脉冲涡流阵列缺陷成像检测技术_王海涛

ＷＡＮＧ Ｈａｉ－Ｔａｏ１，ＳＵＮ Ｈａｉ－Ｌｏｎｇ１，ＣＵＩ Ｌｉ－Ｄｏｎｇ１，ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇ１，ＺＨＥＮ Ｌｉ １，ＷＡＮＧ Ｐｉｎｇ１，ＴＩＡＮ Ｇｕｉ－Ｙｕｎ１，２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５０９０７０３２）；江 苏 省 科 技 厅资助项目（ＢＥ２００９１６２，ＢＺ２００９０５１）；南 京 航 空 航 天 大 学 研 究 生 创 新实验室基金支持项目
作者简介：王海涛（１９６８－），男，副 教 授，博 士，主 要 从 事 光 电 和 电磁无损检测的研究。
同时也进一步说明了仿真试验分析的正确性。
２ 试 验 系 统 组 成
图１１为系统 整 体 框 架 结 构 示 意 图。 系 统 硬 件 试验平台主要由脉冲 信 号 发 生 模 块、Ｈａｌｌ传 感 器 探 头 、被 检 试 件 、信 号 调 理 电 路 和 数 据 采 集 模 块 五 个 部 分组成。
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的电压。通过测量瞬态输出电压信号的变化大小， 就可以 得 到 有 关 缺 陷 的 尺 寸、类 型 和 结 构 参 数 等 信 息 。 ［４］
成像检测技术是现代无损检测技术的发展趋势 之一 。 ［５］ 成像检测技术的应用可以直观地观测到 被 检测物体的 缺 陷 位 置 及 缺 陷 的 大 小［６－７］，这 样 不 仅 提高了检测人员的 工 作 效 率，更 大 大 促 进 了 无 损 检 测技术的应用普及。设计了一套脉冲涡流阵列检测 系统，并对标准铝合 金 试 件 的 缺 陷 进 行 了 初 步 的 成 像处理。
探 头 分 别 放 置 在 试 件 的 缺 陷 、缺 陷 边 缘 和 无 缺 陷 处 。 试 件 缺 陷 宽２ ｍｍ，深 度 分 别 为２，４，６ 和８ ｍｍ。其 中 阵列探头中单元１ 放 置 在 了 缺 陷 处，单 元 ２ 放 置 在 了缺陷边 缘，单 元 ３ 放 置 在 了 无 缺 陷 处。 图 ３ 为 ３ 个单元差分信号时域 检 测 结 果 截 图，图 ４ 为 ３ 个 单 元差分信 号 频 域 检 测 结 果 截 图。 从 两 图 中 可 以 发 现 ，单 元 １ 能 很 好 地 检 测 到 缺 陷 变 化 的 情 况 ，而 处 在 缺陷边缘的单元２和处在无缺陷处的单元３所采集 的信号很难在时域 进 行 区 分；但 是 从 频 域 信 号 的 对 比来看，单元２在缺 陷 边 缘 处 采 集 的 信 号 频 谱 分 离 点要明显大于单元３的频谱分离点。
在３个检测单元线阵探头的基础上又制作了４ ×４ 面 阵 探 头 ，探 头 实 物 如 图 ５。 图 ６ 为 面 阵 探 头 在 无缺陷铝合金试 件 上 产 生 的 １６ 路 信 号。 从 中 发 现 检测 信 号 存 在 明 显 的 失 真，特 别 是 位 于 正 中 间 的 ４ 个 探 头 ，信 号 波 形 与 四 周 探 头 信 号 存 在 明 显 的 差 异 。 信号失真的原因是由于面阵探头排列使得探头和探 头之间的互感干扰比线阵探头要严重得多。信号由 于互感影响产生了 畸 变，严 重 影 响 了 检 测 的 精 确 度 和 准 确 度 ，所 以 必 须 消 除 探 头 之 间 互 感 的 影 响 。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ；Ａｒｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；Ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
脉冲涡 流（Ｐｕｌｓｅｄ Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ，简 称 ＰＥＣ）检 测技术是近十几年发展起来的一种新型的电磁无损 检测技术，是 涡 流 检 测 技 术 的 一 种 新 方 法 。 ［１－３］ 脉 冲涡流的激励电流 为 一 个 重 复 的 宽 带 脉 冲，通 常 为 具有一定占空比的方波。激励线圈中的脉冲电流感 生出一个快速衰减 的 脉 冲 磁 场，变 化 的 磁 场 在 导 体 试件中感应出瞬时 涡 流，此 脉 冲 涡 流 向 导 体 试 件 内 部 传 播 ，又 会 感 应 出 一 个 快 速 衰 减 的 涡 流 磁 场 ，随 着 涡流磁场的衰减，磁 传 感 器 上 就 会 输 出 随 时 间 变 化
１ 脉 冲 涡 流 阵 列 探 头 设 计
阵列探头中每个 单 元 的 结 构 如 图 １ 所 示，单 元 由 铁 氧 体 磁 芯 、激 励 线 圈 和 霍 尔 元 件 组 成 ，实 物 图 见
王 海 涛 等 ：脉 冲 涡 流 阵 列 缺 陷 成 像 检 测 技 术
图 ２。 为 了 验 证 探 头 的 可 靠 性 ，将 图 ２ 所 示 三 个 单 元
３ 阵 列 探 头 信 号 及 其 成 像 处 理
图１２为试验中 所 使 用 的 带 有 十 字 叉 缺 陷 的 铝 合金试件，图１３为 １６ 个 探 头 放 置 在 缺 陷 上 的 示 意 图 。 图 中 第 ３，６，７，８，１１ 探 头 放 置 在 了 缺 陷 上 ，其 他 探头处在试件的无缺陷处。
从图７和图８ 对 比 来 看，在 相 同 电 流 密 度 的 情 况下，带有屏蔽罩的 探 头 溢 出 探 头 的 磁 感 应 线 明 显 少于不带屏蔽罩的 探 头，并 且 带 有 屏 蔽 罩 的 探 头 产 生的磁感应强度远大于不带屏蔽罩的探头。由此可 知，当探头 加 有 屏 蔽 罩 时，可 以 削 弱 探 头 之 间 的 互 感 ，且 相 同 的 磁 场 强 度 可 由 更 小 电 流 密 度 获 得 ，减 少 了 线 圈 的 发 热 量 ，使 探 头 在 工 作 时 更 加 稳 定 。
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图 １１ 系 统 整 体 框 架 结 构
其中每个脉冲涡流探头的外径为 １０ ｍｍ，内径 为５ｍｍ，激励线圈用０．２ｍｍ 的漆包线缠绕了 ２００ 圈 ，选 用 的 磁 敏 元 件 为 ３５０３ 霍 尔 元 件 。 试 验 中 使 用 的信号发生器型号为 ＤＦ１４４０，激励频率为 １００ Ｈｚ， 发射占 空 比 为 ５０％ 的 方 波。 功 率 放 大 器 为 Ｎｅｗ－ ｔｏｎｓ ＬＰＡ０５Ｂ，其频带范围可达到１Ｈｚ～１ ＭＨｚ，最 大输出功率为９０ Ｗ。放大电路由 ＤＡ６２０仪用放大 器组成。数据采集卡型号为 ＤＡＱ２０１０，其最高采样 频率可达２ ＭＨｚ。对于软件部分，前 期 静 态 试 验 采 用 Ｍａｔｌａｂ软件进行数据的采集以及分析处理，后期 实时扫描成像试验采用可并行处理的 ＬａｂＶＩＥＷ 软 件进行缺陷的实时成像处理。
２０１０年远东无损检测论坛论文精选
脉冲涡流阵列缺陷成像检测技术
王 海 涛１ ，孙 海 龙１ ，崔 利 东１ ，张 颖１ ，甄 理１ ，王 平１ ，田 贵 云１，２ （１．南京航空航天大学 自动化学院，南京 ２１００１６；２．Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｕｐｏｎ Ｔｙｎｅ，Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ，ＵＫ）
为了消除脉冲涡流阵列探头之间的互感影响， 考虑用高导磁材料制作屏蔽罩来屏蔽互感的影响。
为了验 证 这 种 方 法 的 可 靠 性，采 用 电 磁 仿 真 软 件 Ｃｏｍｓｏｌ进 行 了 仿 真 试 验 。
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王 海 涛 等 ：脉 冲 涡 流 阵 列 缺 陷 成 像 检 测 技 术
根据仿真试验 得 到 的 结 论，采 用 相 对 磁 导 率 达 到１０ ０００的工业纯铁制作了高导磁屏蔽罩，图 ９ 为 重 新 制 作 的 带 有 屏 蔽 罩 的 ４×４ 脉 冲 涡 流 阵 列 探 头 。 图 １０ 为 带 有 屏 蔽 罩 时 ４×４ 阵 列 探 头 产 生 的 真 实 信 号 。 从 图 ６ 和 图 １０ 的 对 比 中 可 以 看 出 ，在 加 入 屏 蔽 罩后，阵列探头每个 单 元 信 号 之 间 的 互 感 影 响 基 本 消失，每个单元产 生 的 波 形 趋 近 一 致。 可 见 屏 蔽 罩 的加入可使各单元的检测精度与灵敏度大大提高，
摘 要：脉冲涡流阵列系统具有大面积、快速检测的优点，可 用 于 金 属 表 面 裂 纹 的 自 动 在 线 检 测。在无损检测领域，应用成像技术可以直观地观测到被检测物体的缺陷位置及大小 ，提高检测人 员 的 工 作 效 率 ，促 进 无 损 检 测 技 术 的 应 用 普 及 。 设 计 了 一 套 脉 冲 涡 流 阵 列 检 测 系 统 ，包 括 脉 冲 涡 流 阵列探头。应用该系统对标准铝合金试件的缺陷进行了初步的成 像 处 理，给 出 了 标 准 铝 合 金 试 块 缺 陷 成 像 检 测 结 果 ，并 指 出 今 后 的 工 作 方 向 。
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对 于 采 集 到 的 １６ 个 探 头 信 号 ，首 先 利 用 数 字 滤 波对信号进行 了 降 噪 及 差 分 处 理［１］，并 使 用 神 经 网 络对缺陷信号和无 缺 陷 信 号 进 行 了 识 别，从 而 去 除
王 海 涛 等 ：脉 冲 涡 流 阵 列 缺 陷 成 像 检 测 技 术
了无缺陷 信 号 的 影 响，只 对 缺 陷 信 号 提 取 特 征 值。 图 １４ 为 处 理 之 后 的 脉 冲 涡 流 阵 列 差 分 信 号 ，提 取 差 分信号的峰值 作 ［２］ 为缺陷成像的特征值，图１５为 根 据提取的特征值对缺陷成像结果。
关 键 词 ：脉 冲 涡 流 检 测 ；阵 列 探 头 ；成 像 检 测 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５．２８ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－６６５６（２０１０）０８－０５６０－０４
Ｐｕｌｓｅｄ Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ａｒｒａｙ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ｄｅｆｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
２．Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｕｐｏｎ Ｔｙｎｅ，Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ ＵＫ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｒａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｒａｐｉｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｍｅｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒａｃｋ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒａｉｓｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＮＤＴ ｗｏｒｋ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｇｒｅａｔｌｙ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ＰＥＣ ａｒｒａｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｒａｙ ｐｒｏｂｅｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ａ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｓａｍｐｌｅ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ｔｈｅ ＮＤＴ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｓａｍｐｌｅ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ．