改进型脉冲涡流无损检测技术研究
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为了提高检测 灵 敏 度， 脉冲涡流通常将两片霍 尔传感器接成差分 的 形 式， 将位于没有缺陷处传感 器测得的信号作为参考信号， 这样， 当两片霍尔传感 器都位于 没 有 缺 陷 的 位 置 时， 差 分 输 出 信 号 为 零。 当有缺陷出现时就会有信号输出。差分输出信号如 图 , 所示。差分处理必须首先保证两个差分信号 的 同步， 否则容易引起较大的误差。
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改进型脉冲涡流检测技术
从以上分 析 可 以 看 出， /01# 技 术 采 用 矩 形 激
图2 传统的 340 采用的探头结构 ・," ・
计量技术 !556 7 89 : 万方数据
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脉冲涡流差分检测输出信号
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不同体积的表面下腐蚀所对应的峰值
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采用最小二乘 法 对 测 试 数 据 进 行 曲 线 拟 合， 可 以得到表 面 腐 蚀 的 体 积 ! 与 峰 值 " 的 关 系 式 为： 表面下腐蚀的体积 ! - ) . ))+& " " / !) . % " 0 ,",) . ’ ， ! 与 峰 值 " 的 关 系 式 为：! - ) . )),% " " / !, . ! " 0 还能得到表面腐蚀的过零时间 # 与 %")! . ’ 。同时， 深度 $ 之 间 的 关 系 式 为： 表 $ - / ) . ))!’ # 0 ! . +$ ， 面下腐蚀的过零时间 # 与深 度 $ 之 间 的 关 系 式 为： 可以根 $ - ) . ))!$ # / ) . "! 。 在 实 际 的 检 测 过 程 中， 据拟合出 的 曲 线 对 腐 蚀 缺 陷 的 体 积 和 深 度 进 行 定
测量与设备
改进型脉冲涡流无损检测技术研究
" 杨宾峰 !，
罗飞路 "
（! # 空军工程大学电讯工程学院， 西安 $!%%$$ ； 长沙 &!%%$’） " # 国防科技大学机电工程与自动化学院，
摘 要 传统脉冲涡流检测技术对缺陷的检测灵敏度不高， 需采用差分的方法 来 增 强 缺 陷 信 息。 本 文 提 出 了
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图. /01# 采用的探头结构
磁感应强度为
测量与设备
! 实验验证
为了验证本文 提 出 方 法 的 正 确 性， 我们将其应 用到对腐蚀缺陷的定量检测及分类识别中。在厚度 为 "## 面 积 为 $%%## & $%%## 的 铝 板 上 加 工 了 尺 寸分别为： !’(## & % ) *##、 !$(## & % ) *##、 !!(## & % ) *## 的 深 度 相 同 直 径 不 同 和 !’(## & % ) ’##、
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引言
传统的 脉 冲 涡 流 采 用 圆 柱 形 线 圈 作 为 激 励 线
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交变磁场测量法的检测原理
图 ! 给 出 了 ;:>, 中 缺 陷 对 电 流 及 磁 场 的 影
圈， 采用同轴的圆 柱 形 线 圈 或 位 于 激 励 线 圈 底 部 的 磁传感器 （ ()** 传 感 器 或 +,- 传 感 器 ） 来检测受到 缺陷扰动的磁场的 变 化， 为了提取只受缺陷扰动的 那部分 磁 场 的 变 化， 必须对感应信号进行差分处
计量技术 "))& . 67 ’ 万方数据 图 !! 同深度表面下腐蚀的幅值频谱
图 !" 和 图 !$ 为 对 不 同 深 度 的 表 面 腐 蚀 和 表 面下 腐 蚀 测 试 信 号 进 行 112 变 换 后 各 奇 次 谐 波 的 幅值 谱 。 由 图 !" 可 以 看 出 ， 对于不同深度的表面 腐蚀 ， 其 “频谱分离点” 均 出 现 在 !! . %345 处 ， 所不 同的 是 ， 不同深度的表面腐蚀在低频处的幅值谱 有明 显 的 差 别 ， 这是由于腐蚀深度的不同造成的 结果 。 根 据 理 论 分 析 可 以 知 道 ， 深度较浅的表面 腐蚀 的 频 谱 在 低 频 处 受 到 的 扰 动 较 小 ， 因 此， 其幅
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无腐蚀 $%" &’( !!&& "$)& $’!(
处， 图 !! 中 表 面 下 腐 蚀 的 “频 谱 分 离 点” 出现在 实 验 结 果 和 理 论 分 析 相 一 致， 验证了 ’ . %345 处 ， “频 谱 分 离 点” 在腐蚀缺陷识别中的正确性。
腐蚀体积 （ ##$ ） 峰值 （ #*）
［& . @］ ， 通过采用 有机集成 在 一 起 ,2)1062?278 ， ;:>,）
矩形线圈作为激励 线 圈， 将脉冲涡流激励场从空间 上转化为匀强涡流 场， 从而等效为一种自差分式的 涡流检测技术， 内径很小的检测线圈位于激励线圈 底部的中央， 其感 应 的 信 wenku.baidu.com 主 要 来 自 缺 陷 产 生 的 扰 动场， 因此无需进行差分处理， 这就消除了硬件设计 中对于信号同步的要求， 简化了信号处理的过程， 同 时提高了检测灵敏度。 最后， 将改进型 的 脉 冲 涡 流 技 术 应 用 到 对 腐 蚀 缺陷的检测中， 实现了对腐蚀缺陷深度和体积的定 量检测， 同时采用 一 种 新 的 方 法 实 现 对 表 面 腐 蚀 和 表面下腐蚀的分类 识 别， 理论分析与试验结果相一 致， 验证了所提出方法的正确性。
图! 交变磁场测量法原理图
图 ! 中， 在远 离 缺 陷 处， 电 流 场 是 均 匀 的， 电流 线相互平行。当电 流 流 至 缺 陷 处， 由于缺陷处电阻 增大， 电流会向缺陷两端和底面偏转， 使缺陷中心处 电流变疏， 电流密 度 下 降， 电 流 向 缺 陷 两 端 汇 聚， 从 而导致工件表面 磁 场 的 变 化。 在 缺 陷 的 左 半 边， 电 流的总体趋势是逆 时 针 流 动， 产生指向工件表面的 磁力线， 在缺陷 的 右 半 边 则 刚 好 相 反。 规 定 前 者 为 负， 后者为正。这样， 可 通 过 !" 曲 线 对 缺 陷 的 长 度 进行检测。
・$’ ・ 图. 深度不同直径相同的表面下腐蚀的过零时间
万方数据
计量技术 ’%%, ) /0 +
测量与设备
出， 脉冲涡 流 瞬 态 感 应 信 号 的 峰 值 与 腐 蚀 的 体 积 和位置有密切的 关 系， 对于表面出现 的 腐 蚀 缺 陷， 腐蚀 体 积 越 大 ， 峰 值 越 大； 对于表面下出现的腐 蚀， 在腐蚀缺陷的深度一定的情况下， 腐蚀的体积 越大， 则 脉 冲 涡 流 感 应 信 号 的 峰 值 越 大 。 表 !、 "列 出了 不 同 体 积 的 表 面 腐 蚀 和 表 面 下 腐 蚀 所 对 应 的 峰值。 表! 不同体积的表面腐蚀所对应的峰值
一种改进型的脉冲涡流无损检测方法， 其无需差分就可以对缺陷进行定量， 具有较大 的 理 论 价 值 和 应 用 价 值， 采用 改进的脉冲涡流技术对腐蚀缺陷的深度和体积进行了 检 测， 并采用一种新的 “频 谱 分 离 点” 的 腐 蚀 缺 陷 识 别 方 法， 提高了腐蚀缺陷分类识别的正确率。 关键词 脉冲涡流； 交变磁场测量法； 腐蚀缺陷； 定量检测； 分类识别
图, 深度相同直径不同的表面下腐蚀的过零时间
图+
深度不同直径相同的表面腐蚀的过零时间
图*
深度相同直径不同的表面腐蚀的过零时间
图 + 和图 . 为不同深度的表面腐蚀和表 面 下 腐 蚀的测试结果。从 图 中 可 以 看 出， 过零时间随着腐 蚀深度的不同而 变 化， 对 于 表 面 腐 蚀， 腐 蚀 越 深， 过 零时间越短； 对于 表 面 下 腐 蚀， 腐 蚀 的 位 置 越 深， 过 零时间越长。 ! ) ’ 腐蚀缺陷体积的定量检测 从上 面 对 不 同 大 小 腐 蚀 的 测 试 中 我 们 可 以 看
图!
脉冲涡流检测理论模型
图 ! 中， 被测试件的电导率为 !" ， 磁导率 为 "" ， 位于试件表 面 的 裂 纹 的 长 度 为 " ， 检测线圈的内径 线圈与试件表面的距离为 $ 。对于线性媒质， 为 #" ， 在轴 对称的情况下， 如果激 励 的 脉 冲 电 流 表 示 为 % & （ ’） ， 以矢量磁位 ( 表示的 #$%&’(( 微分方程为：
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表面腐蚀和表面下腐蚀的分类识别 从上 面 对 腐 蚀 深 度 和 体 积 的 定 量 检 测 中 可 以
看出， 脉冲 涡 流 的 过 零 时 间 和 峰 值 随 表 面 腐 蚀 和 表面下腐蚀的变 化 规 律 不 同， 因此， 必须首先辨别 出腐 蚀 是 位 于 试 件 表 面 还 是 表 面 下 ， 然后才可以 根据 过 零 时 间 和 峰 值 进 行 腐 蚀 深 度 和 体 积 的 定 量 检测 。 根 据 理 论 分 析 可 以 知 道 ， 表面缺陷主要影 响频 谱 的 高 频 分 量 ， 表面下缺陷主要影响频谱的 低频分量， 因此， 表面腐蚀的 “频谱分离点” 出现时 的频率值应该高于表面下腐 蚀 对 应 的 频 率 值。图 !) 和 图 !! 为 同 深 度 的 表 面 腐 蚀 和 表 面 下 腐 蚀 的 测试 信 号 进 行 112 变 换 后 各 奇 次 谐 波 的 幅 值 谱 。 图 !) 中 表 面 腐 蚀 的 “频谱分离点” 出 现 在 !! . %345
［! . ’］ ， 从中减去无缺陷存在时的参考信号， 由于 差 理
响。图中， ! " 表示扰动磁场的垂直分量。
分处理必须首先保 证 两 个 差 分 信 号 的 同 步， 否则容 易引起较大的误差， 这就增加了信号处理的难度。 本文提 出 了 一 种 新 的 改 进 型 脉 冲 涡 流 检 测 方 法， 将传统的脉冲涡流检测技术 （ /0*123 2334 5066278 ， 和交变磁场测量法 （ ;*8267)8<7= :066278 ><2*3 /9:）
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万方数据
计量技术 "%%$ # AB C
测量与设备
! 脉冲涡流的检测原理
脉冲涡 流 的 激 励 信 号 为 具 有 一 定 占 空 比 的 方 波， 施加在探头上 的 激 励 方 波 会 感 应 出 脉 冲 涡 流 在 被测试件中传播， 假如有裂纹缺陷存在， 势必使得磁 感应 强 度 ! 发 生 变 化， 由 于 脉 冲 包 含 很 宽 的 频 谱， 磁感应强度变化 量 中 就 包 含 有 关 裂 纹 的 重 要 信 息。 建立如图 ! 所示的模型来对脉冲涡流进行分析。 励线圈， 结构如图 . 所示， 其激励场和检测线圈的轴 线相互垂直， 激励 场 不 会 对 扰 动 场 的 垂 直 分 量 产 生 影响。脉冲涡流检 测 技 术 采 用 圆 柱 形 的 激 励 线 圈， 结构如图 2 所示， 检测线圈的感应信号主要由激励 场产生， 为了提取出缺陷引起的扰动场分量， 必须对 检测的信号 进 行 差 分 处 理。 因 此， 可 以 将 /01# 和 将矩形激励线圈应用到 340 检测技术集 成 在 一 起， 脉冲涡流检测中来， 在矩形激励线圈的底部中央放 置检测线圈， 用来 对 缺 陷 引 起 的 扰 动 场 的 垂 直 分 量 进行检测， 这就消除了激励场对检测信号的影响， 无 需差分就可以对缺陷进行定量。
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为了提高检测 灵 敏 度， 脉冲涡流通常将两片霍 尔传感器接成差分 的 形 式， 将位于没有缺陷处传感 器测得的信号作为参考信号， 这样， 当两片霍尔传感 器都位于 没 有 缺 陷 的 位 置 时， 差 分 输 出 信 号 为 零。 当有缺陷出现时就会有信号输出。差分输出信号如 图 , 所示。差分处理必须首先保证两个差分信号 的 同步， 否则容易引起较大的误差。
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传统的 脉 冲 涡 流 采 用 圆 柱 形 线 圈 作 为 激 励 线
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图 !" 和 图 !$ 为 对 不 同 深 度 的 表 面 腐 蚀 和 表 面下 腐 蚀 测 试 信 号 进 行 112 变 换 后 各 奇 次 谐 波 的 幅值 谱 。 由 图 !" 可 以 看 出 ， 对于不同深度的表面 腐蚀 ， 其 “频谱分离点” 均 出 现 在 !! . %345 处 ， 所不 同的 是 ， 不同深度的表面腐蚀在低频处的幅值谱 有明 显 的 差 别 ， 这是由于腐蚀深度的不同造成的 结果 。 根 据 理 论 分 析 可 以 知 道 ， 深度较浅的表面 腐蚀 的 频 谱 在 低 频 处 受 到 的 扰 动 较 小 ， 因 此， 其幅
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图! 交变磁场测量法原理图
图 ! 中， 在远 离 缺 陷 处， 电 流 场 是 均 匀 的， 电流 线相互平行。当电 流 流 至 缺 陷 处， 由于缺陷处电阻 增大， 电流会向缺陷两端和底面偏转， 使缺陷中心处 电流变疏， 电流密 度 下 降， 电 流 向 缺 陷 两 端 汇 聚， 从 而导致工件表面 磁 场 的 变 化。 在 缺 陷 的 左 半 边， 电 流的总体趋势是逆 时 针 流 动， 产生指向工件表面的 磁力线， 在缺陷 的 右 半 边 则 刚 好 相 反。 规 定 前 者 为 负， 后者为正。这样， 可 通 过 !" 曲 线 对 缺 陷 的 长 度 进行检测。
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万方数据
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出， 脉冲涡 流 瞬 态 感 应 信 号 的 峰 值 与 腐 蚀 的 体 积 和位置有密切的 关 系， 对于表面出现 的 腐 蚀 缺 陷， 腐蚀 体 积 越 大 ， 峰 值 越 大； 对于表面下出现的腐 蚀， 在腐蚀缺陷的深度一定的情况下， 腐蚀的体积 越大， 则 脉 冲 涡 流 感 应 信 号 的 峰 值 越 大 。 表 !、 "列 出了 不 同 体 积 的 表 面 腐 蚀 和 表 面 下 腐 蚀 所 对 应 的 峰值。 表! 不同体积的表面腐蚀所对应的峰值
一种改进型的脉冲涡流无损检测方法， 其无需差分就可以对缺陷进行定量， 具有较大 的 理 论 价 值 和 应 用 价 值， 采用 改进的脉冲涡流技术对腐蚀缺陷的深度和体积进行了 检 测， 并采用一种新的 “频 谱 分 离 点” 的 腐 蚀 缺 陷 识 别 方 法， 提高了腐蚀缺陷分类识别的正确率。 关键词 脉冲涡流； 交变磁场测量法； 腐蚀缺陷； 定量检测； 分类识别
图, 深度相同直径不同的表面下腐蚀的过零时间
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深度不同直径相同的表面腐蚀的过零时间
图*
深度相同直径不同的表面腐蚀的过零时间
图 + 和图 . 为不同深度的表面腐蚀和表 面 下 腐 蚀的测试结果。从 图 中 可 以 看 出， 过零时间随着腐 蚀深度的不同而 变 化， 对 于 表 面 腐 蚀， 腐 蚀 越 深， 过 零时间越短； 对于 表 面 下 腐 蚀， 腐 蚀 的 位 置 越 深， 过 零时间越长。 ! ) ’ 腐蚀缺陷体积的定量检测 从上 面 对 不 同 大 小 腐 蚀 的 测 试 中 我 们 可 以 看
图!
脉冲涡流检测理论模型
图 ! 中， 被测试件的电导率为 !" ， 磁导率 为 "" ， 位于试件表 面 的 裂 纹 的 长 度 为 " ， 检测线圈的内径 线圈与试件表面的距离为 $ 。对于线性媒质， 为 #" ， 在轴 对称的情况下， 如果激 励 的 脉 冲 电 流 表 示 为 % & （ ’） ， 以矢量磁位 ( 表示的 #$%&’(( 微分方程为：
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表面腐蚀和表面下腐蚀的分类识别 从上 面 对 腐 蚀 深 度 和 体 积 的 定 量 检 测 中 可 以
看出， 脉冲 涡 流 的 过 零 时 间 和 峰 值 随 表 面 腐 蚀 和 表面下腐蚀的变 化 规 律 不 同， 因此， 必须首先辨别 出腐 蚀 是 位 于 试 件 表 面 还 是 表 面 下 ， 然后才可以 根据 过 零 时 间 和 峰 值 进 行 腐 蚀 深 度 和 体 积 的 定 量 检测 。 根 据 理 论 分 析 可 以 知 道 ， 表面缺陷主要影 响频 谱 的 高 频 分 量 ， 表面下缺陷主要影响频谱的 低频分量， 因此， 表面腐蚀的 “频谱分离点” 出现时 的频率值应该高于表面下腐 蚀 对 应 的 频 率 值。图 !) 和 图 !! 为 同 深 度 的 表 面 腐 蚀 和 表 面 下 腐 蚀 的 测试 信 号 进 行 112 变 换 后 各 奇 次 谐 波 的 幅 值 谱 。 图 !) 中 表 面 腐 蚀 的 “频谱分离点” 出 现 在 !! . %345
［! . ’］ ， 从中减去无缺陷存在时的参考信号， 由于 差 理
响。图中， ! " 表示扰动磁场的垂直分量。
分处理必须首先保 证 两 个 差 分 信 号 的 同 步， 否则容 易引起较大的误差， 这就增加了信号处理的难度。 本文提 出 了 一 种 新 的 改 进 型 脉 冲 涡 流 检 测 方 法， 将传统的脉冲涡流检测技术 （ /0*123 2334 5066278 ， 和交变磁场测量法 （ ;*8267)8<7= :066278 ><2*3 /9:）
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脉冲涡 流 的 激 励 信 号 为 具 有 一 定 占 空 比 的 方 波， 施加在探头上 的 激 励 方 波 会 感 应 出 脉 冲 涡 流 在 被测试件中传播， 假如有裂纹缺陷存在， 势必使得磁 感应 强 度 ! 发 生 变 化， 由 于 脉 冲 包 含 很 宽 的 频 谱， 磁感应强度变化 量 中 就 包 含 有 关 裂 纹 的 重 要 信 息。 建立如图 ! 所示的模型来对脉冲涡流进行分析。 励线圈， 结构如图 . 所示， 其激励场和检测线圈的轴 线相互垂直， 激励 场 不 会 对 扰 动 场 的 垂 直 分 量 产 生 影响。脉冲涡流检 测 技 术 采 用 圆 柱 形 的 激 励 线 圈， 结构如图 2 所示， 检测线圈的感应信号主要由激励 场产生， 为了提取出缺陷引起的扰动场分量， 必须对 检测的信号 进 行 差 分 处 理。 因 此， 可 以 将 /01# 和 将矩形激励线圈应用到 340 检测技术集 成 在 一 起， 脉冲涡流检测中来， 在矩形激励线圈的底部中央放 置检测线圈， 用来 对 缺 陷 引 起 的 扰 动 场 的 垂 直 分 量 进行检测， 这就消除了激励场对检测信号的影响， 无 需差分就可以对缺陷进行定量。