已知深度范圍缺陷的選頻帶脈沖渦流檢測方法

趙　瑩　解社娟　田明明　仝宗飛　李　勇　陳振茂

機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測結構完整性評價工程技術中心，西安交通大學，西安，710049

0　引言

局部減薄缺陷是工程實際中廣泛存在的一種缺陷形式，如核電站冷卻用管道內液體的流動加速腐蝕、液滴沖擊等易造成內管壁局部減薄[1]；飛機在長期服役過程中，機身蒙皮以及進氣管道部位腐蝕易造成局部減薄等。局部減薄缺陷對設備的安全使用構成巨大威脅，甚至會影響設備的剩余壽命。

脈沖渦流檢測具有頻率廣、檢測深度大等優點，對深部缺陷和多層結構缺陷的檢測具有優勢，因此脈沖渦流檢測方法被認為是檢測局部減薄缺陷的有效手段[2-3]。但是在確知缺陷可能存在的深度范圍時，傳統方波激勵的脈沖渦流檢測方法由于頻率過于分散，易造成能量浪費，檢測靈敏度不高。因此，本文在傳統方波激勵的脈沖渦流檢測方法的基礎上提出選頻帶脈沖渦流檢測方法。

1　選頻帶脈沖渦流檢測方法簡介

1.1　選頻帶脈沖渦流檢測方法基本原理

圖1所示為選頻帶脈沖渦流無損檢測方法的基本原理。在激勵線圈中通入選頻帶脈沖激勵電流，根據法拉第電磁感應定律，激勵線圈周圍會產生一個快速衰減的脈沖磁場，當激勵線圈靠近金屬被測體時，在金屬被測體中感應產生瞬變的渦流，渦流在導體中傳播，又會感應出一個快速衰減的渦流磁場，隨著渦流磁場的衰減，檢測線圈感應出隨時間變化的電壓[4-7]。在實際實驗中，通常在激勵線圈底部加裝磁場傳感器，實現對磁場的直接測量。當金屬被測體中存在缺陷時，會影響感生渦流的分布，進而影響檢測線圈中的檢出電壓信號或磁場傳感器中的磁場信號。通過分析電壓信號或磁場信號，即可實現對金屬被測體缺陷的無損檢測。

圖1　選頻帶脈沖渦流檢測原理圖Fig.1　The principle of the frequency-band-selecting pulsed eddy current testing

1.2　選頻帶脈沖渦流檢測方法激勵信號選取原則

較之傳統方波激勵的脈沖渦流檢測方法，選頻帶脈沖渦流檢測方法最大的特點是改進了脈沖激勵信號。將傳統方波激勵信號改為選頻帶脈沖激勵信號，將激勵信號的能量集中在有效的頻段范圍內，避免了能量的浪費，對于不同深度范圍的缺陷也更具有針對性。

選頻帶脈沖激勵信號選取的具體步驟如下。

(1)根據目標試件的材料屬性參數、底面缺陷的深度范圍[d2，d1]，運用渦流趨膚深度公式

(1)

式中，δ為渦流的趨膚深度；μ為被測試件的磁導率；σ為被測試件的電導率；f為激勵信號的頻率。

確定選頻帶脈沖渦流無損檢測方法的頻帶范圍[f1，f2]，其中目標試件如圖2所示。

圖2　目標試件Fig.2　The specimen

(2)根據所選頻率范圍，結合脈沖重復周期及檢測靈敏度等因素，將[f1，f2]之間的頻段進行等分，間隔頻率Δf即等分[f1，f2]后的頻帶大小，合理確定間隔頻率Δf、幅值和相位大小，并保證所有頻率的幅值相等、相位相同，從而得到選頻帶脈沖激勵信號的頻譜圖。

(3)根據選頻帶脈沖渦流的激勵信號的頻譜圖的詳細信息，對頻域信號進行逆傅里葉變換，得到選頻帶脈沖激勵的時域信號，其中典型的頻域信號和時域信號如圖3所示，傅里葉級數展開與其系數的計算公式如下：

(2)

ω=2πΔf

式中，t為時間；ω為角頻率；ɑ0/2為直流分量；ɑn、bn均為系數。

(a)頻域信息　　　　　(b) 時域信息圖3　選頻帶脈沖渦流檢測方法的激勵信號示意圖Fig.3　The schematic diagram of excitation signal of FSPECT

根據脈沖激勵頻域信息，ɑ0、ɑn、bn、Δf均已知，通過式(2)可計算出f(t)，即脈沖激勵的時域信號。

2　數值模擬與結果分析

為了驗證選頻帶脈沖渦流檢測方法對一定深度范圍的缺陷檢測的可行性以及優越性，本研究基于退化磁矢位法(Ar法)、頻域疊加方法、脈沖渦流快速算法[8-11]，對選頻帶脈沖渦流和傳統方波激勵的脈沖渦流進行了數值模擬，并對結果進行了比較分析。

2.1　仿真模型

本研究采用的試件為6塊長度300 mm、寬度100 mm、厚度20 mm的AISI316不銹鋼板，其中一個試件為無缺陷的標準試件，另外5個試件在板底部中心部位帶有貫穿槽缺陷。假定試件在服役過程中，局部減薄缺陷的深度范圍為[10 mm, 20 mm]，5個帶有缺陷的試件中缺陷尺寸為：長度100 mm，寬度20 mm，深度d分別為8 mm、8.5 mm、9.0 mm、9.5 mm、10.0mm。不銹鋼試件的基體材料屬性為：相對磁導率為1，電導率為1.35×106S/m。激勵線圈內直徑為5 mm、外直徑為10 mm、高度為5 mm、匝數為296、提離0.5 mm，將激勵線圈置于不銹鋼板頂部中心位置，即缺陷正上方(圖4)。激勵線圈底部中心放置磁場傳感器，測量線圈軸向方向的磁場。分別向激勵線圈通入方波激勵電流和選頻帶激勵電流，以考察比較二者的檢測靈敏度。

圖4　仿真模型Fig.4　Simulation model

2.2　激勵信號

根據傳統方波脈沖渦流激勵參數對其檢測能力的影響[12]，為保證檢測結果最優化，傳統方波脈沖渦流激勵參數應選定為基頻200 Hz、占空比50%，其中頻域信號、時域信號如圖5所示。選頻帶脈沖渦流激勵信號的選取由本文1.2節具體步驟確定。假定被測目標試件易發生局部減薄缺陷的深度范圍為[10, 20]mm，由式(1)可確定有效頻率范圍為[500, 2 500]Hz。當試件缺陷深度為10 mm時，保證所選頻率幅值相等、相位相同，Δf分別取10 Hz、50 Hz、100 Hz、250 Hz、500 Hz時，計算可得檢出磁場信號的差分信號峰值如圖6所示?？梢钥吹?，當Δf取500 Hz時，檢出磁場信號最大。為保證傳統方波脈沖渦流檢測方法與選頻帶脈沖渦流檢測方法具有可比性，本研究根據焦耳定律保證兩種激勵信號能量相等，然后確定選頻帶脈沖渦流中所選頻率的幅值和相位。依據以上原則，選頻帶脈沖渦流的激勵信號的頻域信息均可得到，如圖7a所示。根據逆傅里葉變換，將選頻帶脈沖渦流檢測激勵信號的頻域信號轉換成時域信號，如圖7b所示。

(a)頻域信號

(b)時域信號圖5　傳統方波脈沖渦流檢測的激勵信號Fig.5　The excitation signal of PECT

圖6　缺陷深度為10 mm時Δf變化對檢出差分信號峰值的影響Fig.6　Peak values of differential signal of magnetic flux induction with changing Δf under 10 mm defect depth

(a)頻域信號

(b)時域信號圖7　選頻帶脈沖渦流檢測的激勵信號Fig.7　The excitation signal of FSPECT

2.3　數值模擬結果分析

2.3.1檢測能力比較

圖8　選頻帶脈沖渦流檢測的磁場差分信號Fig.8　Differential signals of magnetic flux induction of FSPECT

圖9　傳統方波脈沖渦流檢測的磁場差分信號Fig.9　Differential signals of magnetic flux induction of traditional square wave inpulse eddy current testing

(a)檢出磁場差分信號峰值

(b)歸一化處理后的信號峰值圖10　不同深度缺陷的檢出磁場差分信號的峰值Fig.10　Peak values of differential signal of magnetic flux induction of different depth defects

在上述兩種激勵信號的作用下，分別對不同深度缺陷的試件進行數值模擬計算，選頻帶脈沖渦流檢測方法和傳統方波脈沖渦流檢測方法檢出磁場信號的差分結果分別如圖8、圖9所示。提取兩種檢測方法的磁場差分信號的峰值如圖10a所示，經過歸一化處理后得到圖10b。從圖10a中可以明顯看出，當激勵信號能量相同時，選頻帶脈沖渦流檢測方法的檢出信號峰值的絕對值遠大于傳統方波脈沖渦流檢出信號峰值的絕對值。從圖10b中可以看出，隨著缺陷深度的增大，選頻帶脈沖渦流檢測方法與傳統方波脈沖渦流檢測方法的磁場差分信號幅值均不斷增大；但是，隨著缺陷深度的增加，選頻帶脈沖渦流檢測特征值的增大幅度要明顯大于脈沖渦流檢測特征值的增大幅度，說明對于一定深度范圍的缺陷，選頻帶脈沖渦流無損檢測方法靈敏度更高，更具優越性。

相比于傳統方波激勵的脈沖渦流檢測方法，選頻帶脈沖渦流檢測方法通過對脈沖激勵信號的頻段范圍進行控制，可以對激勵信號的能量分布進行有效集中，避免能量浪費，可以使檢出信號的信噪比更高，提高檢測靈敏度；對于不同深度范圍的缺陷也更具有針對性，可控性更強。

2.3.2提離點特征

圖11　不同深度缺陷的提離交叉點特征Fig.11　Lift-off points of intersection feature of different depth of defects

在確定選頻帶脈沖渦流無損檢測方法對檢測一定深度范圍的缺陷更具優越性之后，本文進一步對選頻帶脈沖渦流檢測方法是否具有提離交叉點特征進行了研究[13-19]。在對不同缺陷深度的試件進行數值模擬時，將提離h分別設置為0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm，對檢出信號進行整理后，可以得到，對于不同的缺陷深度，選頻帶脈沖渦流檢出磁場差分信號具有提離交叉點特征。由于差分信號線過密，為便于觀察，圖11僅展示了缺陷深度d為8 mm、9 mm、10 mm的提離交叉點。圖12顯示了提離交叉點隨缺陷深度變化的特征。從圖11、圖12中可以看出，隨著缺陷深度的增大，提離交叉點的縱坐標的絕對值不斷增大，因此我們可以根據被測目標試件提離交叉點的范圍，判斷缺陷的實際深度，這對缺陷定量具有一定的意義。

圖12　提離交叉點隨缺陷深度的變化Fig.12　The variation of lift-off points of intersection with changing depth of defects

3　結論

本文針對一定深度范圍的底部缺陷，提出了選頻帶脈沖渦流無損檢測方法，并對其激勵信號的選取原則進行了詳細研究。通過數值模擬得出，對于一定深度范圍的缺陷，選頻帶脈沖渦流檢測方法比傳統方波脈沖渦流檢測方法的靈敏度更高；此外，選頻帶脈沖渦流檢測方法具有提離交叉點特征，并且提離交叉點的范圍可以反映缺陷的深度，對缺陷定量具有一定意義。關于選頻帶脈沖渦流檢測方法的其他特性以及相關實驗部分，是我們下一步的研究工作。

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(編輯王旻玥)