張 超 王曉鋒 蔣鋒聚 張 輝 楊賓峰

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077；2.上海美多通信設(shè)備有限公司，上海 200333；3.空軍工程大學(xué)科研部，西安 710051)

0 引言

非磁性平板金屬構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，及時(shí)對其進(jìn)行無損檢測與評估對于確保飛行器安全有著重大意義。近年來國內(nèi)外學(xué)者對平板構(gòu)件無損檢測進(jìn)行了初步研究，美國Iowa state university的Y.S.Sun等人通過為傳感器合理設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)與導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)在平板上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場現(xiàn)象，并成功的將其應(yīng)用到了飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)的檢測中，但是沒有給出傳感器的具體設(shè)計(jì)方案[1]；日本Yokohama National University的N.Kasai等人利用平板遠(yuǎn)場渦流技術(shù)對石油儲罐底板缺陷進(jìn)行了檢測，但其采用正弦激勵(lì)方式，使得檢測信號頻譜成分單一且功耗較大[2]；南京航空航天大學(xué)的王新設(shè)計(jì)了一套適用于鐵磁性平板導(dǎo)體件的遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)，但此系統(tǒng)無法對非磁性平板進(jìn)行檢測[3]。

針對以上問題，本文采用脈沖方波信號作為激勵(lì)，設(shè)計(jì)了一種新型非磁性金屬平板遠(yuǎn)場渦流檢測傳感器，并仿真分析了激勵(lì)線圈長度、匝數(shù)，激勵(lì)與檢測線圈間距以及激勵(lì)信號占空比等參數(shù)變化對檢測結(jié)果的影響。在優(yōu)化后傳感器的基礎(chǔ)上，研究了其對平板上下表面缺陷的定量檢測能力。本文研究結(jié)果可以為脈沖遠(yuǎn)場渦流技術(shù)在非磁性金屬平板檢測中的應(yīng)用提供新的思路。

1 平板脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理

由于平板中遠(yuǎn)場渦流現(xiàn)象較難實(shí)現(xiàn)，本文采用UTC(U-type component)構(gòu)件罩于激勵(lì)和檢測線圈之上，用以模擬管道結(jié)構(gòu)。如圖1所示，傳感器由激勵(lì)和檢測線圈構(gòu)成，激勵(lì)線圈感應(yīng)出的磁場分為直接耦合分量和間接耦合分量，分別沿著兩條不同通道傳播。直接耦合分量在UTC結(jié)構(gòu)的作用下快速衰減，而間接耦合分量衰減較慢，在遠(yuǎn)場區(qū)間磁場間接耦合分量會(huì)強(qiáng)于直接耦合分量，并向上二次穿透平板。由于受到平板中缺陷的擾動(dòng)，二次穿透平板的磁場帶有缺陷信息，通過提取檢測信號便可實(shí)現(xiàn)對平板中缺陷的檢測[4-5]。

圖1 非磁性金屬平板遠(yuǎn)場渦流檢測原理示意圖

傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)加載正弦激勵(lì)信號，由于磁場間接耦合分量兩次穿透被測件，受到被測件的阻礙，其幅值會(huì)發(fā)生衰減，相位會(huì)發(fā)生滯后，因此其在檢測線圈上感應(yīng)出的瞬態(tài)信號相位也會(huì)滯后于激勵(lì)信號。當(dāng)被測件中存在缺陷時(shí)相當(dāng)于其厚度發(fā)生了變化，因此檢測信號相位也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的規(guī)律性變化，通過提取檢測信號相位變化量就可以實(shí)現(xiàn)對缺陷深度的定量檢測。而在脈沖激勵(lì)情況下，檢測線圈的感應(yīng)電壓信號如圖2所示，傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流檢測信號的“相位變化”體現(xiàn)為檢測信號最后一個(gè)過零時(shí)間的變化，通過提取過零時(shí)間作為特征量便可以實(shí)現(xiàn)對缺陷的定量檢測。

圖2 脈沖激勵(lì)下的檢測信號及所提取的特征量

2 平板脈沖遠(yuǎn)場渦流仿真模型的建立

采用ANSYS有限元仿真軟件建立平板脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測模型，其中平板長、寬均為200mm，厚為5mm，UTC長為132mm，內(nèi)部寬和高均為34mm，厚為5mm。平板與UTC相對磁導(dǎo)率均為1，電阻率均為2.65×10-8Ω.m。矩形激勵(lì)線圈長為20mm，高和寬均為30mm；檢測線圈繞制在相對磁導(dǎo)率為1000的“工”字型磁芯上，長為6mm，外半徑為4mm，厚度為2mm，與激勵(lì)線圈間距為20mm；繞線的相對磁導(dǎo)率均為1，電阻率均為1.724×10-8Ω.m。為了將模型更清晰的顯示，我們在繪圖時(shí)將UTC前板去掉，所得傳感器模型如圖3所示。

圖3 傳感器仿真模型

3 傳感器參數(shù)仿真優(yōu)化

3.1 激勵(lì)線圈匝數(shù)對檢測結(jié)果的影響

為了研究激勵(lì)線圈匝數(shù)變化對檢測結(jié)果的影響，本文仿真計(jì)算了激勵(lì)線圈分別為100匝，200匝和300匝時(shí)檢測線圈的感應(yīng)信號，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著激勵(lì)線圈匝數(shù)的減小，檢測信號幅值逐漸增大，同時(shí)最后一個(gè)過零時(shí)間減小，且過零特征更為明顯。仿真結(jié)果表明，激勵(lì)線圈匝數(shù)減少，有利于檢測信號中峰值和過零時(shí)間特征量的提取。因此在下文的仿真中激勵(lì)線圈匝數(shù)均設(shè)置為100匝。

圖4 激勵(lì)線圈匝數(shù)對檢測結(jié)果的影響

3.2 傳感器長度對檢測結(jié)果的影響

傳感器長度主要受到兩個(gè)參數(shù)影響：一個(gè)是激勵(lì)線圈長度，另一個(gè)是激勵(lì)與檢測線圈的間距。為了分析傳感器長度對檢測結(jié)果的影響，本文分別通過仿真分析了上述兩個(gè)參數(shù)變化時(shí)檢測信號的變化情況。

分別建立當(dāng)匝數(shù)為100匝，激勵(lì)線圈長度分別為20mm、30mm、40mm時(shí)的仿真模型，將三種模型計(jì)算所得檢測信號繪制成圖5。從圖中分析可知，當(dāng)激勵(lì)線圈長度增加時(shí)，感應(yīng)信號峰值和過零時(shí)間基本保持不變，但是檢測信號過零時(shí)間特征量更容易提取。在三種模型中，當(dāng)激勵(lì)線圈長為20mm時(shí)，感應(yīng)電壓信號間接耦合分量部分幅值更大，過零時(shí)間特征量更明顯。

圖5 激勵(lì)線圈長度對檢測結(jié)果的影響

傳統(tǒng)管道遠(yuǎn)場渦流檢測中激勵(lì)線圈和檢測線圈之間的距離通常為2～3倍的管徑[6]，為了研究脈沖激勵(lì)下的非磁性平板遠(yuǎn)場渦流檢測中激勵(lì)線圈與檢測線圈間距變化對檢測結(jié)果的影響，仿真分析了當(dāng)激勵(lì)與檢測線圈間距分別為5mm、10mm、20mm和30mm四種情況下檢測信號的變化情況，仿真結(jié)果如圖6所示。通過分析可以看出，當(dāng)激勵(lì)與檢測線圈間距5mm時(shí)，檢測信號中間接耦合分量特征消失，說明此時(shí)檢測線圈位于“近場區(qū)”。當(dāng)激勵(lì)與檢測線圈間距變大時(shí)，檢測信號幅值在不斷減小，同時(shí)其過零時(shí)間特征量也變得不明顯，不利于對缺陷進(jìn)行定量檢測。因此優(yōu)化后傳感器模型激勵(lì)與檢測線圈間距取10mm。

圖6 激勵(lì)與檢測線圈間距對檢測結(jié)果的影響

3.3 脈沖激勵(lì)信號占空比對檢測結(jié)果的影響

在鐵磁性金屬管道遠(yuǎn)場渦流檢測中，需要加載低頻激勵(lì)信號，通常為10～50Hz。但是非磁性金屬管道遠(yuǎn)場渦流檢測中，激勵(lì)信號頻率的選擇要遵循“感應(yīng)渦流‘集膚深度’與管壁厚度相當(dāng)”的原則[7]。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，此結(jié)論同樣適用于非磁性金屬平板的檢測，因此經(jīng)過計(jì)算，模型中線圈加載頻率為300Hz的脈沖方波激勵(lì)。在此基礎(chǔ)上分別仿真計(jì)算激勵(lì)信號占空比為5%、10%和50%時(shí)的檢測信號，并對其進(jìn)行比較，所得結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)激勵(lì)信號占空比為5%和10%時(shí)，檢測信號包含直接耦合分量和間接耦合分量，且具有過零時(shí)間特征量，但是進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)占空比為10%時(shí)感應(yīng)電壓間接耦合分量幅值更大，過零時(shí)間特征量更容易提取，因此當(dāng)激勵(lì)信號占空比為10%時(shí)傳感器檢測能力更強(qiáng)。當(dāng)激勵(lì)信號占空比增大至50%時(shí)，檢測信號波形發(fā)生了失真，過零時(shí)間特征量消失。綜上可知，在加載脈沖激勵(lì)信號時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募?lì)信號占空比。

圖7 脈沖激勵(lì)信號占空比對檢測結(jié)果的影響

4 非磁性金屬平板上下表面缺陷的定量檢測

在優(yōu)化后傳感器基礎(chǔ)上，分別建立兩組模型，第一組模型具有上表面缺陷，第二組模型具有下表面缺陷。兩組模型均計(jì)算缺陷深度分別為1mm、2mm、3mm和4mm時(shí)的檢測信號，為了便于觀察，將感應(yīng)信號過零時(shí)間特征量所在區(qū)域放大，如圖8、9所示。從圖中可以看出，在平板上、下表面缺陷兩組模型中，檢測信號的過零時(shí)間均隨著缺陷深度的增加而減小，表明過零時(shí)間這個(gè)特征量只體現(xiàn)平板厚度的信息，而與缺陷位于上表面還是下表面無關(guān)。

圖8 上表面不同深度缺陷對應(yīng)感應(yīng)信號

圖9 下表面不同深度缺陷對應(yīng)感應(yīng)信號

為了實(shí)現(xiàn)對缺陷的定量檢測，在局部放大圖中分別提取兩組模型不同缺陷深度對應(yīng)的感應(yīng)信號過零時(shí)間。上表面缺陷模型中缺陷深度分別為1mm、2mm、3mm和4mm時(shí)所對應(yīng)過零時(shí)間分別為1.311ms、1.270ms、1.236ms、1.200ms；下表面缺陷模型中缺陷深度分別為1mm、2mm、3mm和4mm時(shí)所對應(yīng)過零時(shí)間分別為1.334ms、1.313ms、1.284ms、1.242ms，過零時(shí)間與缺陷深度成一一對應(yīng)關(guān)系。

在實(shí)際檢測中，我們首先要進(jìn)行大量仿真，在仿真中設(shè)置不同深度的缺陷，并提取其檢測信號過零時(shí)間，建立缺陷深度與過零時(shí)間一一對照的數(shù)據(jù)庫，然后使用傳感器對被測平板進(jìn)行掃描，當(dāng)感應(yīng)信號過零時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，說明被測件中存在缺陷，此時(shí)通過提取檢測信號過零時(shí)間特征量，對比數(shù)據(jù)庫便可以測得缺陷深度。前期我們通過大量仿真驗(yàn)證，優(yōu)化后傳感器可以對深度為0.5～5mm范圍內(nèi)的缺陷進(jìn)行檢測。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型非磁性金屬平板脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器，并分析了此傳感器檢測原理。在此基礎(chǔ)上采用ANSYS軟件仿真建立了傳感器檢測模型，分析了傳感器激勵(lì)線圈匝數(shù)和長度、激勵(lì)與檢測線圈間距、脈沖激勵(lì)信號占空比等參數(shù)變化對檢測結(jié)果的影響，得到了優(yōu)化后傳感器模型。最后通過提取檢測信號最后一個(gè)過零時(shí)間作為特征量實(shí)現(xiàn)了對非磁性金屬平板上下表面缺陷的定量檢測。

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