姚立東，付躍文

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

脈沖渦流（pulsed eddy current，PEC）檢測是渦流檢測方法中的一個重要的分支，在航空航天領域有著重要的應用。目前，采用脈沖渦流檢測方法對飛機多層金屬結構檢測是一種非常有效地手段。相比較傳統(tǒng)渦流檢測，首先，其一個脈沖信號可以展開成無限多個諧波分量之和，在頻域中具有很寬的頻譜，因而檢測信號可以獲得試件多種參數(shù)信息，實現(xiàn)一次檢測掃描中，可同時獲得深層和淺層的缺陷信息；其次，在時域范圍內檢測信號依然富含豐富的信息，通過分析時域信號可直接對缺陷進行定量和定性分析［1－3］。

傳統(tǒng)的脈沖渦流以檢測線圈來檢測信號，而檢測線圈并不是直接測量磁場本身的大小，而是感應試件中渦流所產生磁場的變化率，對于低頻信號靈敏度低，而磁傳感器代替檢測線圈的優(yōu)勢在于檢測靈敏度高，檢測信號帶寬更寬，這種磁傳感器可直接將磁場按比例轉化為電壓值。巨磁阻（GMR）效應是指微弱的磁場變化可以使得某些材料的電阻值發(fā)生明顯變化，是一種材料的電阻率隨著材料磁化狀態(tài)發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。GMR除了具有較高的磁阻變化及對微弱的磁場高度敏感外，還具有良好的方向性，非敏感方向磁場對敏感方向磁場影響僅為15%～20%，GMR芯片可直接測量磁場大小［4－5］。

GMR芯片是由四個磁致電阻構成的惠斯登電橋結構，如圖1所示。其中Ucc為GMR芯片的供電電壓；R0為四個磁電阻初始阻值。對其中兩個做屏蔽處理，在無外加磁場時，輸出電壓Uout＝0；當外加磁場時，屏蔽兩個電阻阻值發(fā)生改變，其變化量為ΔR，則此時輸出電壓為：

圖1 GMR結構示意

在GMR線性工作區(qū)滿足關系ΔR＝KB，K為芯片線性度的常數(shù)，B為磁感應強度。令＝K0，則：Uout＝K0B，可以看出GMR芯片輸出只與磁感應強度大小有關系。使用MTG－T2F型全橋結構的GMR芯片，標稱阻值為190kΩ，工作電壓0～5V，工作磁場范圍（0±15）Gs，靈敏度為12mV／V／Oe，頻率響應范圍0～10MHz，線性度小于1%。

1 檢測原理

脈沖渦流檢測是通過對激勵線圈兩端施加電流脈沖激勵，在金屬試塊內部感應出渦流，測量渦流感應磁場和線圈產生磁場的疊加磁場大小來獲得金屬試塊內部信息。脈沖渦流檢測一般使用時域分析法。

圖2為脈沖渦流時域差分方法的示意。將探頭置于無缺陷位置處，GMR傳感器測出此時試塊中渦流感應磁場與線圈產生磁場疊加磁場的大?。y得信號如圖2中所示），取此信號為參考信號。若探頭移動至有缺陷位置處，則由于渦流遇到缺陷時，其傳播方向會發(fā)生偏轉，導致其渦流感應磁場發(fā)生畸變，GMR傳感器此時測出的疊加后的磁場曲線將與參考位置不再重合，如圖2中的缺陷信號所示。有缺陷時，檢測信號和參考信號的差分后信號將不為零，因此可通過觀察差分信號來判斷缺陷有無。若差分后信號有峰值出現(xiàn)，則表示此位置存在缺陷，反之，則說明此位置無缺陷。同時，試塊中缺陷大小與深度的不同，還將導致差分信號的峰值大小和峰值時間不相同，據(jù)此可以判斷缺陷的埋藏深度和缺陷當量大小［6－8］。

2 檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總設計

脈沖渦流檢測系統(tǒng)是基于模塊化的設計，系統(tǒng)包括軟件部分和硬件部分。硬件部分包括計算機、脈沖信號發(fā)生器、多層鋁合金試塊、傳感器模塊、信號調理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊；軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集及保存程序和信號處理程序，整套系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

圖2 脈沖渦流時域差分示意圖

圖3 GMR脈沖渦流檢測系統(tǒng)框圖

GMR脈沖渦流檢測系統(tǒng)以計算機為核心工作，計算機通過軟件程序控制數(shù)據(jù)采集卡工作，包括采集數(shù)據(jù)及控制調理電路工作，信號通過調理電路處理被采集、存儲和處理，數(shù)據(jù)采集同步性通過觸發(fā)脈沖來控制［9］。

2.2 傳感器設計

脈沖渦流檢測傳感器主要由線圈、GMR傳感器和導磁體構成。采用矩形線圈繞法，線圈內加導磁體，可以增大磁場強度，將GMR傳感器置于矩形線圈下方，離試塊更近，減小提離效應，以檢測到更小的畸變磁場，傳感器設計如圖4所示。

圖4 傳感器設計

圖4線圈尺寸長×寬×高為50mm×30mm×10mm，共繞600匝，線圈內部導磁體為鐵氧體，GMR芯片位于矩形線圈中心位置。

2.3 試塊設計

多層金屬結構試塊采用10層鋁合金板試塊疊合在一起，每塊鋁合金板規(guī)格為250mm×700mm×1mm。在其中一塊鋁合金板上制備長度分別為2，3，4，6mm 的穿透裂紋缺陷，寬度為0.39mm，兩端缺陷到邊緣距離為200mm，缺陷與缺陷之間距離為100mm，缺陷中心至上下邊緣距離為125mm，如圖5所示。10塊鋁合金板可任意分離組合，將帶有缺陷的鋁合金板分別放置于不同層，以達到測試不同深度缺陷的目的。

圖5 含缺陷鋁合金的試塊

3 試驗結果及分析

3.1 縱向跨過裂紋的掃描結果

基于GMR傳感器的脈沖渦流檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)對試塊的實時掃描檢測及分析，在粗掃描過程中若檢測信號有峰值出現(xiàn)，表示附近位置有缺陷的存在，經(jīng)過粗掃描定位后進行細掃描，找到差分后信號峰值最大位置處，此時，可粗略地認為探頭位于裂紋缺陷正上方。試驗分別對多層鋁合金裂紋試塊的2～6mm各深度裂紋缺陷檢測，具體差分后檢測信號峰值如表1所示。

表1 裂紋缺陷檢測差分后信號峰值電壓 V

從上表可以看出隨著缺陷埋藏深度的增加，系統(tǒng)檢測能力隨之下降，6mm深度處可檢測到的最小的裂紋缺陷為4mm，最小的2mm裂紋缺陷長度只有在4mm深度或小于4mm深度處信號才有明顯峰值出現(xiàn)。

根據(jù)脈沖渦流檢測原理，對于不同深度的裂紋缺陷，渦流在試塊中傳播時間隨深度增加而增加，在傳播過程中亦會有能量損失，對于同一深度裂紋缺陷，渦流傳播距離相同，峰值時間相同，其檢測信號峰值主要與裂紋缺陷大小有關。圖6為6mm裂紋缺陷檢測信號隨埋藏深度的變化圖形，圖7為2mm埋藏深度處2，3，4，6mm裂紋缺陷的檢測信號峰值變化圖。

故對于不同深度裂紋缺陷，其峰值出現(xiàn)的時間隨深度增加而增大，幅值隨之變小。對于同一深度裂紋缺陷，其檢測信號峰值出現(xiàn)時間相同，檢測信號峰值大小隨著裂紋缺陷長度增加其峰值變大。

3.2 與裂紋同向時的掃描結果

試驗同時發(fā)現(xiàn)，探頭在垂直裂紋缺陷移動時，檢測信號隨著探頭接近或者遠離裂紋缺陷會出現(xiàn)峰值的連續(xù)變化，而對于探頭在缺陷上方沿著缺陷橫向移動時，缺陷信號也會發(fā)生連續(xù)的變化，在探頭移動到達裂紋缺陷邊緣時，缺陷信號峰值漸變?yōu)榱?，當探頭繼續(xù)移動時缺陷信號出現(xiàn)向下的峰值。圖8所示為探頭位于試塊裂紋缺陷5個不同位置示意圖，圖9為探頭位于2mm深度處6mm裂紋缺陷上方，沿著缺陷橫向移動檢測信號波形圖的變化。

圖8 探頭位于試塊裂紋缺陷5個不同位置示意

探頭位于裂紋缺陷正上方第3位置時，檢測信號出現(xiàn)最大的峰值，探頭沿著缺陷向左右兩個方向移動時移動至2或4位置時檢測信號峰值消失，測得2和4位置之間的距離，此時可估算2和4位置之間的長度為裂紋缺陷的長度。隨著探頭繼續(xù)向1和5位置移動時，檢測信號出現(xiàn)向下為負值的峰值。根據(jù)其檢測信號峰值變化，可估計多層金屬結構裂紋走向，并可分析渦流在多層金屬試塊傳播時遇到裂紋缺陷時其渦流變化，如圖10所示。

圖10 渦流在多層金屬試塊傳播遇到裂紋缺陷后的變化

結合圖9，10分析，可推理出檢測信號出現(xiàn)峰值向下原因，感應渦流在多層金屬結構無缺陷處傳播時，感應渦流均勻分布向前傳播，當渦流遇到裂紋缺陷會改變其傳播方向，如圖10所示，位于多層鋁合金板裂紋缺陷中間位置處傳播的渦流可由缺陷上下方繞過傳播，而裂紋缺陷兩尖端處的渦流會有部分渦流由缺陷兩端繞過傳播。由右手螺旋定則可知，兩邊繞過的渦流會感應出相當于磁鐵N極和S極的磁場，該磁場在裂紋尖端附近的水平分量和原有磁場疊加的結果，均為增強原有磁場而不是減弱，又因為GMR是單軸傳感器，對垂直試塊方向感應磁場的敏感度幾乎為零，所以在裂紋缺陷兩尖端外磁場疊加后的檢測信號會出現(xiàn)向下峰值而不是像裂紋中間位置處一樣是向上峰值。

4 結論

通過使用矩形線圈和能夠產生巨磁電阻效應的GMR芯片設計傳感器，對多層鋁合金試塊的裂紋缺陷進行檢測。對于多層鋁合金試塊在4，5，6mm深度處可檢測到的最小裂紋長度依次為2，3，4mm，并通過對電磁場分析可得出峰值時間、峰值大小與深度的對應關系；同時，試驗通過探頭在裂紋缺陷上方橫向移動時，檢測信號峰值的變化來判斷裂紋缺陷走向，估算裂紋缺陷長度，及分析渦流在多層金屬試塊傳播過程中遇裂紋缺陷后渦流走向變化，并利用GMR單軸傳感器的特點分析其渦流及磁場變化，進而判斷出渦流所感應出磁場的分布情況。

［1］楊賓峰，羅飛路，楊玉華，等.脈沖渦流在飛機鉚接結構無損檢測中的應用研究［J］.計量技術，2005（12）：15－17.

［2］楊賓峰，羅飛路，楊玉華，等.飛機多層結構中裂紋的定量檢測及分類識別［J］.機械工程學報，2006，42（2）：63－67.

［3］DOGTRU T，SMITH S T.Giant magnetoresistancebased eddy－current sensor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2001，5（7）：3831－3838.

［4］DOGTRU T，SMITH S T.Edge crack detection using agiant magnetoresistance based eddy current sensor［J］.Nondestructive Testing and Evaluation，2000，16（1）：31－35.

［5］SMITH C H，SCHNEIDER R W，DOGARU T，et al.GMR magnetic sensor arrays for NDE eddy－current testing ［J］.AIP Conference Proceedings，2003，（657A）：419－426.

［6］SMITH R A，HUGO G R.Deep corrosion and crack detection in aging aircraft using transient eddy current NDE［C］／／Review of Progress in Quantitative NDE.America：Donald O.Thompson，1999：1401－1408.

［7］TIAN G Y，SOOPHIAN A，TAYLOR，et al.Multiple sensors on pulsed eddy current detection for 3－D subsurface crack assessment［J］.IEEE Sensors，2005，5（1）：90－96.

［8］MOULDER J C，BIEBER J A.Pulsed eddy－current measurements of corrosion and cracking in aging aircraft ［C］／／Materials Research Society Symposium Proceedings of Nondestructive Characterization of Materials in Aging Systems.USA：L.M.Robertson，1998：263－268.

［9］GIGUERE S，LEPINE B A，DUBOIS J M S.Pulsed eddy－current（PEC）characterization of material loss in multi－layer structures［J］.Canadian Aeronautics and Space Journal，2000，46（4）：204－208.