楊琳瑜，丁慶喜，于潤橋

（南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

渦流無損檢測(cè)是指利用材料在鐵磁線圈作用下，通過呈現(xiàn)出電學(xué)或磁學(xué)性質(zhì)的變化，來判斷材料表面或內(nèi)部組織及有關(guān)性能的試驗(yàn)方法［1］。渦流檢測(cè)時(shí)把導(dǎo)體接近通有交流電的線圈，由線圈建立的交變磁場(chǎng)與導(dǎo)體發(fā)生電磁感應(yīng)作用，在導(dǎo)體內(nèi)建立渦流。此時(shí)，導(dǎo)體中的渦流也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場(chǎng)，并影響原磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而導(dǎo)致線圈電壓和阻抗的改變。影響渦流變化的因素很多，包括導(dǎo)體自身各種因素（如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸和缺陷等）的變化，線圈與導(dǎo)體之間的距離變化等，都將會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電流的變化。渦流檢測(cè)正是利用了這些變化，可以完成如下檢測(cè)：① 不連續(xù)性缺陷如裂紋、夾雜物、材質(zhì)不勻等。② 電導(dǎo)率。③ 磁導(dǎo)率。④ 試件幾何尺寸，如形狀、大小、膜厚等。⑤ 被檢件與檢測(cè)線圈間的距離（提離間隙）、覆蓋層厚度等［2］。但這些影響因素往往同時(shí)存在于一次檢測(cè)中，電壓和阻抗的變化是這些影響因素的綜合反映。如何從中區(qū)分出某一項(xiàng)被檢測(cè)量，正是渦流檢測(cè)需要解決的問題。

由于集膚效應(yīng)的作用，渦流檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)的頻率將影響導(dǎo)體中渦流的分布，在不同頻率激勵(lì)下，各影響因素所產(chǎn)生的響應(yīng)不同，因此渦流檢測(cè)對(duì)某一被測(cè)量的檢測(cè)靈敏度在很大程度上依賴于試驗(yàn)頻率。如何快速有效地找出某一探頭應(yīng)用于特定材料工件的最佳試驗(yàn)頻率，是渦流檢測(cè)工程實(shí)踐中亟待解決的問題。通常，試驗(yàn)頻率依據(jù)下列因素進(jìn)行選擇：① 集膚效應(yīng)（滲透深度）和檢測(cè)靈敏度。② 檢測(cè)因素的阻抗特性［3－4］。但這些方法只能給出估算值，實(shí)際應(yīng)用還需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的試驗(yàn)才能獲取較為合適的試驗(yàn)頻率。傳統(tǒng)的方法已難以滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的需要，因此尋找一種快速準(zhǔn)確的確定渦流檢測(cè)最佳試驗(yàn)頻率的方法具有十分重要的意義和實(shí)際工業(yè)價(jià)值。

文章提出了一種基于頻譜分析的渦流探頭最佳試驗(yàn)頻率獲取方法，設(shè)計(jì)了數(shù)字化渦流阻抗檢測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，激勵(lì)信號(hào)掃頻輸出至渦流探頭，檢測(cè)信號(hào)拾取后數(shù)字化分解為實(shí)部和虛部，經(jīng)串口輸出至計(jì)算機(jī)，從而實(shí)時(shí)生成探頭阻抗變化量的頻譜圖。借助該系統(tǒng)，可方便、快捷、實(shí)時(shí)地獲取各探頭的阻抗頻譜，根據(jù)實(shí)際需要分析獲得最佳試驗(yàn)頻率。

1 檢測(cè)線圈阻抗數(shù)值化二維分解方法

渦流線圈阻抗測(cè)量電路原理如圖1所示。激勵(lì)源采用正弦信號(hào)，設(shè)檢測(cè)線圈阻抗為Zx＋Rx＋j Xz，由圖可知，檢測(cè)線圈的輸出電壓向量U1即為被測(cè)阻抗Zx兩端的電壓，故：

圖1 阻抗測(cè)量原理圖

若Rb遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于｜Rx＋j Xx｜：

設(shè)us為參考電壓，即us＝uscos wt，則u1的實(shí)部電壓和虛部電壓u1i分別為：

上式中濾除高頻正弦信號(hào)，輸出直流分量即正比于u1的實(shí)部，將Us的正交信號(hào)即us移相π／2的信號(hào)，us與u1相乘：

此時(shí)輸出直流分量正比于u1的虛部。

要除去高頻信號(hào)，除了通過低通濾波環(huán)節(jié)，還有另外一種方法，即通過積分的方法：

通過數(shù)字阻抗分解，將上述的積分過程離散化，且令us的幅值保持為1，即：

式中f（n）為被測(cè)信號(hào)u1（t）的離散采樣信號(hào)；cos（n），sin（n）為離散形式的正交解調(diào)信號(hào)us（t）和us（t）′。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖2所示。信號(hào)產(chǎn)生和輸出單元由27位相位累加器的DDS核、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）及可編程放大器組成。輸出單元可通過上位機(jī)設(shè)置頻率增益寄存器和頻率增益數(shù)寄存器來實(shí)現(xiàn)掃頻功能。DDS的離散數(shù)字信號(hào)通過DAC后變成連續(xù)模擬信號(hào)，經(jīng)放大器放大后提供檢測(cè)探頭所需激勵(lì)信號(hào)Us。檢測(cè)探頭阻抗測(cè)量電路將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓U1，經(jīng)放大濾波后送12位模數(shù)轉(zhuǎn)換為x（n）。cos（n）和sin（n）是 DDS內(nèi)核提供的頻率點(diǎn)f的采樣測(cè)試矢量。對(duì)ADC采樣數(shù)據(jù)做離散傅里葉變換（DFT），如下式所示：

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

DFT算法結(jié)果的實(shí)部r和虛部i分別存入16位的實(shí)部寄存器和虛部寄存器中。經(jīng)串口送計(jì)算機(jī)，下載實(shí)部和虛部的數(shù)據(jù)。采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，能方便地實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)頻率掃描，使采用頻譜分析方法進(jìn)行渦流檢測(cè)最佳檢測(cè)頻率范圍的確定成為可能。

3 探頭阻抗特性頻譜分析試驗(yàn)

以應(yīng)用點(diǎn)式探頭檢測(cè)平板類工件的表面缺陷為例，采用頻譜分析法獲得最佳試驗(yàn)頻率。試驗(yàn)采用點(diǎn)式探頭，檢測(cè)線圈主要參數(shù)為：磁芯材料MnZn高導(dǎo)磁率鐵氧體，線圈內(nèi)徑D1＝2.8mm、外徑D＝3mm、高H＝5mm，線圈匝數(shù)n＝30匝、線徑d＝0.3mm。

試驗(yàn)準(zhǔn)備預(yù)制缺陷試塊1塊，試塊材料為45號(hào)鋼，預(yù)制人工缺陷如圖3所示，其中刻槽模擬不同深度的裂紋類缺陷，平底孔模擬常見的腐蝕缺陷。

圖3 試塊缺陷位置和形狀示意圖

采用點(diǎn)式探頭檢測(cè)平板類工件的表面缺陷時(shí)，若工件材料相同，則提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響最大，因此在選取工作頻率時(shí)，不僅要考慮高靈敏度，同時(shí)應(yīng)兼顧提離的影響應(yīng)盡可能小。試驗(yàn)時(shí)將探頭分別置于以下3個(gè)位置：① 緊貼工件表面，無缺陷處。②緊貼工件表面，試塊最小缺陷處。③ 距離工件表面1mm，無缺陷處。每一位置下控制檢測(cè)線圈激勵(lì)信號(hào)us的頻率按要求遞增，為保證足夠的渦流檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，每一頻率激勵(lì)信號(hào)保持30個(gè)周期。每一頻率下系統(tǒng)輸出的實(shí)部和虛部量為這30個(gè)周期的算術(shù)平均，其中實(shí)部標(biāo)記為Ai（f），虛部標(biāo)記為Bi（f）。其中i＝1，2，3，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)位置下的輸出值，f為各離散的頻率點(diǎn)?？紤]到實(shí)際檢測(cè)時(shí)顯示的是探頭經(jīng)過缺陷時(shí)阻抗的變化量，因此以位置1為檢測(cè)基準(zhǔn)，得到缺陷頻譜：

圖4 探頭粗掃描和細(xì)化掃描阻抗頻譜圖

根據(jù)探測(cè)深度和靈敏度要求，首先進(jìn)行粗掃描，頻率f的變化范圍選擇為1～100kHz，頻率增量100Hz。圖4為探頭作用于試塊時(shí)，粗掃描及細(xì)化掃描阻抗變化頻譜圖。由圖4（a）可見，不同頻率下，阻抗變化量是完全不同的，相同探頭對(duì)于不同材料的工件，阻抗的變化規(guī)律也完全不同。通過頻譜圖直觀顯示出：對(duì)于1號(hào)試塊，頻率為51～56kHz的范圍內(nèi)，缺陷處的實(shí)部和虛部的變化值都比較大，提離情況下的實(shí)部和虛部變化量小于最小缺陷處阻抗的實(shí)部、虛部的變化量，且變化方向相反。選用這一頻率段，有利于區(qū)分缺陷和提離，且具有較高的缺陷檢測(cè)靈敏度。

為獲得更為精確的試驗(yàn)頻率點(diǎn)，進(jìn)行2次細(xì)化掃描，頻率范圍為51～56kHz，增量為10Hz，測(cè)量結(jié)果如圖4（b）所示。從圖可見，頻率為51～52.5kHz時(shí)，缺陷檢測(cè)靈敏度稍高。

確定最佳工作頻率后，系統(tǒng)工作于單頻激勵(lì)模式下，激勵(lì)源輸出固定頻率52kHz正弦波，探頭勻速掃過工件表面，實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以很清楚地辨別出試塊上的5個(gè)孔和4條縫模擬缺陷，兩類缺陷能有效區(qū)分。說明選擇該頻率作為工作頻率是適合該探頭和工件的。

圖5 鋼板連續(xù)掃描（52kHz）

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用數(shù)字化阻抗分解設(shè)計(jì)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)，由于采用DDS技術(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的頻率掃描輸出，使用該測(cè)試系統(tǒng)能快速獲取探頭阻抗的頻譜特性，為探頭工作頻率的確定提供了方便、實(shí)用、快捷的系統(tǒng)工具。該系統(tǒng)同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的單一頻率輸出或多頻率輸出，系統(tǒng)可以作為單頻渦流檢測(cè)系統(tǒng)或多頻渦流檢測(cè)系統(tǒng)使用，因此系統(tǒng)兼具頻譜分析及檢測(cè)功能，提高了實(shí)際檢測(cè)過程中的工作效率。檢測(cè)原始數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)，方便后續(xù)的信號(hào)處理及其它功能的二次開發(fā)。

［1］任吉林，林俊明.電磁無損檢測(cè)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：75－77.

［2］蔣齊密，張新訪，劉土光，等.電渦流檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置依據(jù)［J］.無損檢測(cè)，2001，23（3）：100－105.

［3］美國無損檢測(cè)學(xué)會(huì).美國無損檢測(cè)手冊(cè)（電磁卷）［M］.上海：世界圖書出版社，1996.

［4］Tomasz Chady，Masato Enokizono，Ryszard Sikora.Neural network models of eddy current multi－frequency system for nondestructive testing［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2000，36（4）：1724－1727.