏度。針對多層異種金屬平板進行試驗，將被測試件平面劃分成4×7大小的網格，用探頭依次獲得每個網格內的響應信號。按照試驗方案，對缺陷直徑為5，4 mm的試件進行檢測，從時域、頻域的角度對檢測信號進行了分析。試驗檢測結果表明，設計的脈沖渦流檢測平臺能成功檢測多層異種試件中的缺陷。

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