劉相彪，李勇，閆貝，陳振茂，齊勇

(西安交通大學 航天航空學院，機械結構強度與振動國家重點實驗室，核能結構安全檢測與完整性評價研究中心，陜西 西安 710049)

飛機機翼、核電管道等一般為多層金屬結構，該結構在復雜及惡劣的服役環(huán)境下，結構層間極易出現(xiàn)腐蝕缺陷，嚴重影響結構質量與安全。因而，對多層金屬結構層間腐蝕缺陷進行無損檢測及評估十分重要。層間腐蝕缺陷具有隱蔽性，因而傳統(tǒng)渦流[1-2]、超聲、射線等檢測手段很難對其進行行之有效地無損檢測及評估。脈沖渦流檢測[3-6]作為一種新型電磁無損檢測技術之一，具有激勵信號頻譜寬、檢測信號信息量豐富等優(yōu)點，對多層金屬結構深層和層間缺陷檢測具有優(yōu)勢。

近年來，國內(nèi)外學者對脈沖渦流檢測技術在金屬結構缺陷成像中的應用進行了研究[7-8]。研究表明，基于脈沖渦流檢測的缺陷成像技術可直觀反映缺陷位置、形狀等信息。然而，目前脈沖渦流檢測腐蝕缺陷成像技術尚存在對缺陷邊緣識別靈敏度低，成像效果差、缺陷評估精度低等不足之處。本研究組通過對脈沖渦流檢測技術的進一步研究，提出了基于磁場梯度測量的新型脈沖渦流檢測方法[9]，即脈沖渦流磁場梯度檢測方法，采用該方法可實現(xiàn)單層金屬結構材質劣化、裂紋和腐蝕缺陷的高效檢測及評估[10-11]?；谇捌谘芯砍晒狙芯客ㄟ^仿真和試驗研究，進一步探討脈沖渦流磁場梯度檢測方法在多層金屬結構層間腐蝕缺陷成像中的實現(xiàn)手段及優(yōu)勢性。

1 脈沖渦流磁場梯度檢測方法的仿真研究

目前，對于脈沖渦流檢測三維數(shù)值的仿真大多使用的是商用有限元軟件，存在對計算機性能要求高，仿真計算時間較長等問題。鑒于此，本研究采用基于退化磁矢位法[12-13]的脈沖渦流檢測有限元計算方法[11]，建立脈沖渦流磁場梯度檢測多層金屬結構層間腐蝕缺陷三維仿真模型，由于該方法不需要對激勵源劃分網(wǎng)格，因此仿真計算具有較高精度與效率，可實現(xiàn)缺陷掃查信號的高效計算。

本研究所建立的三維有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖

模型參數(shù)為：上層板尺寸200 mm×200 mm×1 mm，下層板尺寸200 mm×200 mm×4 mm，二者均為鋁板，其導電率為3.541 07 S/m，相對磁導率為1；設定的層間腐蝕缺陷位于下層板上表面，其尺寸為20 mm×20 mm×2.5 mm。檢測探頭包括盤式激勵線圈和2個磁場傳感器。盤式激勵線圈內(nèi)徑為10mm，外徑為15 mm，高為20 mm，匝數(shù)為1 500匝，線圈設計提離為0.5 mm。激勵電流信號為方波信號，最大幅值為0.8 A，頻率100 Hz，占空比50%。2個磁場傳感器位于激勵線圈中心軸的不同高度(高度差為0.5 mm)同時采集磁場信號，所拾取磁場信號的差值除以傳感器高度差即得磁場梯度信號。

檢測探頭掃查路徑如圖2所示。以缺陷中心為坐標原點，X軸方向從-20 mm處開始掃查至20 mm處結束，間隔為2 mm，共掃查21點。Y軸方向從-16 mm開始至16 mm結束，間隔為2 mm，共掃查17條。采用基于退化磁矢位法的脈沖渦流檢測有限元計算方法計算得到各掃查點處的磁場信號和磁場梯度信號，提取兩類信號峰值作為特征量，分別擬合得出信號峰值-探頭位置曲線。為了后續(xù)對磁場信號和磁場梯度信號進行比較，對掃查所得到的信號峰值-探頭位置曲線均進行了歸一化處理。

圖2 探頭掃查路徑

圖3為在Y=0處檢測探頭沿X軸掃查所得信號峰值-探頭位置曲線?？梢钥闯觯S著探頭接近缺陷中心區(qū)域，磁場信號峰值和磁場梯度信號峰值均增大，變化趨勢一致。

圖3 信號峰值-探頭位置歸一化曲線

為了便于比較磁場信號和磁場梯度信號對缺陷邊緣識別的靈敏度，對信號峰值-探頭位置曲線進行求導，結果如圖4所示。從圖4可以看出，在缺陷邊緣處，磁場梯度信號峰值變化率大于磁場信號峰值變化率，說明脈沖渦流磁場梯度檢測方法對缺陷邊緣識別的靈敏度更大。

圖4 磁場梯度信號與磁場信號靈敏度曲線

將掃查所得到的17條信號峰值-探頭位置曲線輸入Matlab程序中進行缺陷成像，為了提高成像分辨率，對原始成像結果進行三次樣條插值，結果如圖5、圖6所示，其中實線為層間腐蝕缺陷的實際邊界。

圖5 磁場梯度信號缺陷成像圖

圖6 磁場信號缺陷成像圖

為了使成像效果更為直觀，對圖5、圖6進行閾值處理。設定閾值為0.7，背景像素值為1(白)，目標處像素為0(黑)，閾值處理后的成像結果如圖7、圖8所示，其中實線為層間腐蝕缺陷實際邊界。從圖中可以直觀看出，磁場梯度信號的成像結果可更為有效地描述層間腐蝕缺陷輪廓。由此可見，脈沖渦流磁場梯度檢測方法對層間腐蝕缺陷的成像具有顯著優(yōu)勢。

圖7 閾值處理后的磁場梯度信號缺陷成像圖

圖8 閾值處理后的磁場信號缺陷成像圖

2 脈沖渦流磁場梯度檢測層間腐蝕缺陷成像試驗研究

2.1 試驗系統(tǒng)

本研究所開發(fā)的脈沖渦流磁場梯度檢測試驗系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、差分放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集處理、探頭以及試件等部分組成。信號發(fā)生器(NF公司，WF1944B)用以產(chǎn)生方波激勵信號。功率放大器(NF公司，HSA4014)用于將激勵信號進行放大以驅動探頭。差分放大器(NF公司，P61)將采集所得的檢測信號(磁場梯度信號和磁場信號)進行放大。由于檢測信號噪聲主要集中在高頻部分，采用濾波器(NF公司，P63)對信號進行低通濾波。數(shù)據(jù)采集卡(ADLINK PCI-9812)用以實現(xiàn)前置處理所得信號的數(shù)據(jù)采集，配合LabVIEW程序實時顯示檢測信號、提取信號峰值、獲取缺陷掃查曲線。

檢測探頭由1個盤式激勵線圈和2個霍爾傳感器(Hall，SS495A)組成。激勵線圈內(nèi)徑為10 mm，外徑為15 mm，高為20 mm，匝數(shù)為1 500匝。2個霍爾傳感器放置于激勵線圈中心軸的不同高度(高度差為0.5 mm)，2個傳感器所拾取磁場信號的差值除以傳感器高度差即得磁場梯度信號。

檢測試件為緊密貼合的雙層鋁板，上層板尺寸為200 mm×200 mm×1 mm，下層板尺寸為200 mm×200 mm×4 mm，層間腐蝕缺陷(20 mm×20 mm×2.5 mm)位于下層板表面。

2.2 試驗結果及分析

試驗中采用幅值為3.5 V，頻率100 Hz，占空比為50%的脈沖方波作為激勵信號，采用功率放大器對脈沖激勵信號放大10倍以提高激勵線圈磁場強度。對檢測信號(磁場梯度信號和磁場信號)分別進行了差分處理，將差分后的信號放大10倍并進行低通濾波(截止頻率為15 kHz)，利用數(shù)據(jù)采集卡同步采集前置處理所得磁場梯度信號和磁場信號，如圖9、圖10所示。

圖9 磁場梯度信號實測波形

圖10 磁場信號實測波形

從圖9、圖10可以看出，磁場梯度信號和磁場信號均有明顯的峰值特征，故在后續(xù)掃查(探頭掃查路徑如圖2所示)中，利用LabVIEW程序實時提取信號峰值作為特征量，擬合獲取信號峰值-探頭位置掃查曲線。將掃查曲線輸入Matlab進行成像處理，為了提高成像分辨率，對原始成像結果進行了三次樣條插值處理。磁場梯度信號和磁場信號缺陷成像結果如圖11，圖12所示，圖中實線框顯示了檢測試件層間腐蝕缺陷的實際邊界。

圖11 磁場梯度信號缺陷成像圖

圖12 磁場信號缺陷成像圖

對圖11、圖12進行閾值處理，設定閾值為0.7，背景像素值為1(白)，目標處像素為0(黑)，閾值處理后的成像結果如圖13、圖14所示，圖中實線為檢測試件層間腐蝕缺陷實際邊界。

圖13 閾值處理后的磁場梯度信號缺陷成像圖

圖14 閾值處理后的磁場信號缺陷成像圖

從成像結果可見，基于脈沖渦流磁場梯度檢測的層間腐蝕缺陷成像結果可更為有效地描述缺陷輪廓，該結論與仿真分析結論相一致。仿真和試驗研究均表明，脈沖渦流磁場梯度檢測方法可對多層金屬結構層間腐蝕缺陷進行高精度成像。

3 結 論

1)基于退化磁矢位法，建立了脈沖渦流磁場梯度檢測多層金屬結構層間腐蝕缺陷三維有限元模型，仿真分析了脈沖渦流磁場梯度檢測方法在多層金屬結構層間腐蝕缺陷成像中的有效性和優(yōu)勢性。

2)搭建了脈沖渦流磁場梯度檢測試驗系統(tǒng)，通過試驗，進一步驗證了仿真結論。仿真和試驗研究結果表明：與傳統(tǒng)脈沖渦流檢測方法相比，脈沖渦流磁場梯度檢測方法有效提升了多層金屬結構層間腐蝕缺陷邊緣識別靈敏度，具有較高的缺陷成像精度。

參考文獻：

[1] 李玉軍, 梁琨, 郭會軍. 最小二乘支持向量機在多層金屬膜厚度檢測中的應用[J]. 西安理工大學學報, 2010, 26(3):345-350.

Li Yujun, Liang Kun, Guo Huijun. Application of least square support vector machine in measuring the thickness of multiple layers metal film [J]. Journal of Xi'an University of Technology, 2010, 26(3):345-350.

[2] 李天鵬, 何綱, 王圣玉, 等. 單個電渦流傳感器多參數(shù)在線測量[J]. 西安理工大學學報, 2003, 19(3):269-271.

Li Tianpeng, He Gang, Wang Shengyu, et al. Multi-parameter of on-line measurement with single Eddy-Current sensor[J]. Journal of Xi'an University of Technology, 2003, 19(3):269-271.

[3] 周德強, 李勇, 張秋菊, 等. 脈沖渦流金屬厚度檢測信號及其特征提取[J]. 中國機械工程, 2012, 23(15):1771-1773,1778.

Zhou Deqiang, Li Yong, Zhang Qiuju, et al. Feature extraction of pulsed eddy current signals on metal thickness measurement[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(15):1771-1773, 1778.

[4] 李勇, 齊勇, 陳振茂, 等. 基于脈沖渦流差分信號提離交匯點的亞表面層材質劣化檢測技術理論研究[J]. 無損檢測, 2012, 34(7):1-10.

Li Yong, Qi Yong, Chen Zhenmao, et al. Evaluation of subsurface material degradation based on a new lift-off intersection point of pulsed eddy current [J]. Nondestructive Testing, 2012, 34(7):1-10.

[5] 齊勇, 李勇, 陳振茂, 等. 一種新型脈沖渦流提離交匯點的實驗研究[J]. 空軍工程大學學報, 2012, 13(6):80-84.

Qi Yong, Li Yong, Chen Zhenmao, et al. Experimental investigation on a new lift-off intersection point of pulsed eddy current testing[J]. Journal of Air Force Engineering University, 2012, 13(6):80-84.

[6] Li Yong, Chen Zhenmao, Qi Yong. Generalized analytical expressions of liftoff intersection in PEC and a liftoff-Intersection-based fast inverse model [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(10):2931-2934.

[7] 王雅萍, 朱目成, 周肇飛, 等. 亞表面缺陷的實時成像檢測[J].光電工程,2006, 33(5):108-112.

Wang Yaping, Zhu Mucheng, Zhou Zhaofei, et al. Real-time imaging testing for sub-surface defects[J]. Opto-Electronic Engineering, 2006,33(5):108-112.

[8] 唐鶯, 潘孟春, 羅飛路, 等. 陣列脈沖渦流腐蝕缺陷成像檢測技術研究[J]. 計算機測量與控制, 2007, 15(9):1151-1153.

Tang Ying, Pan Mengchun, Luo Feilu, et al. Research on array pulsed eddy current imaging technique used to detect corrosion [J]. Computer Measurement & Control, 2007, 15(9):1151-1153.

[9] 齊勇, 李勇, 陳振茂, 等. 基于暫態(tài)磁場梯度信號的脈沖渦流無損檢測和定量評估技術[J]. 無損檢測, 2011, 34(10):3-45.

Qi Yong, Li Yong, Chen Zhenmao, et al. Research on pulsed eddy current testing using measurement of transient gradient magnetic field[J]. Nondestructive Testing, 2011, 34(10):3-45.

[10] Li Yong, Qi Yong, Chen Zhenmao, et al. Pulsed eddy current testing based on gradient magnetic field measurement [C]. 2012 Sixth international conference on electromagnetic field problems and applications, Dalian,China, 2012.

[11] 齊勇，李勇，劉相彪，等. 基于GMFM的脈沖渦流檢測亞表面腐蝕缺陷成像技術[J]. 空軍工程大學學報, 2013, 14(5):63-66,94.

Qi Yong, Li Yong, Liu Xiangbiao, et al. Research of pulsed eddy current testing for defect imaging based on gradient magnetic field measurement[J]. Journal of Air Force Engineering University, 2013, 14(5):63-66,94.

[12] 肖美華, 陳振茂, 李勇, 等. 多層管HIP焊接界面脫粘渦流檢測數(shù)值模擬研究[J]. 失效分析與預防, 2013, 8(2):65-68.

Xiao Meihua, Chen Zhenmao, Li Yong, et al. Numerical study on feasibility of ECT for detection of delamination defect in HIP welding of multilayer tubes[J]. Failure Analysis and Prevention, 2013, 8(2):65-68.

[13] Chen Zhenmao, Mihai Rebican, Kenzo Miya, et al. 3D simulation of remote field ECT by using Ar method and a new formula for signal calculation[J]. Research in Nondestructive Testing, 2005, 16 :35-53.