基于脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)的多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷成像

劉相彪，李勇，閆貝，陳振茂，齊勇

(西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院，機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，核能結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)與完整性評(píng)價(jià)研究中心，陜西 西安 710049)

飛機(jī)機(jī)翼、核電管道等一般為多層金屬結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在復(fù)雜及惡劣的服役環(huán)境下，結(jié)構(gòu)層間極易出現(xiàn)腐蝕缺陷，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全。因而，對(duì)多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)及評(píng)估十分重要。層間腐蝕缺陷具有隱蔽性，因而傳統(tǒng)渦流[1-2]、超聲、射線等檢測(cè)手段很難對(duì)其進(jìn)行行之有效地?zé)o損檢測(cè)及評(píng)估。脈沖渦流檢測(cè)[3-6]作為一種新型電磁無損檢測(cè)技術(shù)之一，具有激勵(lì)信號(hào)頻譜寬、檢測(cè)信號(hào)信息量豐富等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)多層金屬結(jié)構(gòu)深層和層間缺陷檢測(cè)具有優(yōu)勢(shì)。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)缺陷成像中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[7-8]。研究表明，基于脈沖渦流檢測(cè)的缺陷成像技術(shù)可直觀反映缺陷位置、形狀等信息。然而，目前脈沖渦流檢測(cè)腐蝕缺陷成像技術(shù)尚存在對(duì)缺陷邊緣識(shí)別靈敏度低，成像效果差、缺陷評(píng)估精度低等不足之處。本研究組通過對(duì)脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步研究，提出了基于磁場(chǎng)梯度測(cè)量的新型脈沖渦流檢測(cè)方法[9]，即脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法，采用該方法可實(shí)現(xiàn)單層金屬結(jié)構(gòu)材質(zhì)劣化、裂紋和腐蝕缺陷的高效檢測(cè)及評(píng)估[10-11]?；谇捌谘芯砍晒?，本研究通過仿真和試驗(yàn)研究，進(jìn)一步探討脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法在多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷成像中的實(shí)現(xiàn)手段及優(yōu)勢(shì)性。

1 脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法的仿真研究

目前，對(duì)于脈沖渦流檢測(cè)三維數(shù)值的仿真大多使用的是商用有限元軟件，存在對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高，仿真計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)等問題。鑒于此，本研究采用基于退化磁矢位法[12-13]的脈沖渦流檢測(cè)有限元計(jì)算方法[11]，建立脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷三維仿真模型，由于該方法不需要對(duì)激勵(lì)源劃分網(wǎng)格，因此仿真計(jì)算具有較高精度與效率，可實(shí)現(xiàn)缺陷掃查信號(hào)的高效計(jì)算。

本研究所建立的三維有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖

模型參數(shù)為：上層板尺寸200 mm×200 mm×1 mm，下層板尺寸200 mm×200 mm×4 mm，二者均為鋁板，其導(dǎo)電率為3.541 07 S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1；設(shè)定的層間腐蝕缺陷位于下層板上表面，其尺寸為20 mm×20 mm×2.5 mm。檢測(cè)探頭包括盤式激勵(lì)線圈和2個(gè)磁場(chǎng)傳感器。盤式激勵(lì)線圈內(nèi)徑為10mm，外徑為15 mm，高為20 mm，匝數(shù)為1 500匝，線圈設(shè)計(jì)提離為0.5 mm。激勵(lì)電流信號(hào)為方波信號(hào)，最大幅值為0.8 A，頻率100 Hz，占空比50%。2個(gè)磁場(chǎng)傳感器位于激勵(lì)線圈中心軸的不同高度(高度差為0.5 mm)同時(shí)采集磁場(chǎng)信號(hào)，所拾取磁場(chǎng)信號(hào)的差值除以傳感器高度差即得磁場(chǎng)梯度信號(hào)。

檢測(cè)探頭掃查路徑如圖2所示。以缺陷中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸方向從-20 mm處開始掃查至20 mm處結(jié)束，間隔為2 mm，共掃查21點(diǎn)。Y軸方向從-16 mm開始至16 mm結(jié)束，間隔為2 mm，共掃查17條。采用基于退化磁矢位法的脈沖渦流檢測(cè)有限元計(jì)算方法計(jì)算得到各掃查點(diǎn)處的磁場(chǎng)信號(hào)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)，提取兩類信號(hào)峰值作為特征量，分別擬合得出信號(hào)峰值-探頭位置曲線。為了后續(xù)對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)進(jìn)行比較，對(duì)掃查所得到的信號(hào)峰值-探頭位置曲線均進(jìn)行了歸一化處理。

圖2 探頭掃查路徑

圖3為在Y=0處檢測(cè)探頭沿X軸掃查所得信號(hào)峰值-探頭位置曲線?？梢钥闯觯S著探頭接近缺陷中心區(qū)域，磁場(chǎng)信號(hào)峰值和磁場(chǎng)梯度信號(hào)峰值均增大，變化趨勢(shì)一致。

圖3 信號(hào)峰值-探頭位置歸一化曲線

為了便于比較磁場(chǎng)信號(hào)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)對(duì)缺陷邊緣識(shí)別的靈敏度，對(duì)信號(hào)峰值-探頭位置曲線進(jìn)行求導(dǎo)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在缺陷邊緣處，磁場(chǎng)梯度信號(hào)峰值變化率大于磁場(chǎng)信號(hào)峰值變化率，說明脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法對(duì)缺陷邊緣識(shí)別的靈敏度更大。

圖4 磁場(chǎng)梯度信號(hào)與磁場(chǎng)信號(hào)靈敏度曲線

將掃查所得到的17條信號(hào)峰值-探頭位置曲線輸入Matlab程序中進(jìn)行缺陷成像，為了提高成像分辨率，對(duì)原始成像結(jié)果進(jìn)行三次樣條插值，結(jié)果如圖5、圖6所示，其中實(shí)線為層間腐蝕缺陷的實(shí)際邊界。

圖5 磁場(chǎng)梯度信號(hào)缺陷成像圖

圖6 磁場(chǎng)信號(hào)缺陷成像圖

為了使成像效果更為直觀，對(duì)圖5、圖6進(jìn)行閾值處理。設(shè)定閾值為0.7，背景像素值為1(白)，目標(biāo)處像素為0(黑)，閾值處理后的成像結(jié)果如圖7、圖8所示，其中實(shí)線為層間腐蝕缺陷實(shí)際邊界。從圖中可以直觀看出，磁場(chǎng)梯度信號(hào)的成像結(jié)果可更為有效地描述層間腐蝕缺陷輪廓。由此可見，脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法對(duì)層間腐蝕缺陷的成像具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖7 閾值處理后的磁場(chǎng)梯度信號(hào)缺陷成像圖

圖8 閾值處理后的磁場(chǎng)信號(hào)缺陷成像圖

2 脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)層間腐蝕缺陷成像試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究所開發(fā)的脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、差分放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集處理、探頭以及試件等部分組成。信號(hào)發(fā)生器(NF公司，WF1944B)用以產(chǎn)生方波激勵(lì)信號(hào)。功率放大器(NF公司，HSA4014)用于將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)探頭。差分放大器(NF公司，P61)將采集所得的檢測(cè)信號(hào)(磁場(chǎng)梯度信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào))進(jìn)行放大。由于檢測(cè)信號(hào)噪聲主要集中在高頻部分，采用濾波器(NF公司，P63)對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波。數(shù)據(jù)采集卡(ADLINK PCI-9812)用以實(shí)現(xiàn)前置處理所得信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，配合LabVIEW程序?qū)崟r(shí)顯示檢測(cè)信號(hào)、提取信號(hào)峰值、獲取缺陷掃查曲線。

檢測(cè)探頭由1個(gè)盤式激勵(lì)線圈和2個(gè)霍爾傳感器(Hall，SS495A)組成。激勵(lì)線圈內(nèi)徑為10 mm，外徑為15 mm，高為20 mm，匝數(shù)為1 500匝。2個(gè)霍爾傳感器放置于激勵(lì)線圈中心軸的不同高度(高度差為0.5 mm)，2個(gè)傳感器所拾取磁場(chǎng)信號(hào)的差值除以傳感器高度差即得磁場(chǎng)梯度信號(hào)。

檢測(cè)試件為緊密貼合的雙層鋁板，上層板尺寸為200 mm×200 mm×1 mm，下層板尺寸為200 mm×200 mm×4 mm，層間腐蝕缺陷(20 mm×20 mm×2.5 mm)位于下層板表面。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中采用幅值為3.5 V，頻率100 Hz，占空比為50%的脈沖方波作為激勵(lì)信號(hào)，采用功率放大器對(duì)脈沖激勵(lì)信號(hào)放大10倍以提高激勵(lì)線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)檢測(cè)信號(hào)(磁場(chǎng)梯度信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào))分別進(jìn)行了差分處理，將差分后的信號(hào)放大10倍并進(jìn)行低通濾波(截止頻率為15 kHz)，利用數(shù)據(jù)采集卡同步采集前置處理所得磁場(chǎng)梯度信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào)，如圖9、圖10所示。

圖9 磁場(chǎng)梯度信號(hào)實(shí)測(cè)波形

圖10 磁場(chǎng)信號(hào)實(shí)測(cè)波形

從圖9、圖10可以看出，磁場(chǎng)梯度信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào)均有明顯的峰值特征，故在后續(xù)掃查(探頭掃查路徑如圖2所示)中，利用LabVIEW程序?qū)崟r(shí)提取信號(hào)峰值作為特征量，擬合獲取信號(hào)峰值-探頭位置掃查曲線。將掃查曲線輸入Matlab進(jìn)行成像處理，為了提高成像分辨率，對(duì)原始成像結(jié)果進(jìn)行了三次樣條插值處理。磁場(chǎng)梯度信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào)缺陷成像結(jié)果如圖11，圖12所示，圖中實(shí)線框顯示了檢測(cè)試件層間腐蝕缺陷的實(shí)際邊界。

圖11 磁場(chǎng)梯度信號(hào)缺陷成像圖

圖12 磁場(chǎng)信號(hào)缺陷成像圖

對(duì)圖11、圖12進(jìn)行閾值處理，設(shè)定閾值為0.7，背景像素值為1(白)，目標(biāo)處像素為0(黑)，閾值處理后的成像結(jié)果如圖13、圖14所示，圖中實(shí)線為檢測(cè)試件層間腐蝕缺陷實(shí)際邊界。

圖13 閾值處理后的磁場(chǎng)梯度信號(hào)缺陷成像圖

圖14 閾值處理后的磁場(chǎng)信號(hào)缺陷成像圖

從成像結(jié)果可見，基于脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)的層間腐蝕缺陷成像結(jié)果可更為有效地描述缺陷輪廓，該結(jié)論與仿真分析結(jié)論相一致。仿真和試驗(yàn)研究均表明，脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法可對(duì)多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷進(jìn)行高精度成像。

3 結(jié) 論

1)基于退化磁矢位法，建立了脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷三維有限元模型，仿真分析了脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法在多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷成像中的有效性和優(yōu)勢(shì)性。

2)搭建了脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)論。仿真和試驗(yàn)研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)脈沖渦流檢測(cè)方法相比，脈沖渦流磁場(chǎng)梯度檢測(cè)方法有效提升了多層金屬結(jié)構(gòu)層間腐蝕缺陷邊緣識(shí)別靈敏度，具有較高的缺陷成像精度。

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