寬帶激勵(lì)下的低頻電磁檢測(cè)技術(shù)

焦敬品，梁文圓，李光海，吳 斌，何存富

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

低頻電磁檢測(cè)技術(shù)是一種基于交流漏磁與渦流檢測(cè)原理的快速電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[1-4]。低頻電磁檢測(cè)技術(shù)因具有檢測(cè)頻率低、受趨膚效應(yīng)影響較小、檢測(cè)設(shè)備體積小、掃查靈活以及檢測(cè)信號(hào)豐富等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[5-6]。SINGH等[7-8]利用低頻電磁檢測(cè)信號(hào)的幅值特征參量，實(shí)現(xiàn)了鐵磁性管道中軸向和徑向人工刻槽與磨損缺陷的定量表征。JINGPIN等[9]研究了在交流正弦勵(lì)磁場(chǎng)條件下，電磁檢測(cè)信號(hào)的幅值和相位兩種特征參量對(duì)不同深度上、下表面缺陷的檢測(cè)能力。結(jié)果表明，相位特征參量對(duì)下表面的缺陷更為敏感。HOSSEINI等[10]利用檢測(cè)信號(hào)中的阻抗實(shí)現(xiàn)了多層板結(jié)構(gòu)中埋藏缺陷的有效檢測(cè)及分類(lèi)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者就低頻電磁檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了卓有成效的研究，但上述檢測(cè)方法對(duì)被測(cè)試件表面及近表面缺陷較為敏感[11]，對(duì)構(gòu)件中埋藏缺陷的檢測(cè)能力有限。

針對(duì)鐵磁性構(gòu)件內(nèi)部埋藏缺陷檢測(cè)的問(wèn)題，筆者開(kāi)展了寬頻激勵(lì)下的低頻電磁檢測(cè)試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)值仿真，研究了勵(lì)磁信號(hào)頻帶對(duì)低頻電磁場(chǎng)分布的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于寬帶勵(lì)磁響應(yīng)對(duì)應(yīng)歐式距離的低頻電磁缺陷表征方法，并將其應(yīng)用于鐵磁性構(gòu)件的內(nèi)部埋藏缺陷檢測(cè)。

1 寬帶激勵(lì)下低頻電磁檢測(cè)技術(shù)

1.1 低頻電磁場(chǎng)數(shù)值仿真

在COMSOL有限元仿真軟件中，選用AC/DC(交流/直流)模塊中的電磁場(chǎng)，建立低頻電磁檢測(cè)三維簡(jiǎn)化模型(見(jiàn)圖1)。該三維模型由低頻電磁檢測(cè)傳感器和待測(cè)鐵磁試件兩部分組成。其中，傳感器的勵(lì)磁部分為電磁鐵，主要由U型磁芯和在其上纏繞的激勵(lì)線圈組成，磁芯的材料為錳鋅鐵氧體。

圖1 低頻電磁檢測(cè)三維仿真模型

為得到平滑的仿真結(jié)果，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)使被測(cè)試件和磁芯中的網(wǎng)格尺寸小于周?chē)諝鈪^(qū)域的。此外，筆者對(duì)處于監(jiān)測(cè)區(qū)的空氣域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

仿真模型中被測(cè)試件為厚度為12 mm的20號(hào)鋼板，仿真模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。基于上述模型，分別以不同單一頻率的交變簡(jiǎn)諧波和不同帶寬的Chirp信號(hào)作為交流勵(lì)磁信號(hào)，對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行低頻電磁檢測(cè)數(shù)值仿真研究。

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

通過(guò)對(duì)不同帶寬和激勵(lì)頻率下板狀結(jié)構(gòu)的低頻電磁檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行仿真可以看出，被測(cè)試件中磁通密度分布具有明顯的趨膚效應(yīng)，磁通密度在試件上表面最大，沿深度逐漸減小，在試件下表面最小，試件中x方向典型磁通密度分布如圖3(單頻激勵(lì))和圖4所示(激勵(lì)Chirp的帶寬為0150 Hz)。此外，勵(lì)磁的頻率和帶寬對(duì)磁通密度的大小也有很大影響。圖5為不同激勵(lì)條件下，被測(cè)試件中心位置處x方向的磁通密度沿試件深度的變化關(guān)系曲線。可以看出，兩種勵(lì)磁方式下，磁通密度均具有趨膚效應(yīng)，其數(shù)值均隨深度的增加而減小；寬頻勵(lì)磁下，被測(cè)試件中的磁通密度明顯大于單頻勵(lì)磁下的磁通密度，且其數(shù)值在較深處仍較大。由此可見(jiàn)，趨膚效應(yīng)對(duì)寬帶勵(lì)磁下磁場(chǎng)的影響較小，即寬帶勵(lì)磁下的磁場(chǎng)穿透能力較大，更適合檢測(cè)試件中的埋藏缺陷。

圖3 單頻交變激勵(lì)下被測(cè)試件x方向典型的磁通密度分布

圖4 寬頻激勵(lì)下被測(cè)試件x方向典型的磁通密度分布

圖5 單頻和寬頻激勵(lì)下磁通密度隨深度變化的關(guān)系曲線

1.2 寬帶勵(lì)磁下低頻電磁表征方法

在寬帶勵(lì)磁下，由待測(cè)試件得到的低頻檢測(cè)信號(hào)也屬于寬帶信號(hào)，其蘊(yùn)含有更豐富的結(jié)構(gòu)特征信息。相較而言，單頻低頻電磁檢測(cè)得到的信號(hào)幅值和相位等常規(guī)參數(shù)難以充分反映檢測(cè)信號(hào)所包含的信息。因此，筆者借鑒聲學(xué)領(lǐng)域中檢測(cè)信號(hào)的處理方法，以參考區(qū)域的寬帶勵(lì)磁響應(yīng)作為參考信號(hào)，對(duì)寬帶勵(lì)磁下的低頻檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行相似度分析。通過(guò)對(duì)幾種相似度算法進(jìn)行比較，提出利用寬帶勵(lì)磁響應(yīng)的歐式距離作為特征參數(shù)，用于表征鐵磁性構(gòu)件低頻電磁檢測(cè)信號(hào)的信息。其表達(dá)式為

(1)

式中:E為歐式距離表征參量；Hd為待檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度；Hn為參考區(qū)域基準(zhǔn)磁場(chǎng)強(qiáng)度；Hdi為在頻率fi下待檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度；Hni為在頻率fi下參考區(qū)域的基準(zhǔn)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

為說(shuō)明寬帶勵(lì)磁下低頻電磁檢測(cè)方法對(duì)埋藏缺陷的檢測(cè)能力，對(duì)厚板的表面缺陷和內(nèi)部埋藏缺陷進(jìn)行了數(shù)值仿真檢測(cè)，待檢板仿真模型如圖6所示。兩模型尺寸均為620 mm×400 mm×12 mm(長(zhǎng)×寬×高)，材料為20號(hào)鋼，兩模型的上下表面分別布置了4個(gè)槽型缺陷，其深度分別為4.8，6.0,7.2,9.6 mm。以寬帶chirp信號(hào)作為勵(lì)磁信號(hào)，進(jìn)行不同帶寬勵(lì)磁下低頻電磁檢測(cè)數(shù)值仿真。提取兩模型中各缺陷上方1 mm提離處x方向的寬頻激勵(lì)響應(yīng)，同時(shí)，也提取兩模型中相同提離距離下無(wú)缺陷處的寬頻激勵(lì)響應(yīng)。以無(wú)缺陷處提取的信號(hào)作為參考，對(duì)缺陷上方提取的寬頻響應(yīng)進(jìn)行相似度分析。

圖6 待檢板仿真模型

寬頻激勵(lì)下低頻電磁檢測(cè)信號(hào)的歐式距離隨帶寬的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可以看出，不同缺陷處提取檢測(cè)信號(hào)的歐式距離隨激勵(lì)帶寬的增加呈遞增趨勢(shì)，但對(duì)于兩種模型，歐式距離隨缺陷尺寸的變化規(guī)律明顯不同。

圖7 不同缺陷寬頻激勵(lì)下低頻電磁檢測(cè)信號(hào)的歐式距離隨帶寬的變化關(guān)系曲線

當(dāng)缺陷位于板狀結(jié)構(gòu)的表面時(shí)[見(jiàn)圖7(a)]，隨缺陷深度的增加，不同缺陷處提取信號(hào)的歐式距離雖略有增加，但其增加量相對(duì)于其數(shù)值分布范圍很小；當(dāng)試件中缺陷為埋藏缺陷時(shí)[見(jiàn)圖7(b)]，不同缺陷處提取信號(hào)的歐式距離隨缺陷深度的增加而增加，特別是當(dāng)缺陷深度較大時(shí)，其增加幅度更明顯。分析其原因，筆者認(rèn)為兩種模型缺陷深度增加涉及區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同是造成這種結(jié)果的主要因素。當(dāng)缺陷為埋藏缺陷時(shí)，缺陷深度增加的區(qū)域更靠近構(gòu)件的上表面，其磁場(chǎng)強(qiáng)度更大；而當(dāng)缺陷位于上表面時(shí)，缺陷尺寸增加的區(qū)域更遠(yuǎn)離試件上表面，受趨膚效應(yīng)的影響，其磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。因此，寬頻勵(lì)磁響應(yīng)的歐式距離對(duì)埋藏缺陷深度的變化更敏感。

為說(shuō)明提出的寬帶激勵(lì)低頻電磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)埋藏缺陷的檢測(cè)能力，對(duì)圖6所示的不同缺陷位置和兩模型進(jìn)行單頻50 Hz激勵(lì)低頻電磁檢測(cè)仿真，不同激勵(lì)下得到仿真檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖8)。由圖8可以看出，對(duì)于同一缺陷的檢測(cè)，寬頻勵(lì)磁響應(yīng)的歐式距離特征參數(shù)比單頻勵(lì)磁響應(yīng)的幅值大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且對(duì)缺陷深度變化更敏感。

圖8 單頻和寬頻激勵(lì)下不同位置缺陷的低頻電磁仿真檢測(cè)結(jié)果

需要指出的是，作為一種典型的相似度分析方法，歐式距離本質(zhì)上是一種統(tǒng)計(jì)指標(biāo),因此寬頻激勵(lì)下歐式距離對(duì)缺陷的深度較敏感。由式(1)可知，歐式距離必定隨帶寬的增加而增大，寬頻激勵(lì)下的歐式距離必定比單頻激勵(lì)下的歐式距離大，但寬頻下歐式距離與單頻下歐式距離相差的具體數(shù)量級(jí)與多種因素有關(guān)，如帶寬范圍、待檢測(cè)材料的性能及缺陷尺寸及位置等。

2 低頻電磁檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

低頻電磁檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、數(shù)字示波器、穩(wěn)壓電源、低頻電磁傳感器和待測(cè)試件等組成(見(jiàn)圖9)。其中，低頻電磁傳感器主要由U型錳鋅鐵氧體、勵(lì)磁線圈、磁敏元件及屏蔽層等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，傳感器的提離距離為1 mm。被測(cè)試件為620 mm×400 mm×12 mm(長(zhǎng)×寬×高)的20號(hào)鋼試件，其上加工4個(gè)寬為4 mm，長(zhǎng)為25 mm的槽型缺陷，4個(gè)缺陷深度分別為板厚的40%(4.8 mm)，50%(6 mm)，60%(7.2 mm)和80%(9.6 mm)，待檢試件實(shí)物如圖10所示。

圖9 低頻電磁檢測(cè)系統(tǒng)組成

圖10 待檢20號(hào)鋼試件實(shí)物

圖11 掃查方式示意

為模擬表面缺陷和內(nèi)部埋藏缺陷兩種工況，將待檢試件分別按圖11所示的兩種方式放置，進(jìn)行單頻勵(lì)磁和寬帶勵(lì)磁兩種模式的低頻電磁檢測(cè)試驗(yàn)。檢測(cè)時(shí)，在各缺陷中心±15 mm的范圍內(nèi)，以1 mm為步長(zhǎng)進(jìn)行掃查試驗(yàn)，同時(shí)記錄各空間位置的低頻檢測(cè)信號(hào)。試驗(yàn)中，單頻正弦激勵(lì)信號(hào)的頻率為50 Hz，幅值為3 V，寬帶Chirp激勵(lì)信號(hào)的幅值為3 V,帶寬為0150 Hz。放大器的放大倍數(shù)為10倍。對(duì)于單頻勵(lì)磁下的低頻電磁檢測(cè)信號(hào)，提取信號(hào)的幅值和相位用于表征試件不同空間位置的損傷狀態(tài)；對(duì)于寬頻勵(lì)磁下的低頻電磁檢測(cè)信號(hào)，以無(wú)缺陷位置的檢測(cè)信號(hào)為參考，計(jì)算空間不同位置檢測(cè)信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的歐式距離，再用歐式距離表征試件不同位置的損傷狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同位置缺陷低頻電磁檢測(cè)模式下得到檢測(cè)信號(hào)的幅值、相位差和歐式距離的空間分布分別如圖12，13所示。由圖12可以看出，當(dāng)缺陷位于試件表面時(shí)，3種特征參量的空間分布極為相似，即在缺陷處呈單峰凸起，且隨深度增加表征參量峰值也呈遞增趨勢(shì)。因此，3種參數(shù)均可以用于缺陷位置的表征，兩種檢測(cè)方法均可以實(shí)現(xiàn)不同深度的表面缺陷檢測(cè)；但相對(duì)于幅值和相位差兩種參數(shù)，歐式距離空間分布的指向性更強(qiáng)，因此，寬頻勵(lì)磁下低頻電磁檢測(cè)的空間分辨力更強(qiáng)。

圖12 含表面缺陷試件的低頻電磁檢測(cè)結(jié)果

圖13 含埋藏缺陷試件的低頻電磁檢測(cè)結(jié)果

由圖13可以看出，含有埋藏缺陷試件的3種特征參量的空間分布與含有表面缺陷試件的對(duì)應(yīng)參數(shù)的分布規(guī)律類(lèi)似，即在缺陷處呈單峰突起，但對(duì)于有埋藏缺陷的情形，3種特征參量隨缺陷深度的變化規(guī)律有明顯不同，能夠檢測(cè)出最小缺陷的深度也不同。當(dāng)缺陷深度為6.0 mm和4.8 mm時(shí)，單頻勵(lì)磁響應(yīng)對(duì)應(yīng)幅值的空間分布在缺陷附近并未呈現(xiàn)明顯的指向性。因此，單頻勵(lì)磁響應(yīng)的幅值僅能實(shí)現(xiàn)尺寸為9.6 mm和7.2 mm的缺陷檢測(cè)，即僅能實(shí)現(xiàn)埋藏深度為2.4 mm和4.8 mm的缺陷檢測(cè)；當(dāng)缺陷深度為4.8 mm時(shí)，單頻勵(lì)磁響應(yīng)對(duì)應(yīng)相位差的空間分布在缺陷附近并未呈現(xiàn)明顯的指向性。因此，單頻勵(lì)磁響應(yīng)的相位差不能實(shí)現(xiàn)埋藏深度為7.2 mm的缺陷檢測(cè)；對(duì)于4種深度的缺陷，寬頻勵(lì)磁響應(yīng)的歐式距離的空間分布在缺陷處均呈現(xiàn)明顯的指向性。因此，寬頻勵(lì)磁響應(yīng)的歐式距離能夠?qū)崿F(xiàn)4種深度下埋藏缺陷的檢測(cè)，同時(shí)，與缺陷位于試件上表面的情形類(lèi)似，寬頻勵(lì)磁響應(yīng)對(duì)應(yīng)歐式距離的空間分布的指向性也更強(qiáng)，對(duì)缺陷的空間分辨力也更強(qiáng)。

檢測(cè)結(jié)果表明，兩種檢測(cè)模式對(duì)試件中埋藏缺陷的檢測(cè)結(jié)果有很大的不同。對(duì)于寬頻激勵(lì)模式，雖然其埋藏缺陷檢測(cè)結(jié)果的幅值略小，但可以實(shí)現(xiàn)所有深度埋藏缺陷的檢測(cè)，且其變化規(guī)律與上表面缺陷的相似；對(duì)于單頻檢測(cè)模式，則不能實(shí)現(xiàn)深度較大的埋藏缺陷的檢測(cè)。分析原因，筆者認(rèn)為單頻激勵(lì)下(50 Hz)，檢測(cè)結(jié)果受趨膚效應(yīng)的影響較嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)埋藏深度較大缺陷的檢測(cè)；而寬頻激勵(lì)下(0150 Hz)，激勵(lì)信號(hào)含有更多的頻率成分，受趨膚效應(yīng)影響很小，可以實(shí)現(xiàn)文中所有埋藏深度缺陷的檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 對(duì)無(wú)缺陷鐵磁性構(gòu)件進(jìn)行了不同激勵(lì)帶寬下低頻電磁檢測(cè)數(shù)值仿真。結(jié)果表明，寬頻勵(lì)磁下被測(cè)試件中磁通密度明顯大于單頻勵(lì)磁下的磁通密度，且其磁場(chǎng)穿透能力更強(qiáng)。

(2) 提出了一種基于寬頻響應(yīng)歐式距離的低頻電磁缺陷表征方法。數(shù)值仿真結(jié)果表明，寬頻勵(lì)磁響應(yīng)的歐式距離比單頻勵(lì)磁響應(yīng)的幅值大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且對(duì)缺陷尺寸變化更敏感。

(3) 在單頻勵(lì)磁和寬頻勵(lì)磁兩種條件下，對(duì)鐵磁性構(gòu)件的表面缺陷和埋藏缺陷進(jìn)行了低頻電磁檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，寬頻激勵(lì)檢測(cè)技術(shù)能夠大幅提高低頻電磁場(chǎng)的穿透能力，寬頻勵(lì)磁響應(yīng)的歐式距離對(duì)內(nèi)部埋藏缺陷有較強(qiáng)的檢測(cè)能力和空間分辨能力。