基于渦流傳感的金屬表面缺陷檢測方法研究

韓 寧,張志杰*,尹武良,趙晨陽

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器與電子學院,太原 030051)

作為航空發動機最重要零件之一的葉片,其質量和性能直接關系到整個飛機的正常工作。由于葉片氣膜孔加工過程中容易產生重鑄層、微裂紋、再結晶等缺陷,以及發動機葉片工作時要受到交變載荷、熱腐蝕、高溫氧化和機械磨損多種作用的影響,最容易產生疲勞裂紋損傷。準確檢測航空渦輪葉片的結構完整性和狀態,及時發現并預防危害,提高發動機工作安全性,成為目前無損檢測領域研究的一個共同熱點[1]。

渦流傳感技術由于其具有非接觸、檢測速度快、可靠性高、對所有導電材料都適用等優勢[2],被引入到了航空無損檢測領域?；趥鞲衅餍酒碾姕u流探頭通常在激勵線圈的基礎上再加上一個用于直接測量磁場大小的傳感器芯片,克服了線圈式探頭靈敏度受激勵頻率影響的缺點,從而可以適應不同深度缺陷的檢測要求。GMR芯片具有尺寸小易于集成,靈敏度高,溫度穩定性好,且成本和功耗低等優勢[3],得到了廣泛的應用。

電磁渦流檢測中受葉片微裂紋擾動而產生的特征信號是具有瞬變性的非平穩信號,且十分微弱(一般為μT級),容易受配套測試系統以及環境噪聲的影響,采用合適的去噪方法從實測信號中提取有用信息具有重要的現實意義。小波分析具有多分辨率分析的特點,在時域和頻域都有表征信號局部特征的能力,時間窗和頻率窗都可以根據信號的具體形態動態調整,具有自適應性,能夠探測正常信號中的瞬態成分[4]。

本文對渦流傳感器探頭參數進行了優化設計,研究了小波理論在瞬變微弱信號檢測中的應用。

1 渦流傳感原理

圖1 渦流檢測原理圖

空間交變磁場激發的渦流場在金屬表面分布密集,而沿縱向深度迅速衰減的現象稱為趨膚效應[6]。渦流的趨膚效應是金屬表面缺陷檢測必須考慮的重要因素,趨膚深度(渦流密度衰減為表面的37%,又稱為標準透入深度)直接決定能夠探測的缺陷深度。其計算公式為:

(1)

式中:δ為趨膚深度(m),f為探頭激勵頻率(Hz),μ為材料的磁導率(H/m),σ為材料的電導率(s/m)。工程中通常以標準透入深度的2.6倍作為檢測范圍。

圖4 不同激勵電流下的金屬板縱深渦流密度分布

由式(1)可知,對于特定的金屬材料,渦流能夠透入的深度,僅取決于外部勵磁線圈的激勵頻率。以長寬厚分別為200 mm、200 mm、15 mm的鋁板為模型,模擬分析探頭激勵頻率對渦流趨膚深度的影響,結果如圖2所示,可見激勵頻率越高趨膚效應越顯著。激勵線圈下方鋁板截面上數據提取線Lj處的渦流密度衰減曲線如圖3,當激勵頻率在2 kHz以上時,近似呈指數函數衰減。渦流密度隨激勵電流的增大有顯著的增加,而透入深度基本不會隨之改變,如圖4。

圖2 15 mm厚金屬板中渦流的趨膚效應(截面圖)

圖3 不同頻率下的金屬板縱深渦流密度分布

考慮探測渦輪葉片表面及亞表面可能存在的微裂紋,探頭的激勵頻率取到2 kHz以下,使其激勵產生的渦流能夠達到有效的深度[7],選取合適的電流值可以得到實際可測的缺陷信號。

2 仿真分析及優化設計

2.1 模擬動態掃描仿真分析及實驗方法

基于Ansoft Maxwell軟件中的渦流分析(Eddy current)平臺建立探頭線圈及缺陷試件的模型如圖5,其中激勵線圈模型為管狀實心導體,厚度等價于漆包銅線疊加的厚度。

圖5 仿真模型

應用表1中的模型及求解參數,仿真模擬渦流探頭掃過鋁板表面的動態過程如圖7。在探頭由左及右的過程中,鋁板模型上所設置的缺陷將切割探頭在鋁板中激勵的渦流場,在其擾動下渦流密度發生了由強變弱再到強的變化,圖6所示為有限元仿真分析的渦流密度變化過程,白色線條即為缺陷模型。

表1 模型及求解參數

圖6 模擬動態掃描分析結果

對于探頭掃描方向的確定需要考慮所用的GMR傳感器。GMR僅對某一個方向的電磁場變化敏感,稱其為GMR的敏感軸。而對于其他方向的磁場變化的敏感性不強[8],即被測磁場的變化在GMR敏感軸上的投影分量是有效的。如圖7所示,結合研究中所用NVE AAH002-02E GMR傳感器的封裝結構,可以得出其靈敏度與磁場方向的關系為:

Sθ=S0cosθ

(2)

式中:Sθ為磁場方向與傳感器敏感軸間的夾角為θ時的靈敏度,S0為磁場方向與GMR傳感器敏感軸(標準軸,Standard sensitivity)平行時的靈敏度。天津大學王超教授課題組的研究結果表明[3,8-9],GMR 磁敏感軸方向與探頭掃描方向平行時,得到的掃描曲線是波峰波谷的形式,效果優于垂直掃描(敏感軸方向與掃描方向垂直)的情況,本文研究中探頭掃描方向均為平行掃描。

圖7 GMR傳感器敏感軸及探頭掃描方向

2.2 探頭激勵電流及提離值的優化分析

在激勵頻率、探頭結構以及掃描方案確定的前提下[10-12],由圖4可知激勵電流幅值將影響實際的檢測結果。在不同的激勵電流(500 mA,800 mA,1 000 mA)和探頭提離值(0 mm,1 mm,2 mm)下,按上述的方案對缺陷鋁板模型進行掃描分析,結果如圖8。

圖8 不同激勵電流下缺陷特征信號強度

缺陷特征磁場信號的強度隨著激勵電流幅值的增加而增大,隨著探頭提離值的增加而減弱。當激勵電流為1 000 mA時,磁場瞬變幅值為1.2 μT,實際可測。

3 測試平臺及實驗分析

3.1 測試平臺搭建

以基于GMR傳感器的電渦流探頭為核心,搭建了如圖9所示的缺陷檢測平臺,其中集成電路模塊主要包含控制核心89C52單片機、AD9850信號發生器、LM1875功率放大器以及AD620儀表放大模塊[13]。

圖9 測試平臺

測試平臺工作原理:由單片機向AD9850發送頻率控制字和相位控制字,并通過調節電位器產生特定頻率和幅值的正弦信號,經過功率放大后加載到探頭激勵線圈上。由三軸位移平臺固定探頭勻速掃過缺陷試件表面,磁場變化由貼在探頭下的GMR傳感器檢測。實測信號送入AD620放大后,經采集卡送入上位機處理。

其中設計了專門的GMR集成外圍電路(尺寸為10 mm×10 mm),探頭和PCB板如圖10所示。集成GMR的小尺寸探頭便于精確的檢測和定位缺陷位置,是陣列式探頭研究的先行條件。鋁合金板上設置了12組不同寬度的人工缺陷,系統具體參數如表2,實物如圖11。

表2 系統及探頭參數

圖11 渦流探傷檢測平臺

圖10 探頭實物及GMR外圍電路PCB

3.2 實驗結果

基于所開發的檢測平臺,對探頭給定一個強脈沖磁場信號,GMR傳感器的輸出如圖12,有較快的響應速度,上升時間不到1 ms,能夠響應缺陷擾動產生的瞬變磁場信號。

圖12 脈沖磁場激勵下的輸出曲線

對合金板上的缺陷進行掃描檢測,得到的輸出曲線中疊加了源自于電路和環境的噪聲信號,微弱的缺陷特征信號被嚴重覆蓋,如圖13所示,因此需要選擇合適的方法做進一步的降噪處理。

圖13 1 mm寬度缺陷擾動下的輸出曲線

小波分析克服了短時傅里葉變換在單分辨率上的缺陷,具有多分辨率分析的特點,在時域和頻域都有表征信號局部特征的能力,時間窗和頻率窗都可以根據信號的具體形態動態調整,具有自適應性。非常適用于金屬表面探傷中瞬變信號的處理。

圖14 1 mm寬度缺陷實測信號的歸一化頻譜

4 基于小波閾值的信號降噪

從實測1 mm寬度缺陷擾動信號的歸一化頻譜(圖14)中可以看出,1 kHz的激勵源產生的倍頻噪聲疊加在了有效信號中,噪聲信號分布在1 kHz后的整個高頻段上。為了盡可能的保留原始信號中的有用成分,我們使用基于小波閾值的降噪方法。

4.1 小波閾值的去噪方法

小波閾值去噪方法的思想是對經過N層小波分解后的各層系數中模大于和小于某閾值的系數分別處理,然后對處理完的小波系數再進行反變換,重構出原始信號[14-15]。小波基、分解層數和閾值的選擇都影響信號的去噪質量。

對比分析極大極小閾值(sqtwolog)、固定閾值(sqtwolog)、自適應閾值(rigrsure)和啟發式閾值(heu-rsure)四種閾值函數,考慮使用固定閾值的處理方法,在保證一定信噪比的同時,去噪后的信號更加光滑,能夠表征出缺陷信號的變化趨勢。產生的閾值由式(3)計算,其中N為信號長度,σ為小波系數。

(3)

硬閾值方法在均方誤差意義上優于軟閾值,可以很好的保留信號邊緣等局部特征,重構信號更加逼近真實信號。

小波的形態與信號的形狀及其連續性越相近,將得到更好的去噪效果。因此采用連續db小波對圖14所示原始信號進行降噪處理,結果如圖15。五層分解的db小波函數清晰的重建了缺陷信號的變化趨勢,信噪比為-44.89,這說明了低頻電磁瞬變信號相對于噪聲信號的能量十分微弱。

圖15 去噪效果分析

4.2 實驗結果分析

對實驗中檢測到的12組不同寬度的缺陷信號應用db小波降噪,繪制出其中的四組數據如圖16。

圖中波峰值Δp與間隔時間ΔT都有顯著的變化規律,均可以作為表征缺陷寬度的特征量,12組曲線的Δp值統計如表3。其擬合曲線如圖17。

圖16 不同缺陷寬度下的探頭掃描曲線

缺陷寬度/mmΔp/V缺陷寬度/mmΔp/V0.20.066 4961.40.077 2300.40.069 8981.60.078 9400.60.070 4701.80.079 5500.80.072 3702.00.078 7291.00.075 1102.20.083 1491.20.076 2202.40.087 400

圖17 缺陷寬度與波峰值的擬合曲線

缺陷特征信號隨缺陷寬度的增加而增加,可以將其作為缺陷量化的依據,進行微損傷的評估。其擬合關系如下:

F(x)=0.007 962x+0.065 95

(4)

5 結論

本文研究了渦流傳感技術在金屬表面缺陷檢測中的應用,基于有限元平臺針對缺陷鋁板模型模擬探頭動態掃描過程,仿真分析了激勵頻率、電流以及提離值對探頭下疊加磁場強度的影響,確定了對于鋁及鋁基合金材料渦流檢測的最佳激勵頻率為500 Hz到1 kHz;探頭提離值應選擇在2 mm左右,保證可識別的特征信號,且其強度在GMR傳感器的線性范圍內;

針對航空鋁材6A02,設計了基于GMR傳感芯片的渦流單探頭并搭建了相應的測試平臺。應用db小波,對實測的疊加高頻噪聲的微弱瞬變電磁信號進行了濾波處理,取得了良好的效果。實驗表明,探頭的檢測水平至少在2 mm,為航空鋁材尤其是飛機發動機渦輪葉片微小裂紋的無損檢測及陣列式渦流探頭的設計提供了參考。