脈沖渦流矩形差分探頭缺陷檢測機(jī)理

周德強(qiáng) 王 俊 潘 萌 李 可 宿 磊 化春鍵

江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實驗室，無錫，214122

?

脈沖渦流矩形差分探頭缺陷檢測機(jī)理

周德強(qiáng) 王 俊 潘 萌 李 可 宿 磊 化春鍵

江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實驗室，無錫，214122

為了進(jìn)一步提升脈沖渦流的缺陷檢測能力，提出了脈沖渦流矩形差分探頭的檢測方法。建立了脈沖渦流矩形探頭的三維檢測模型，分析了矩形線圈激勵時試件上感應(yīng)電流的分布，比較了鐵磁性材料和非鐵磁性材料的試件表面渦流方向和值的大小。根據(jù)試件上渦流X分量和Y分量呈對稱分布的特性，提出了兩種金屬材料的脈沖渦流矩形差分探頭設(shè)計方法。制作了相應(yīng)的脈沖渦流矩形差分探頭來獲取磁場分量，仿真與實驗結(jié)果表明，對于鐵磁性材料和非鐵磁性材料缺陷檢測，脈沖渦流矩形差分探頭測量的磁場X分量、Y分量比Z分量檢測靈敏度更高。

矩形差分探頭；脈沖渦流；鐵磁性的；非鐵磁性的

0 引言

脈沖渦流檢測(pulsed eddy current testing，PECT)是渦流無損檢測的分支，它擁有豐富的頻譜，所含信息量較多，檢測速度快，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。目前，脈沖渦流主要用于兩方面：①非鐵磁性材料的缺陷檢測和厚度測量，如鋁和銅等[4-5]；②鐵磁性材料檢測，如冷軋的鐵銅合金缺陷深度和尺寸的識別[6-8]等。

PECT探頭通常由一個激勵線圈和若干個檢測線圈或磁傳感器組成。相對于圓柱形線圈，矩形線圈能夠在試件上產(chǎn)生較為均一的渦流，具有衰減速度慢和檢測深度大的優(yōu)勢[9-11]。對于脈沖渦流差分探頭的研究，普遍認(rèn)為差分模式的檢測能夠抑制噪聲和提高PECT的魯棒性[12]。Angani等[13]設(shè)計了一種差分圓柱式探頭，用來檢測不銹鋼管道，結(jié)果表明，該探頭能夠有效檢測帶有絕緣層的管道。何赟澤等[14]設(shè)計了一種新型的PECT探頭，該探頭由一個矩形激勵線圈和三個檢測線圈組成，通過三個檢測線圈獲取三個方向的磁場分量。本課題組研究了矩形線圈垂直放置時參數(shù)對檢測靈敏度的影響并優(yōu)化了線圈的結(jié)構(gòu)[15]；還研究了脈沖渦流矩形線圈縱向與橫向放置檢測時的渦流分布，并比較了脈沖渦流矩形傳感器Z分量差分與非差分檢測的性能[16-17]。

為了更深入地研究矩形探頭的脈沖渦流差分檢測模式和機(jī)理，本文從試件中渦流現(xiàn)象的本質(zhì)出發(fā)，分析矩形傳感器不同方向渦流的分布規(guī)律和強(qiáng)度，并通過不同的磁傳感器差分方式獲取不同方向的磁場差分信號。充分利用矩形探頭的方向特性，尋找合適的磁場分量作為差分探頭的設(shè)計依據(jù)。

1 仿真模型和分析

1.1 模型的建立

圖1 矩形探頭的脈沖渦流三維檢測模型

本文使用有限元分析軟件Comsol Multiphysics 4.3b來建立圖1所示的脈沖渦流三維檢測模型。模型的參數(shù)設(shè)置如下：鐵和鋁分別作為鐵磁性材料和非鐵磁性材料試件的代表，試件的尺寸設(shè)置為長100 mm、寬50 mm和高10 mm。鋁和鐵的電導(dǎo)率分別設(shè)置為3.774×107S/m和1.12×107S/m，鋁和鐵的相對磁導(dǎo)率分別設(shè)置為1和4000。矩形線圈的長、寬、高分別設(shè)置為50 mm、35 mm和45 mm，線徑為0.3 mm，線圈匝數(shù)為1000；激勵源頻率為100 Hz和幅值為1 A的脈沖方波。 1.2 鐵磁性材料中渦流分布

圖2～圖5所示為矩形探頭在鐵磁性材料三個方向上的渦流分布情況。從圖2中可以看出，感應(yīng)渦流的X方向分量呈對稱分布在矩形線圈開口端下方，而且兩端渦流密度的值是相反的；圖3中感應(yīng)電流的Y方向分量對稱分布在矩形線圈封閉端的下方，兩端渦流密度值相反，這說明兩端的渦流方向是相反的；圖4顯示了鐵板上渦流Z方向分量，可以明顯看出渦流Z分量呈圓圈狀斷斷續(xù)續(xù)分布。從圖2～圖4中可以得出X分量、Y分量和Z分量渦流密度的最大值分別為2.56×105A/m2、2.66×105A/m2和1.21×105A/m2，X和Y方向的渦流分量明顯大于Z分量，且兩端的對稱式分布為矩形探頭的差分檢測提供了條件。選取鐵板上渦流密度最大的Y分量分布作為差分檢測點(diǎn)的參考位置。圖5所示的感應(yīng)總電流密度顯示了中間區(qū)域電流最小，而四周渦流分布較大。由圖2～圖5仿真得到試件上的渦流分布情況，為實驗中的傳感器的布置提供了依據(jù)。

圖2 鐵板中感應(yīng)電流密度X分量分布

圖3 鐵板中感應(yīng)電流密度Y分量分布

圖4 鐵板中感應(yīng)電流密度Z分量分布

圖5 鐵板中感應(yīng)電流密度總分量分布

1.3 非鐵磁性材料中渦流分布

圖6 鋁板中感應(yīng)電流密度X分量分布

圖7 鋁板中感應(yīng)電流密度Y分量分布

圖8 鋁板中感應(yīng)電流密度Z分量分布

圖9 鋁板中感應(yīng)電流密度總分量分布

為了便于對比和分析，需要研究矩形探頭在非鐵磁性材料中渦流分布情況。設(shè)置非鐵磁性材料屬性為鋁，仿真結(jié)果如圖6～圖9所示。圖6為鋁板表面渦流密度X分量分布圖，可以看出鋁板渦流密度X分量分布和鐵板上X分量分布規(guī)律一致，都是對稱分布在矩形線圈開口端下方，由圖6中渦流顏色可以看出渦流方向和鐵板渦流對應(yīng)的渦流方向相反；圖7所示鋁板的渦流密度Y分量和鐵板上的分布規(guī)律相同，都是對稱分布在矩形線圈的封閉端下方，且渦流方向也是和鐵板渦流Y分量的方向相反；圖8所示鋁板的渦流密度Z分量也是呈圓圈狀斷斷續(xù)續(xù)分布在矩形探頭的下方。由以上分析可得，非鐵磁性材料的渦流分布規(guī)律和鐵磁性材料的渦流分布規(guī)律具有相似性，且渦流密度X分量和Y分量的分布使得脈沖渦流差分檢測更有依據(jù)，圖9所示的渦流總分量的分布顯示了中間渦流分量小而四周分量較大的規(guī)律。X、Y、Z方向上渦流密度的值分別為1.62×105A/m2、9.16×104A/m2和4.91×104A/m2，對比鐵板中渦流密度X、Y、Z方向分量值可以得出鋁板上渦流密度X分量更利于非鐵磁性缺陷的檢測，這就是和鐵板上矩形探頭差分檢測的區(qū)別。

1.4 脈沖渦流矩形差分探頭設(shè)計方法

試件上產(chǎn)生的渦流密度X分量和Y分量對稱分布在矩形探頭的四周下方，因此，檢測點(diǎn)應(yīng)該在矩形探頭的邊緣的下方。當(dāng)渦流方向和缺陷走向垂直時會造成最大的電流密度的擾動和周圍磁場的變化，為便于分析，在仿真中缺陷設(shè)置為與渦流方向垂直。圖10顯示了缺陷和渦流密度Y分量垂直時的檢測模式。圖11顯示了缺陷和試件上渦流密度X分量垂直時的檢測模式。檢測點(diǎn)A和B分別用來獲取缺陷處和無缺陷處的信號，由于渦流密度相反，它們信號的相加即為差分信號，形成了脈沖渦流差分檢測模式；對于渦流密度X分量，檢測點(diǎn)C和D分別用來獲取試件上缺陷處和無缺陷處的信號來形成差分信號。檢測點(diǎn)A和B、C和D都關(guān)于矩形探頭對稱。

圖10 基于渦流密度Y分量的檢測模式

圖11 基于渦流密度X分量的檢測模式

圖10中的檢測點(diǎn)A和B關(guān)于矩形探頭的中心是對稱的，分別代表缺陷處和無缺陷處的磁場位置。提取檢測點(diǎn)A和B的磁場信號如圖12所示，可以看出兩側(cè)的磁場信號關(guān)于X軸近似對稱，實驗裝置主要由信號發(fā)生裝置、帶有霍爾(Hall)和巨磁阻(GMR)傳感器的矩形線圈、功率放大器、信號調(diào)理電路、這是因為兩側(cè)的感應(yīng)電流方向相反形成了相反的磁場。通過上述分析可以得出，實驗中傳感器的布置為脈沖渦流矩形差分探頭設(shè)計提供了依據(jù)。

圖12 鐵板檢測點(diǎn)兩處的檢測信號

2 實驗裝置

實驗裝置主要由信號發(fā)生裝置、帶有霍爾(Hall)和巨磁阻(GMR)傳感器的矩形線圈、功率放大器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和試件等組成。信號發(fā)生器為ET3325函數(shù)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生任意波形，且失真度較小。為了獲取差分信號，在矩形探頭的兩側(cè)各放置一個磁傳感器。功率放大器采用英國牛頓公司制造的LPA05B型放大器，功率放大倍數(shù)為恒定190倍。信號調(diào)理電路由濾波電路和信號放大電路組成，采用Analog Devices公司生產(chǎn)的AD620作為放大器的芯片。數(shù)據(jù)采集卡型號為DAQ2010并通過MATLAB的工具箱進(jìn)行信號的采集，試件為帶有不同深度缺陷的鐵板和鋁板，具體的試件與缺陷尺寸如圖13所示，整個檢測裝置如圖14所示。

圖13 試件及尺寸

圖14 檢測裝置

3 實驗結(jié)果和討論

3.1 鐵板檢測實驗

圖15所示為矩形探頭檢測鐵板時的放置方式，為了獲取鐵板檢測時的磁場X方向和Z方向的分量，制作了兩個帶有傳感器的PCB，放置在矩形探頭內(nèi)，構(gòu)成脈沖渦流矩形差分探頭，如圖16、圖17所示。其中，圖16所示的兩個GMR傳感器呈對稱布置，分別對應(yīng)于圖10中檢測點(diǎn)A和B。由于GMR傳感器的工作面為兩個側(cè)面，故用來獲取X方向的磁場分量。與GMR傳感器不同的是，Hall傳感器的工作面為兩個底面，可以獲取Z方向的磁場分量，所制作的是帶有Hall傳感器的差分探頭，如圖17所示。

圖15 矩形探頭在鐵板的放置方式

圖16 鐵板上的GMR差分傳感器 圖17 鐵板上的Hall差分傳感器

兩個傳感器經(jīng)過差分放大器后的信號是脈沖渦流在鐵板上的檢測信號，通過對鐵板缺陷的檢測能力來評價這兩種分量的檢測效果，經(jīng)過時域平均和低通濾波后的脈沖渦流時域信號如圖18～圖20所示(圖中h為缺陷深度)。由圖18可以明顯看出不同缺陷之間信號的區(qū)分度較圖19更大。為了更加精確地分析這兩種分量檢測效果的優(yōu)劣，提取每個缺陷信號峰值，如圖20所示。由圖20可以發(fā)現(xiàn)，每個缺陷所對應(yīng)磁場的X分量要比Z分量的值要大，而且峰值隨著缺陷深度變大而增加的趨勢要比Z分量更加明顯，具有更高的檢測靈敏度，這就說明矩形探頭在檢測鐵板時，所產(chǎn)生的磁場的X方向上的信號具有更好的檢測效果。

圖18 鐵板上GMR傳感器獲取的磁場X分量

圖19 鐵板上Hall傳感器獲取的磁場Z分量

圖20 磁場X分量和Z分量在鐵板上的檢測靈敏度比較

3.2 鋁板檢測實驗

矩形探頭在鋁板上的檢測方式如圖21所示，為了獲取鋁板磁場信號的Y方向分量和Z方向分量，制作了帶有GMR傳感器和Hall傳感器的PCB放置在矩形探頭上。圖22所示為兩個GMR傳感器模擬圖11中檢測點(diǎn)C和D的布置方式，由于傳感器兩個側(cè)面是工作面，故能夠捕獲磁場信號的Y分量；為了獲取磁場信號的Z方向分量，制作了圖23所示的帶有Hall傳感器的PCB。為了評估磁場Y方向和Z方向信號檢測缺陷的靈敏度，提取不同缺陷差分時域信號進(jìn)行分析，鋁板上磁場Y分量和Z分量分別如圖24和圖25所示，可以看出GMR傳感器所獲取的磁場信號Y分量使得不同缺陷之間區(qū)分更為明顯。提取磁場Y分量和Z分量的不同缺陷峰值，得到圖26所示的結(jié)果。由圖26可以看出，每個缺陷對應(yīng)的磁場的Y分量比Z分量峰值更大，且磁場Y分量和缺陷深度的曲線的斜度更大，使得不同深度缺陷區(qū)分明顯，這說明矩形探頭在鋁板上產(chǎn)生的磁場Y分量對缺陷檢測的靈敏度比磁場Z分量對缺陷檢測的靈敏度更高。

圖21 矩形探頭在鋁板的放置方式

圖22 鋁板上的GMR差分傳感器 圖23 鋁板上的Hall差分傳感器

圖24 鋁板上GMR傳感器獲取的磁場Y分量

圖25 鋁板上Hall傳感器獲取的磁場Z分量

圖26 磁場Y分量和Z分量在鋁板上的檢測靈敏度比較

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)分析了脈沖渦流矩形探頭在鐵磁性材料和非鐵磁性材料中三個方向的渦流分布。通過理論分析，提出了脈沖渦流矩形差分探頭的設(shè)計方法，并制作了帶有差分磁傳感器PCB的脈沖渦流矩形差分傳感器。通過仿真得出：矩形探頭產(chǎn)生在試件上的感應(yīng)電流密度X分量和Y分量呈對稱分布且兩側(cè)的渦流方向相反，而渦流Z分量分布較不規(guī)則，渦流的X分量和Y分量分別用于鐵磁性和非鐵磁性材料的脈沖渦流矩形差分探頭設(shè)計。仿真與實驗結(jié)果表明，對于鐵磁性材料和非鐵磁性材料缺陷檢測，脈沖渦流矩形差分探頭測量的磁場X分量、Y分量比Z分量靈敏度更高。

[1] Wang Li, Xie Shejuan, Chen Zhenmao, et al. Reconstruction of Stress Corrosion Cracks Using Signals of Pulsed Eddy Current Testing[J]. Nondestructive Testing and Evaluation,2013,28(2):145-154.

[2] Yu Yating,Guan Jia.Investigation of Signal Features of Pulsed Eddy Current Testing Technique by Experiments[J].Insight -Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,2013,55(9):487-491.

[3] 周德強(qiáng)，田貴云，尤麗華，等.基于頻譜分析的脈沖渦流缺陷檢測研究[J].儀器儀表學(xué)報，2011，32(9)：1948-1953. Zhou Deqiang,Tian Guiyun,You Lihua,et al. Study of Defect Inspection for Pulsed Eddy Current Based on Spectral Analysis[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2011,32(9):1948-1953.

[4] Hosseini S,Lakis A A. Application of Time-frequency Analysis for Automatic Hidden Corrosion Detection in a Multi-layer Aluminum Structure Using Pulsed Eddy Current[J].NDT&E International, 2012,47(2):70-79.

[5] Hatsukade Y,Kosugi A,Mori K,et al.Eddy-current-based Nondestructive Inspection System Using Superconducting Quantum Interference Device for Thin Copper Tubes[J]. Japanese Journal of Applied Physics,2004,43(11):1488-1491.

[6] Shin Y K, Choi D M, Kim Y J,et al.Signal Characteristics of Differential Pulsed Eddy Current Sensors in the Evaluation of Plate Thickness[J].NDT&E International, 2009,42(3):215-221.

[7] 宋凱，康宜華，孫燕華，等.漏磁與渦流復(fù)合探傷時信號產(chǎn)生機(jī)理研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2009，45(7)：233-237. Song Kai, Kang Yihua, Sun Yanhua, et al. Study of Signal Mechanism Based on Combining Magnetic Flux Leakage and Eddy Current Testing[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(7):233-237.

[8] Chen Huang, Wu Xinjun, Xu Zhiyuan, et al. Ferromagnetic Material Pulsed Eddy Current Testing Signal Modeling by Equivalent Multiple-coil-coupling Approach[J].NDT&E International,2011,44(2):163-168.

[9] He Yunze,Pan Mengchun,Luo Feilu,et al.Pulsed Eddy Current Imaging and Frequency Spectrum Analysis for Hidden Defect Nondestructive Testing[J].NDT&E International,2011,44(4):344-352.

[10] He Yunze, Luo Feilu, Pan Mengchun, et al. Defect Edge Identification with Rectangular Pulsed Eddy Current Sensor Based on Transient Response Signals[J]. NDT&E International,2010,43(5): 409-415.

[11] He Yunze, Luo Feilu, Pan Mengchun, et al.Defect Classification Based on Rectangular Pulsed Eddy Current Sensor in Different Directions[J]. Sensors and Actuators.A: Physical,2010,157(1):26-33.

[12] Li Shu, Huang Songling, Zhao Wei. Development of Differential Probes in Pulsed Eddy Current Testing for Noise Suppression[J].Sensors and Actuators. A: Physical, 2007,135(2):675-479.

[13] Angani C S, Park D G, Kim C G, et al.Pulsed Eddy Current Differential Probe to Detect the Defects in a Stainless Steel Pipe[J].Journal of Applied Physics, 2011,109(7): 348-350.

[14] 何赟澤，羅飛路，胡祥超，等.矩形脈沖渦流傳感器的三維磁場量與缺陷定量評估[J].儀器儀表學(xué)報，2010，31(2):347-351. He Yunze,Luo Feilu,Hu Xiangchao,et al.Quantitative Evaluation of Defect Based on Three Dimensional Magnetic Field of Rectangular Pulsed Eddy Current Sensors[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,31(2):347-351.

[15] Zhou Deqiang, Li Yong, Yan Xiangyang, et al.The Investigation on the Optimal Design of Rectangular PECT Probes for Evaluation of Defects in Conductive Structures[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2013,42(2):319-326.

[16] Wu Jialong, Zhou Deqiang, Wang Jun.Surface Crack Detection for Carbon Fiber Reinforced Plastic Material Using Pulsed Eddy Current Based on Rectangular Differential Probe[J].Journal of Sensors, 2014,2014:1-8.

[17] Zhou Deqiang, Wang Jun, Wu Jialong, et al. Investigation of Rectangular Differential Probes for Pulsed Eddy Current Nondestructive Testing[J]. Insight, 2016, 58(2):87-100.

(編輯 陳 勇)

Mechanism of Defect Detections for Rectangular Differential Probes of Pulsed Eddy Current Testing

Zhou Deqiang Wang Jun Pan Meng Li Ke Su Lei Hua Chunjian

The Key Laboratory for Advanced Food Manufacturing Equipment Technology of Jiangsu Province,Jiangnan University,Wuxi,Jiangsu,214222

To further improve the detectability of defects of pulsed eddy current testing (PECT), the methods of rectangular differential probes of PEC were put forward. A three-dimensional testing model of the PEC rectangular probes was established, and the distribution of induced current on samples under a rectangular testing coil was analyzed. The distribution and value of induced current were compared between ferromagnetic and non-ferromagnetic materials. According to the symmetric distribution ofXandYcomponents, two design methods of metals for PEC rectangular probes were put forward. The relative differential rectangular probes of PEC were designed to obtain different magnetic components. The simulation and experimental results show thatXandYcomponents of magnetic fields may lead higher testing sensitivity thanZcomponent for the ferromagnetic and non-ferromagnetic materials respectively.

rectangular differential probe; pulsed eddy current(PEC); ferromagnetic; non-ferromagnetic

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51107053)

TG115.28

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.22.009

周德強(qiáng)，男，1979年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向為電磁無損檢測。發(fā)表論文30余篇。王 俊，男，1989年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。潘 萌，女，1992年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。李 可，男，1978年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。宿 磊，男，1986年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授?；烘I，男，1975年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。