基于渦流傳感的金屬表面缺陷檢測(cè)方法研究

韓 寧,張志杰*,尹武良,趙晨陽(yáng)

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051)

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要零件之一的葉片,其質(zhì)量和性能直接關(guān)系到整個(gè)飛機(jī)的正常工作。由于葉片氣膜孔加工過(guò)程中容易產(chǎn)生重鑄層、微裂紋、再結(jié)晶等缺陷,以及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作時(shí)要受到交變載荷、熱腐蝕、高溫氧化和機(jī)械磨損多種作用的影響,最容易產(chǎn)生疲勞裂紋損傷。準(zhǔn)確檢測(cè)航空渦輪葉片的結(jié)構(gòu)完整性和狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防危害,提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全性,成為目前無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域研究的一個(gè)共同熱點(diǎn)[1]。

渦流傳感技術(shù)由于其具有非接觸、檢測(cè)速度快、可靠性高、對(duì)所有導(dǎo)電材料都適用等優(yōu)勢(shì)[2],被引入到了航空無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。基于傳感器芯片的電渦流探頭通常在激勵(lì)線圈的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)用于直接測(cè)量磁場(chǎng)大小的傳感器芯片,克服了線圈式探頭靈敏度受激勵(lì)頻率影響的缺點(diǎn),從而可以適應(yīng)不同深度缺陷的檢測(cè)要求。GMR芯片具有尺寸小易于集成,靈敏度高,溫度穩(wěn)定性好,且成本和功耗低等優(yōu)勢(shì)[3],得到了廣泛的應(yīng)用。

電磁渦流檢測(cè)中受葉片微裂紋擾動(dòng)而產(chǎn)生的特征信號(hào)是具有瞬變性的非平穩(wěn)信號(hào),且十分微弱(一般為μT級(jí)),容易受配套測(cè)試系統(tǒng)以及環(huán)境噪聲的影響,采用合適的去噪方法從實(shí)測(cè)信號(hào)中提取有用信息具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。小波分析具有多分辨率分析的特點(diǎn),在時(shí)域和頻域都有表征信號(hào)局部特征的能力,時(shí)間窗和頻率窗都可以根據(jù)信號(hào)的具體形態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整,具有自適應(yīng)性,能夠探測(cè)正常信號(hào)中的瞬態(tài)成分[4]。

本文對(duì)渦流傳感器探頭參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),研究了小波理論在瞬變微弱信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 渦流傳感原理

圖1 渦流檢測(cè)原理圖

空間交變磁場(chǎng)激發(fā)的渦流場(chǎng)在金屬表面分布密集,而沿縱向深度迅速衰減的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)[6]。渦流的趨膚效應(yīng)是金屬表面缺陷檢測(cè)必須考慮的重要因素,趨膚深度(渦流密度衰減為表面的37%,又稱為標(biāo)準(zhǔn)透入深度)直接決定能夠探測(cè)的缺陷深度。其計(jì)算公式為:

(1)

式中:δ為趨膚深度(m),f為探頭激勵(lì)頻率(Hz),μ為材料的磁導(dǎo)率(H/m),σ為材料的電導(dǎo)率(s/m)。工程中通常以標(biāo)準(zhǔn)透入深度的2.6倍作為檢測(cè)范圍。

圖4 不同激勵(lì)電流下的金屬板縱深渦流密度分布

由式(1)可知,對(duì)于特定的金屬材料,渦流能夠透入的深度,僅取決于外部勵(lì)磁線圈的激勵(lì)頻率。以長(zhǎng)寬厚分別為200 mm、200 mm、15 mm的鋁板為模型,模擬分析探頭激勵(lì)頻率對(duì)渦流趨膚深度的影響,結(jié)果如圖2所示,可見激勵(lì)頻率越高趨膚效應(yīng)越顯著。激勵(lì)線圈下方鋁板截面上數(shù)據(jù)提取線Lj處的渦流密度衰減曲線如圖3,當(dāng)激勵(lì)頻率在2 kHz以上時(shí),近似呈指數(shù)函數(shù)衰減。渦流密度隨激勵(lì)電流的增大有顯著的增加,而透入深度基本不會(huì)隨之改變,如圖4。

圖2 15 mm厚金屬板中渦流的趨膚效應(yīng)(截面圖)

圖3 不同頻率下的金屬板縱深渦流密度分布

考慮探測(cè)渦輪葉片表面及亞表面可能存在的微裂紋,探頭的激勵(lì)頻率取到2 kHz以下,使其激勵(lì)產(chǎn)生的渦流能夠達(dá)到有效的深度[7],選取合適的電流值可以得到實(shí)際可測(cè)的缺陷信號(hào)。

2 仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 模擬動(dòng)態(tài)掃描仿真分析及實(shí)驗(yàn)方法

基于Ansoft Maxwell軟件中的渦流分析(Eddy current)平臺(tái)建立探頭線圈及缺陷試件的模型如圖5,其中激勵(lì)線圈模型為管狀實(shí)心導(dǎo)體,厚度等價(jià)于漆包銅線疊加的厚度。

圖5 仿真模型

應(yīng)用表1中的模型及求解參數(shù),仿真模擬渦流探頭掃過(guò)鋁板表面的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖7。在探頭由左及右的過(guò)程中,鋁板模型上所設(shè)置的缺陷將切割探頭在鋁板中激勵(lì)的渦流場(chǎng),在其擾動(dòng)下渦流密度發(fā)生了由強(qiáng)變?nèi)踉俚綇?qiáng)的變化,圖6所示為有限元仿真分析的渦流密度變化過(guò)程,白色線條即為缺陷模型。

表1 模型及求解參數(shù)

圖6 模擬動(dòng)態(tài)掃描分析結(jié)果

對(duì)于探頭掃描方向的確定需要考慮所用的GMR傳感器。GMR僅對(duì)某一個(gè)方向的電磁場(chǎng)變化敏感,稱其為GMR的敏感軸。而對(duì)于其他方向的磁場(chǎng)變化的敏感性不強(qiáng)[8],即被測(cè)磁場(chǎng)的變化在GMR敏感軸上的投影分量是有效的。如圖7所示,結(jié)合研究中所用NVE AAH002-02E GMR傳感器的封裝結(jié)構(gòu),可以得出其靈敏度與磁場(chǎng)方向的關(guān)系為:

Sθ=S0cosθ

(2)

式中:Sθ為磁場(chǎng)方向與傳感器敏感軸間的夾角為θ時(shí)的靈敏度,S0為磁場(chǎng)方向與GMR傳感器敏感軸(標(biāo)準(zhǔn)軸,Standard sensitivity)平行時(shí)的靈敏度。天津大學(xué)王超教授課題組的研究結(jié)果表明[3,8-9],GMR 磁敏感軸方向與探頭掃描方向平行時(shí),得到的掃描曲線是波峰波谷的形式,效果優(yōu)于垂直掃描(敏感軸方向與掃描方向垂直)的情況,本文研究中探頭掃描方向均為平行掃描。

圖7 GMR傳感器敏感軸及探頭掃描方向

2.2 探頭激勵(lì)電流及提離值的優(yōu)化分析

在激勵(lì)頻率、探頭結(jié)構(gòu)以及掃描方案確定的前提下[10-12],由圖4可知激勵(lì)電流幅值將影響實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果。在不同的激勵(lì)電流(500 mA,800 mA,1 000 mA)和探頭提離值(0 mm,1 mm,2 mm)下,按上述的方案對(duì)缺陷鋁板模型進(jìn)行掃描分析,結(jié)果如圖8。

圖8 不同激勵(lì)電流下缺陷特征信號(hào)強(qiáng)度

缺陷特征磁場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度隨著激勵(lì)電流幅值的增加而增大,隨著探頭提離值的增加而減弱。當(dāng)激勵(lì)電流為1 000 mA時(shí),磁場(chǎng)瞬變幅值為1.2 μT,實(shí)際可測(cè)。

3 測(cè)試平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)分析

3.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

以基于GMR傳感器的電渦流探頭為核心,搭建了如圖9所示的缺陷檢測(cè)平臺(tái),其中集成電路模塊主要包含控制核心89C52單片機(jī)、AD9850信號(hào)發(fā)生器、LM1875功率放大器以及AD620儀表放大模塊[13]。

圖9 測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)工作原理:由單片機(jī)向AD9850發(fā)送頻率控制字和相位控制字,并通過(guò)調(diào)節(jié)電位器產(chǎn)生特定頻率和幅值的正弦信號(hào),經(jīng)過(guò)功率放大后加載到探頭激勵(lì)線圈上。由三軸位移平臺(tái)固定探頭勻速掃過(guò)缺陷試件表面,磁場(chǎng)變化由貼在探頭下的GMR傳感器檢測(cè)。實(shí)測(cè)信號(hào)送入AD620放大后,經(jīng)采集卡送入上位機(jī)處理。

其中設(shè)計(jì)了專門的GMR集成外圍電路(尺寸為10 mm×10 mm),探頭和PCB板如圖10所示。集成GMR的小尺寸探頭便于精確的檢測(cè)和定位缺陷位置,是陣列式探頭研究的先行條件。鋁合金板上設(shè)置了12組不同寬度的人工缺陷,系統(tǒng)具體參數(shù)如表2,實(shí)物如圖11。

表2 系統(tǒng)及探頭參數(shù)

圖11 渦流探傷檢測(cè)平臺(tái)

圖10 探頭實(shí)物及GMR外圍電路PCB

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于所開發(fā)的檢測(cè)平臺(tái),對(duì)探頭給定一個(gè)強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)信號(hào),GMR傳感器的輸出如圖12,有較快的響應(yīng)速度,上升時(shí)間不到1 ms,能夠響應(yīng)缺陷擾動(dòng)產(chǎn)生的瞬變磁場(chǎng)信號(hào)。

圖12 脈沖磁場(chǎng)激勵(lì)下的輸出曲線

對(duì)合金板上的缺陷進(jìn)行掃描檢測(cè),得到的輸出曲線中疊加了源自于電路和環(huán)境的噪聲信號(hào),微弱的缺陷特征信號(hào)被嚴(yán)重覆蓋,如圖13所示,因此需要選擇合適的方法做進(jìn)一步的降噪處理。

圖13 1 mm寬度缺陷擾動(dòng)下的輸出曲線

小波分析克服了短時(shí)傅里葉變換在單分辨率上的缺陷,具有多分辨率分析的特點(diǎn),在時(shí)域和頻域都有表征信號(hào)局部特征的能力,時(shí)間窗和頻率窗都可以根據(jù)信號(hào)的具體形態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整,具有自適應(yīng)性。非常適用于金屬表面探傷中瞬變信號(hào)的處理。

圖14 1 mm寬度缺陷實(shí)測(cè)信號(hào)的歸一化頻譜

4 基于小波閾值的信號(hào)降噪

從實(shí)測(cè)1 mm寬度缺陷擾動(dòng)信號(hào)的歸一化頻譜(圖14)中可以看出,1 kHz的激勵(lì)源產(chǎn)生的倍頻噪聲疊加在了有效信號(hào)中,噪聲信號(hào)分布在1 kHz后的整個(gè)高頻段上。為了盡可能的保留原始信號(hào)中的有用成分,我們使用基于小波閾值的降噪方法。

4.1 小波閾值的去噪方法

小波閾值去噪方法的思想是對(duì)經(jīng)過(guò)N層小波分解后的各層系數(shù)中模大于和小于某閾值的系數(shù)分別處理,然后對(duì)處理完的小波系數(shù)再進(jìn)行反變換,重構(gòu)出原始信號(hào)[14-15]。小波基、分解層數(shù)和閾值的選擇都影響信號(hào)的去噪質(zhì)量。

對(duì)比分析極大極小閾值(sqtwolog)、固定閾值(sqtwolog)、自適應(yīng)閾值(rigrsure)和啟發(fā)式閾值(heu-rsure)四種閾值函數(shù),考慮使用固定閾值的處理方法,在保證一定信噪比的同時(shí),去噪后的信號(hào)更加光滑,能夠表征出缺陷信號(hào)的變化趨勢(shì)。產(chǎn)生的閾值由式(3)計(jì)算,其中N為信號(hào)長(zhǎng)度,σ為小波系數(shù)。

(3)

硬閾值方法在均方誤差意義上優(yōu)于軟閾值,可以很好的保留信號(hào)邊緣等局部特征,重構(gòu)信號(hào)更加逼近真實(shí)信號(hào)。

小波的形態(tài)與信號(hào)的形狀及其連續(xù)性越相近,將得到更好的去噪效果。因此采用連續(xù)db小波對(duì)圖14所示原始信號(hào)進(jìn)行降噪處理,結(jié)果如圖15。五層分解的db小波函數(shù)清晰的重建了缺陷信號(hào)的變化趨勢(shì),信噪比為-44.89,這說(shuō)明了低頻電磁瞬變信號(hào)相對(duì)于噪聲信號(hào)的能量十分微弱。

圖15 去噪效果分析

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的12組不同寬度的缺陷信號(hào)應(yīng)用db小波降噪,繪制出其中的四組數(shù)據(jù)如圖16。

圖中波峰值Δp與間隔時(shí)間ΔT都有顯著的變化規(guī)律,均可以作為表征缺陷寬度的特征量,12組曲線的Δp值統(tǒng)計(jì)如表3。其擬合曲線如圖17。

圖16 不同缺陷寬度下的探頭掃描曲線

缺陷寬度/mmΔp/V缺陷寬度/mmΔp/V0.20.066 4961.40.077 2300.40.069 8981.60.078 9400.60.070 4701.80.079 5500.80.072 3702.00.078 7291.00.075 1102.20.083 1491.20.076 2202.40.087 400

圖17 缺陷寬度與波峰值的擬合曲線

缺陷特征信號(hào)隨缺陷寬度的增加而增加,可以將其作為缺陷量化的依據(jù),進(jìn)行微損傷的評(píng)估。其擬合關(guān)系如下:

F(x)=0.007 962x+0.065 95

(4)

5 結(jié)論

本文研究了渦流傳感技術(shù)在金屬表面缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用,基于有限元平臺(tái)針對(duì)缺陷鋁板模型模擬探頭動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程,仿真分析了激勵(lì)頻率、電流以及提離值對(duì)探頭下疊加磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,確定了對(duì)于鋁及鋁基合金材料渦流檢測(cè)的最佳激勵(lì)頻率為500 Hz到1 kHz;探頭提離值應(yīng)選擇在2 mm左右,保證可識(shí)別的特征信號(hào),且其強(qiáng)度在GMR傳感器的線性范圍內(nèi);

針對(duì)航空鋁材6A02,設(shè)計(jì)了基于GMR傳感芯片的渦流單探頭并搭建了相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)。應(yīng)用db小波,對(duì)實(shí)測(cè)的疊加高頻噪聲的微弱瞬變電磁信號(hào)進(jìn)行了濾波處理,取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)表明,探頭的檢測(cè)水平至少在2 mm,為航空鋁材尤其是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片微小裂紋的無(wú)損檢測(cè)及陣列式渦流探頭的設(shè)計(jì)提供了參考。