5.2-脉冲涡流检测技术

脉冲涡流检测技术内容第一章涡流检测技术概述第二章脉冲涡流检测理论第三章脉冲涡流检测技术研究进展第四章展望第一章脉冲涡流检测技术概述1.无损检测技术的定义2.无损检测的作用3.涡流检测的优点4.涡流检测的缺点5.涡流检测的发展6.脉冲涡流检测的优势1.无损检测技术的定义无损检测技术是在不损伤被检测对象的条件下,利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。2.无损检测的作用现代工业是建立在无损检测基础之上的。统计资料显示，产品经过无损检测后能大大增值，大致情况是：机械产品增值5%；国防、宇航、原子能产品增值12%~18%；火箭增值20%。无损检测水平能够反映该部门、该行业、该地区甚至该国家的工业技术水平。3.涡流检测的优点对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高；应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工艺因素均能实施检测；不需用耦合剂；在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息；可在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其他检测方法不适用的场合实施监测。4.涡流检测的缺点涡流探伤的对象必须是导电材料，且由于电磁感应的原因，只适用于检测金属表面缺陷，不适用于检测金属材料深层的内部缺陷；金属表面感应的涡流的渗透深度随频率而异，激励频率高时金属表面涡流密度大，随着激励频率的降低，涡流渗透深度增加，但表面涡流密度下降，所以探伤深度与表面伤检测灵敏度是相互矛盾的，很难两全。当对一种材料进行涡流探伤时，须要根据材质、表面状态、检验标准作综合考虑，然后再确定检测方案与技术参数。采用穿过式线圈进行涡流探伤时，线圈覆盖的是管、棒或线材上一段长度的圆周，获得的信息是整个圆环上影响因素的累积结果，对缺陷所处圆周上的具体位置无法判定。旋转探头式涡流探伤方法可准确探出缺陷位置，灵敏度和分辨率也很高，但检测区域狭小，在检验材料需作全面扫查时，检验速度较慢；涡流探伤至今还是处于当量比较检测阶段，对缺陷做出准确的定性定量判断尚待开发。5.涡流检测的发展1824年，加贝就发现了铜板对摆动着的磁铁有阻尼现象，提出了涡流存在的实验；1831年，法拉第发现了电磁感应现象，并在实验的基础上提出了电磁感应定律。1873年，麦克斯伟继承和发展了法拉第的思想，将法拉第的概念用完整的数学方程式表示出来，建立了系统严密的电磁场理论。1879年，休斯首先将涡流检测应用于实际——判断不同的金属和合金；1926年，涡流测厚仪问世。但真正在理论和实践上完善涡流检测技术的是德国的福斯特博士；我国60年代开始开展涡流检测的研究工作，并先后研制成功了一系列检测系统。6.脉冲涡流检测的优势传统涡流采用单一频率的正弦电流作为激励，脉冲涡流则采用具有一定占空比的方波作为激励；传统涡流检测对感应磁场进行稳态分析，即通过测量感应电压的幅值和相角来确定缺陷的位置，而脉冲涡流则对感应磁场进行时域的瞬态分析，以直接测得的感应磁场最大值出现的时间来进行缺陷检测。理论上，脉冲涡流比单频正弦涡流能提供更多信息，因为脉冲涡流可提供某一范围的连续多频激励；脉冲涡流信号比多频涡流信号响应更快，因为它同时运行一列不同的电流频率。第二章脉冲涡流检测的原理基本概念激励信号频率与涡流检测的关系脉冲信号脉冲涡流检测原理脉冲涡流检测系统的结构脉冲涡流典型时域波形图脉冲涡流典型时域特征参数脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线1.基本概念透入深度：由于交变磁场的交连在试件中产生的涡流并不是自表面而下均匀分布的，而是在表面上涡流最密集而随在材料中透入深度增大作指数衰减。涡流透入材料的距离称为透入深度。趋肤深度：涡流密度衰减到其表面值1/e（37%）时的透入深度称为标准透入深度，也称趋肤深度。22.激励信号频率与涡流检测的关系涡流检测的有效性和可达性密切依赖于激励信号的频率。一般地，频率越高，则涡流趋于被检测对象的表面分布，对于表面微小缺陷的检出能力越高，但由于随着透入深度的增大而高频涡流急剧衰减，因此对于表面下具有一定深度的近表面缺陷则难以产生有效的响应；相反，频率越低，则涡流在被检测对象表面下的透入深度增大，可对试件近表面一定深度范围内的缺陷产生响应，但对于表面缺陷的检测灵敏度随激励信号频率的降低而明显下降。以降低检测灵敏度来提高涡流检测深度，或以减小涡流透入深度来提高检测灵敏度，长期以来一直是常规涡流检测应用中在二者之间权衡取舍的焦点。3.脉冲信号宽带脉冲信号可按傅立叶级数变换理论分解为无限多低、中、高频的正弦波之和；以重复的宽带脉冲（如方波）代替正弦交变信号进行激励和检测的脉冲涡流响应信号中包含有被检测对象被检测对象表面、近表面和表层一定深度范围内的质量信息，较好地解决了常规涡流所不能兼顾的检测灵敏度和检测深度的矛盾；近年来成为国内外涡流检测技术与应用研究中最受关注的热点领域之一。１脉冲涡流作用原理试件激励线圈BexcIeddy霍尔传感器Beddy~),,,,(excitationrBxfr2渗透深度：激励脉冲脉冲磁场瞬时涡流反磁场线圈阻抗的变化或磁敏元件输出续脉冲涡流通常是以一定占空比的方波作为激励信号施加于初级线圈，当载有方波电信号的初级线圈接近导电材料或试件时，在导体中感应产生瞬变的涡流和再生磁场。瞬时涡流的大小、衰减状况与导体的电磁特性、几何形状及耦合状况相关，次级线圈（或电磁传感器）接收到的涡流再生磁场包含有被检测对象导电率、磁导率及形状尺寸的相关信息，据此可实现脉冲涡流的检测与评价。脉冲涡流检测系统的结构数据采集卡PC机功率放大器信号发生器GMR试块激励线圈5.脉冲涡流典型时域波形图ReferenceSignalDefectSignalDifferentialSignalTime(us)Magnitude(mV)6.脉冲涡流典型时域特征参数电压峰值Vp：与缺陷的金属损耗量（缺陷的体积）密切相关峰值时间T：与缺陷所处的位置有关过零时间△T：包含了缺陷的深度信息7.脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线空气探头试件X轴Y轴脉冲涡流传感器的轴对称交变电磁场模型2、系统硬件结构磁敏传感器脉冲激励信号激励线圈标准试件涡流调理电路数据采集卡PC机脉冲信号激励装置：（1）CALTEKCA1640-02型函数发生器0.02Hz~2MHz，占空比连续可调的方波信号（2）Newtons4thLPA05B功率放大器±16V,5Arms@1MHz信号放大电路：选用低功耗高精度的仪用放大器INA129G=1~1000，BW=200KHzCMR=120dB峰值保持电路：数据采集卡：AdlinkDAQ20104通道，最高采样率可达2MHz磁敏传感器：（1）检测线圈采用线径0.13mm的漆包线绕制（2）Hall传感器UGN3503，灵敏度范围：0.75~1.75mV/G（3）GMR传感器AAH002，灵敏度范围：11~18mV/V/Oe3、系统的软件设计（1）借用MeasurementStudio和C++Builder软件设计系统的可视化界面，便于实现系统的实时处理（2）运用Matlab软件对采集的数据进行分析与处理，如小波变换、中值滤波等（3）研究合适的算法并用C或C++编写程序实现对采集到的原始信号特征值的提取4、试块的设计设计标准试块，主要是用于对检测系统的标定。试块结构的设计：（1）采用LY12铝合金材料（2）在平板上刻出不同深度，相同长度和宽度的槽5处来模拟裂纹缺陷，同理，可固定其中两个量，改变其中一个量各刻出5个来模拟不同类型的裂纹（3）选取铝板厚度为7mm，这样可以在背向刻槽的一面进行检测来模拟对亚表面缺陷的检测（4）在刻槽表面再覆盖一层1mm厚的铝板，可模拟多层导电结构第2层中的缺陷检测试块305071001502002503000.51.01.52.02.51.51.51.51.51.5A表面B表面A——表面缺陷；B——亚表面缺陷5不同深度缺陷对应的差分信号峰值时间峰值结论：随着深度的增加，信号的峰值明显增大6对应差分信号的微分峰值时间峰值结论：峰值仍与缺陷的深度呈对应关系7曲线拟合结果结论：微分信号较差分信号具有更好的线性度第三章脉冲涡流检测信号特征1.脉冲涡流信号源2.脉冲涡流信号特征提取3.提离效应减少技术4.用于缺陷分类的时域特征新方法1.脉冲涡流信号源由于脉冲涡流的激励电流为具有一定占空比的周期性方波，根据电磁感应定律，随着激励电流在上升沿和下降沿的周期性翻转，就会产生周期性跃变的磁场，由此磁场感应出的脉冲涡流就会在导体中传播。由图可以看出，涡流是在激励脉冲的上升沿或下降沿产生的，此时，由于电流的突变，使得感应出的磁场发生急剧变化。2.脉冲涡流信号特征值的提取PEC获得的是瞬态信号，因此其数值分析主要是在时域中进行。通常所采用的特征值是脉冲涡流的差动瞬时信号的峰值和峰值到达时间，但是在实际中，往往不能有效地使用这两个用以缺陷检测和识别的特征值，其原因主要有两个：1.校准困难且缺乏合适的响应信号处理系统；2.易受噪音信号的影响。为了解决这一个问题，有人提出一种基于主成份分析（PCA）的方法来提取脉冲涡流特征值。在这一检测中，采用两块金属铝试样，一块检测其厚度变化，用于金属破坏模拟；另一块用于表面和亚表面缺陷检测及其定量化监测，并评价两种特征提取方法的性能，即PCA法和时域特征法。2.脉冲涡流信号特征值的提取检测结果表明：这两种特征值的提取方法都能成功地识别所有表面缺陷，但对于其它两种缺陷类型（即亚表面缺陷和由于金属腐蚀引起的缺陷）的分离来说，时域特征法并不像PCA法那样显著，尤其是对深裂纹的检测。3.提离效应减少技术近年来，涡流检测技术有较快的发展，它不仅可以检测金属材料的腐蚀、裂纹和其它缺陷,还可以进行无损评价,这是因为许多材料的特性都与其固有的电磁特性有关,一般说来观测材料电磁性能的变化要比观测其它物理性能容易得多。但是,与其它检测技术相比,涡流检测还未被充分开发,主要原因可能是:由于涡流信号包含较复杂的变量关系,导致提取有用特征信号困难,长期以来,阻碍了涡流检测技术的发展;由于该技术对提离效应非常敏感,而提离效应易使涡流信号发生畸变,从而可能会导致对缺陷信号的误判,或者掩盖缺陷信号,也影响了涡流无损检测技术的发展。3.提离效应减少技术可以看出提离的变化主要影响缺陷信号的起始时间段,而信号畸变论证了真实信息很容易被提离效应掩盖.3.提离效应减少技术Giguere等人为克服金属损耗及亚表面裂槽检测过程中提离效应的影响,开发使用了两种参考信号的二阶段技术来减少提离效应的影响,即：将探头置于空气中时检测到的信号作为第一参考信号,而这一阶段的主要目的是减少提离效应;将探头置于无缺陷试样上时检测到的信号作为第二参考信号,而这一阶段的目的是计算缺陷的特征信号。一旦提离效应在第一阶段中被减少,在第二阶段中,应用基于主成份分析的特征提取技术所提取的特征信号将是可用信号,这样就能将缺陷信号和提离变化所产生的噪音信号分离,大大减少了提离效应的影响。3.提离效应减少技术研究者们提出的提离交叉点(LOI)对减少大多数提离噪音非常有效；LOI是一瞬时值,且其值取决于探头和试样电导率变化,在这一瞬时时间里检测信号对常见的提离变化不敏感；Safizadeh等人论证了时－频分析用于可视化区分金属破坏及夹层间隙变化间的提离效应,这些方法使用信号处理技术传感器结构设计技术及检测原理来补偿或识别提离变化或为减少涡流和脉冲涡流无损检测的提离效应寻找不变特征值。4.用于缺陷分类的时域特征新方法为了进行缺陷分类,Gui等研究了一种基于脉冲涡流传感器的新特征值来识别缺陷：这一新特征值名叫上升点,它与所研究的金属试样中的电磁波的传播时间有关；这一特征值的优势在于它不依赖于激励线圈参数的变化,且能识别不同缺陷类型及提离变化