切換式渦流-電容雙模式無損檢測系統研發

趙明睿, 殷曉康,朱 挺, 范瑞祥, 韓宗凱,張兆瑞

(中國石油大學(華東) 機電工程學院,青島 266580)

隨著材料學的不斷發展以及制造水平的日益提升,大量新型“絕緣-導體”復合結構被廣泛應用于生產生活中的各個領域。在航空航天等領域中,具有良好防腐、隔熱性能的“絕緣-導體”復合結構的應用更為廣泛[1-2],其需求甚至超過了常規金屬、合金等常規材料。然而受復合結構的復雜性以及材料本身的物理化學性質等因素的影響,不同結構材料層的全面檢測一直是無損檢測行業的技術難題。因此,有必要針對“絕緣-導電”復合結構檢測進行研究,以改進和開發更高效、方便和具有成本效益的無損檢測技術。

現有的檢測技術如熱成像、微波、聲發射、超聲等只能實現單一參數的測量或特定類型缺陷的檢測。而結合多種模式的無損檢測系統具有許多優勢,如:電感-電容雙通道傳感器可用于檢測和區分導體和絕緣材料,通過切換兩個傳感器之間的物理組合切換操作模式[3]或通過工作在諧振頻率上的電感-電容傳感器,同時實現電感和電容檢測[4];利用高頻電渦流探頭的電容耦合效應可以檢測絕緣試樣缺陷[5];由硅鋼片和平面電感線圈構成傳感器可以實現液壓油液污染物的綜合檢測[6]。此外,雙模式傳感器還可用于雙模態層析成像技術中,以提高測量精度[7];通過構建雙模式接近覺傳感器,可以實現距離的精確檢測,同時還可以分辨接近物的材料[8];通過構建電容電感組合傳感器,可以降低提離變化的影響,以實現高精度測厚[9]。

文章將渦流檢測技術與共面邊緣場電容成像技術[10]融合,進行渦流-電容雙模式檢測系統的設計,并實現程序控制模式切換。并設計了缺陷試樣,模擬實際檢測中的工況,測試傳感器及檢測系統的檢測性能,試驗結果表明,該系統具有檢出復合材料試樣中常見缺陷的能力。

1 雙模式無損檢測技術

1.1 雙端激勵雙模式傳感器

雙端激勵型雙模式傳感器是一種在激勵線圈兩端分別接入激勵源V1,V2,通過改變兩激勵源相位差來實現模式切換的一種渦流-電容雙模式傳感器。其檢測原理與單端激勵型傳感器的相同,為:在渦流模式下根據電磁感應原理,激勵線圈內交變電流在空間中形成感生磁場,并在激勵線圈中產生感生電動勢;在電容模式下根據電容的邊緣效應,兩平行極板間存在電場,當兩極板間的等效介電常數改變,板間電容將改變,從而引起檢測極板上電荷量變化。

典型的雙端激勵型雙模式傳感器結構如圖1所示,當V1,V2相位差為0時,激勵線圈兩端的電勢時始終相等,線圈內沒有電流,且接收線圈一端(接收端2)懸空,兩個線圈組成一對共面電容極板,檢測系統處于電容模式;當V1,V2相位差為180°時,激勵線圈內有交變電流產生,且接收端2接地,兩個線圈組成典型的電感耦合傳感器,檢測系統處于渦流模式。

1.2 有限元仿真

為觀察此類傳感器的探測場分布,使用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件建立了傳感器物理模型。傳感器基板尺寸為38 mm×19 mm×0.8 mm(長×寬×厚),探頭線圈采用實體線圈域,設置在基板底面,厚度為0.2 mm,線寬為0.2 mm,線間距為0.2 mm,匝數為20匝,兩線圈間距為0.5 mm。在激勵線圈兩端分別添加終端邊界條件,模擬實際激勵信號輸入,構建的有限元模型如圖1(c)所示。

沿傳感器中心(傳感器朝下)寬度方向截面的探測場分布情況如圖2所示,線條的顏色表示空間中探測場強度,線條上的箭頭表示其方向。仿真結果表明,當兩激勵源相位差φ為0時,傳感器下方可激發出用于檢測的電場;相位差φ為180°時,傳感器下方可激發出用于檢測的磁場。因此,可以通過切換激勵源間相位差來實現檢測模式切換。

圖2 雙端激勵型雙模式傳感器探測場分布

進一步探究相位切換式傳感器對于“絕緣-導體”復合結構中不同種類缺陷檢測的可行性,以上述傳感器物理模型為基礎構建了包含復合結構試樣的缺陷檢測仿真模型(見圖3)。所構建的試樣模型中包含5個不同類型的缺陷,其參數如表1所示。設置探頭提離為1 mm,對有限元模型沿缺陷中心線進行了模擬線掃描檢測。

表1 復合試樣缺陷參數

圖3 包含復合結構試樣的缺陷檢測仿真模型

復合結構試樣缺陷檢測仿真結果如圖4所示,可見電容模式下傳感器對絕緣層表面和隱藏缺陷以及導體層上的表面孔缺陷均敏感,而導體層表面裂紋所引起的電荷變化較小。由于導電體的電磁特性探測電場終止于導體試樣的表面,當存在表面缺陷時電場線的分布將被改變。裂紋缺陷的表面積較小,對空間內的電場分布影響相較于孔缺陷來說非常小,因此其對傳感器接收端的感應電荷影響較小。在渦流模式下,激勵線圈可在試件導體層表面感應均勻渦流,而當導體表面存在缺陷時渦流被缺陷阻擋,則通過計算感應線圈之間的感應電壓可以表征缺陷的信息。渦流模式下傳感器對絕緣層缺陷不敏感,因此3,5號缺陷造成的線圈電壓變化是相同的。

圖4 復合結構試樣缺陷檢測仿真結果

仿真結果表明,所提出的雙模式傳感器在渦流和電容模式下的敏感特性分別與傳統的渦流檢測技術和電容成像檢測技術的敏感特性相似,通過對兩個模式的檢出信號進行對比分析,可實現對“絕緣-導體”復合結構試樣中常見缺陷的檢出與識別。

2 檢測系統設計

2.1 總體設計

雙端激勵型雙模式傳感器通過改變兩激勵信號相位差以實現模式切換,測試信號通過接收線圈進入檢測電路,在渦流模式下檢測信號為線圈感生的同頻電壓信號,在電容模式下檢測信號為微弱的電荷信號。考慮到渦流與電容檢測檢出信號的差異,將兩單模式檢測電路結合,開發了一套完整的雙模式檢測硬件系統,系統整體結構框圖如圖5所示。

圖5 雙模式檢測硬件系統框圖

激勵端相位切換與檢測電路復用均通過單片機程控實現,其程序流程圖如圖6所示。正常檢測時,單片機通過ADC接口接收信號并將其編碼發送至上位機;當收到控制指令時,運行中斷子程序實現程控模式切換。控制指令為由上位機程序發送的一位字符0(ASCII碼為0×30)或1(ASCII碼為0×31)。兩種檢測模式在每個掃描位置順序工作,兩種檢測模式的探測場相互獨立,檢出的信號也分別進行處理,因此兩模式不會產生干擾。

雙模式檢測系統檢測電路工作流程圖如圖7所示,圖中Gac為同相放大器,具體工作流程如下:①多路復用器S1與S2控制測試信號進入信號調理電路,在電容模式下信號接入電荷放大器電路,在渦流模式下信號經過比例放大電路,以得到幅值較大的電壓信號。最終兩模式放大信號均經過帶通濾波電路調理提高信噪比,并濾除直流成分以便進行鎖相;②放大信號經正交鎖相放大電路,交流待測信號轉化為表征原信號幅值與相位信息的兩路直流信號,并通過直流偏置電路轉換為可供單片機采集的正電壓信號;③正電壓信號通過A/D(模/數)轉換獲得對應的數字信號,經單片機運算轉換為對應電壓值,通過串口發送至上位機進行處理與顯示。

圖7 檢測電路工作流程圖

2.2 模式切換模塊設計

模式切換模塊主要包括兩部分,根據兩處電路中負載信號的特性分別設計了兩種模式切換電路,為激勵切換模塊與接收切換模塊。其中激勵切換模塊用于控制激勵信號相位切換,且激勵信號為功率信號,使用功率繼電器電路控制信號通斷。當控制信號處于低電平時,系統處于渦流模式;當控制信號為高電平時,系統處于電容模式。接收切換模塊用于控制測試信號接入信號處理電路,為減少對測試信號的干擾,采用精密的多路復用器控制信號通斷,當控制信號為低電平時,系統處于渦流模式,線圈感生的交流電壓信號接入電壓放大器電路;當控制信號為高電平時,系統處于電容模式,接收極板中產生的電荷信號接入電荷放大器電路。

3 試驗與結果

3.1 系統搭建

渦流-電容雙模式檢測系統結構如圖8所示,完整的渦流-電容雙模式檢測系統由上位機、硬件系統、信號發生器以及傳感器構成[見圖8(a)]。其中檢測系統硬件電路通過印刷電路板(PCB)搭載,進行物理連接形成塔式結構,并采用模塊化設計以提高測試系統的可拓展性,硬件電路拓撲結構如圖8(b)所示。

圖8 渦流-電容雙模式檢測系統結構

3.2 缺陷試樣掃查試驗

為測試傳感器對絕緣試樣表面缺陷的檢測能力,選擇方形通孔缺陷有機玻璃試樣(試樣1)進行試驗,其結構如圖9(a)所示,板厚為4 mm,方形孔缺陷邊長分別為9,8,7,6 mm,埋深為1 mm。使用掃描臺架夾持探頭保持提離高度為1 mm,試驗結果如圖9(b),(c)所示,可以看出,在電容模式下,當傳感器經過缺陷時,由于缺陷處介電常數與有機玻璃材料的不同,探測電場發生變化,從而使檢測信號產生畸變,且隨方形孔邊長增大,檢測信號畸變量增大;渦流模式下,由于渦流模式對絕緣試樣缺陷不敏感,渦流檢測信號穩定于背景值。

圖9 有機玻璃試樣結構及其線掃描試驗結果

試件2選擇了導體層含有缺陷的鋁-有機玻璃復合結構試樣,其結構如圖10(a)所示,鋁金屬層厚度為3 mm,方形孔缺陷邊長與試樣1的相同。上方覆蓋厚度為1 mm 的有機玻璃板。保持提離高度為1 mm,試驗結果如圖10(b),(c)所示。可以看出,在電容模式下,由于電場無法穿過鋁試樣表面,掃查時探測場被約束在試件與探頭之間,但當探頭經過缺陷時,探測電場深入缺陷內部,從而使檢測極板上耦合的檢測信號增強,且平底孔深度越大,檢測信號的畸變量越大;在渦流模式下,傳感器經過缺陷時,試樣上感生的渦流被缺陷阻擋,渦流產生的二次磁場對一次感生磁場的影響減弱,從而使感應線圈中感生電信號增強,即檢測信號幅值變大,且通孔的尺寸越大,對渦流的阻礙越明顯,檢測信號的畸變量越大。

圖10 鋁-有機玻璃復合結構試樣(導體層孔缺陷)結構及其線掃描試驗結果

為驗證檢測系統對復合材料試樣的檢測性能,設計了結構不同于試樣2的鋁-有機玻璃復合結構試樣(試樣3),模擬實際測試試樣中的絕緣層表面缺陷以及內部導體層的銹蝕缺陷情況。試樣結構如圖11(a)所示,兩材料層厚度均為3 mm,試樣絕緣層與導體層中各有一邊長為10 mm 的方型孔缺陷,間距為40 mm。保持提離高度為1 mm,試驗結果如圖11(b),(c)所示,可以看出,電容模式下可將有機玻璃層的表面缺陷和鋁金屬層上的方孔缺陷檢測出來,且均表現為檢測信號的上翻畸變;渦流模式下可將有鋁金屬層上的方孔缺陷檢測出來并表現為檢測信號的上翻畸變。也就是說,對比兩組檢測信號,即可區分缺陷所在材料層信息。

圖11 鋁-有機玻璃復合結構試樣線掃描試驗及其結果

上述試驗結果表明,檢測系統在電容模式下可以檢出絕緣材料缺陷以及導體材料表面缺陷,在渦流模式下可以檢出導體材料表面缺陷,且檢測信號畸變量可以反映缺陷的尺寸。對于“絕緣-導體”復合結構的界面缺陷,檢測系統在電感模式和電容模式下均具有良好的檢測性能,通過對比兩組檢測數據,可以具體區分導體層缺陷和絕緣層缺陷位置信息。

4 結語

基于雙端激勵型雙模式傳感器,提出了渦流-電容雙模式檢測系統整體設計方案,通過單片機程控改變兩激勵信號間相位差,實現了渦流-電容模式間自動切換,可在單次掃描檢測時,同時獲取兩模式下的檢測圖像。并且,搭建試驗系統對檢測系統性能進行了測試,試驗結果表明,對于“絕緣-導體”復合材料結構的界面缺陷,檢測系統在電感模式和電容模式下均具有良好的檢測性能,缺陷尺寸與檢測信號畸變量具有函數關系,且通過對比兩種模式下的檢測數據可以確定缺陷所在的材料層。

與傳統的單一模式電磁無損檢測相比,所開發的渦流-電容雙模式檢測系統可實現對“絕緣-導體”復合結構試樣中常見缺陷種類的全面檢出與識別。與使用多種檢測手段分別檢測相比,研發的檢測系統可實現在單次掃描檢測中同時獲得兩模式的檢測結果,可有效縮短檢測時間、降低檢測成本。同時,在同一檢測位置上系統控制兩模式順次激勵,兩探測場在時空上互不干擾、解耦徹底,檢測結果中所包含的信息較為豐富,有利于缺陷幾何參數的反演。