脉冲涡流阵列缺陷成像检测技术研究

显示全部楼层 · 2014-1-13 16:41:57

1 引言

脉冲涡流(Pulsed Eddy Current，简称PEC)检测技术是近十几年发展起来的一种新型的电磁无损检测技术，是涡流检测技术的一种新方法[4]。脉冲涡流的激励电流为一个重复的宽带脉冲，通常为具有一定占空比的方波，激励线圈中的脉冲电流感生出一个快速衰减的脉冲磁场，变化的磁场在导体试件中感应出瞬时涡流，此脉冲涡流向导体试件内部传播，又会感应出一个快速衰减的涡流磁场，随着涡流磁场的衰减，磁传感器上就会输出随时间变化的电压。通过测量瞬态输出电压信号的变化大小，就可以得到有关缺陷的尺寸、类型和结构参数等信息。

在无损检测领域成像技术的应用可以使被检测物体的缺陷位置及缺陷的大小直观的观测到[5]，这样不仅提高了检测人员的工作效率，更大大促进了无损检测技术的应用普及，使无损检测技术能更好的为国家的经济和国防建设贡献力量。

本文设计了一套脉冲涡流阵列检测系统，并对标准的铝合金试件的缺陷进行了初步的成像处理。

2 脉冲涡流阵列探头设计

与单探头脉冲涡流系统相比阵列探头要解决更多的问题。其中探头之间的互感影响是最严重的问题。由于探头之间的互感影响，使得阵列探头的信号发生突变，严重的影响了检测的精确度和准确度。为了消除脉冲涡流阵列探头之间的互感影响，采用相对磁导率可达到10000以上的工业纯铁制作了高导磁屏蔽罩，使探头产生的磁场尽量不向探头外部扩撒，为了验证这种方法的效果，我们用Comsol 电磁仿真软件进行了仿真实验。

从图1和图2对比来看，在相同电流密度的情况下，带有屏蔽罩的探头溢出探头的磁感应线明显少于不带有屏蔽罩的探头，并且带有屏蔽罩的探头其产生的磁感应强度远大于不带屏蔽罩的探头。由此可知，当探头加有屏蔽罩时，可以削弱探头之间的互感，且相同的磁场强度可由更小电流密度获得，减小了线圈的发热量，使探头在工作时更加稳定。

其中图3为根据仿真设计的探头的结构图，图4为以图3的单个探头为基础制作的4x4

脉冲涡流阵列。图5为不带有屏蔽罩时4x4阵列探头产生的真实信号，图6为加入屏蔽罩时探头产生的真实信号。从图5和图6的对比中我们发现没有加入屏蔽罩时探头和探头之间的互感干扰很严重，特别是中间的4个探头，信号波形与四周探头信号明显存在差异，在加入屏蔽罩以后信号之间的互感影响基本上消失，每个探头产生的波形趋近一致，可见屏蔽罩的加入可是探头的检测精度与灵敏度大大提高，同时也进一步说明了仿真实验分析的正确性。

3 实验系统组成

图5所示即为系统整体框架结构示意图。系统硬件实验平台主要由脉冲信号发生模块、Hall传感器探头、被检试件、信号调理电路和数据采集模块五个部分组成。

其中每个脉冲涡流探头的外径为10mm，内径为5mm，激励线圈用0.2mm的漆包线缠绕了200圈，选用的磁敏元件为3503的霍尔元件。实验中使用的信号发生器型号为DF1440，激励频率为100Hz，占空比50%的方波。功率放大器为Newtons LPA05B，其频带范围可达到1Hz~1MHz，最大输出功率为90瓦。放大电路由DA620仪用放大器组成。数据采集卡型号为DAQ2010，其最高采样频率可高达2MHz。对于软件部分，前期静态实验采用Matlab软件进行数据的采集以及数据的分析处理，后期实时扫描成像实验采用可并行处理的LabVIEW软件进行缺陷的实时成像数理。

4 阵列探头信号及其成像处理

图6为实验中所使用的带有十字叉缺陷的铝合金试件，图7为16个探头放置在缺陷上的示意图。图中第3，6，7，8，11探头放置在了缺陷上，其他探头处在试件的无缺陷处。

对于采集到的16个探头信号，我们首先利用数字滤波对信号进行了降噪及差分处理[1]，并使用神经网络对缺陷信号和无缺陷信号进行了识别，从而去除了无缺陷信号的影响，只对缺陷信号提取特征值。图8为处理之后的脉冲涡流阵列差分信号，提取差分信号的峰值[2]作为缺陷成像的特征值，图9为根据提取的特征值对缺陷成像结果。

在16探头静态成像取得一定成果的情况下我们用4探头阵列对图6的十字叉铝合金试件进行了扫描成像。为了达到对数据的实时和并行处理，软件部分采用图形化编程LabVIEW软件来完成。图12为编制的软件界面和4探头对十字缺陷的扫描结果。

5 总结与期望

本文对脉冲涡流阵列的实验系统组成及其对缺陷的成像进行了初步的研究，实验结果表明我们初步研究是成功的，但是从成像结果来看，单一的特征值并不能实现缺陷成像的定量显示，只能作为缺陷有无的定性检测。所以在下一步的研究中将着重研究不同特征值对缺陷属性的反应程度，以提取出更合适的特征值提高成像检测的精确度。

参考文献

[1] 杨宾峰,罗飞路,曹雄恒.徐晓杰脉冲涡流腐蚀成像阵列传感器应用研究[J]. 传感技术学报,2005,18(1):112-115.
[2] Tian G Y, Sophian A, TaylorD, etal. Multiple sensors on pulsed eddy current detection for 3- D subsurface crack assessment[J].IEEE Sensors Journal，2005，5(l):90-96.
[3] Smith R A，Harrison D J. Hall sensor array for rapid large-area transient eddy current inspection[J].Insight，2004, 46(3):142-146.
[4] 杨宾峰,罗飞路.基于集成霍尔传感器的脉冲涡流无损检测装置[J].计量技术,2004,(10):8-9.
[5]　Smith R A , Hugo G R. Transient eddy current NDE for ageing aircraft-capabilities and limitations[J]. Insight, 2001, 43(1): 14-25.

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