李 超,張志杰,韓 寧,趙晨陽

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，太原 030051)

0 引言

渦流傳感技術(shù)以其非接觸、檢測速度快、可靠性高、適用于所有導(dǎo)電材料等優(yōu)點(diǎn)被引入無損檢測領(lǐng)域[1-3]。在典型的ECT系統(tǒng)中，激勵線圈用來在試件中產(chǎn)生渦流，磁傳感器(如檢測線圈、霍爾、巨磁電阻、隧道磁電阻和各向異性磁電阻)用來提取缺陷的特征信號。GMR芯片具有體積小、易于集成、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，克服了線圈探頭靈敏度受激勵頻率影響的缺點(diǎn)，從而它能適應(yīng)不同深度缺陷的檢測要求，得到了廣泛的應(yīng)用。Postolache O等人[7]提出了一種優(yōu)化的均勻渦流探針結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)平面激勵線圈、一個(gè)矩形磁場偏置線圈和一個(gè)GMR磁傳感器陣列，該結(jié)構(gòu)可以在較低的頻率下驅(qū)動探針，從而在較厚的結(jié)構(gòu)中檢測缺陷。Matthew D等人[8]采用GMR傳感探頭檢測纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中缺陷的位置和尺寸，檢測水平可達(dá)1 mm。

在電磁渦流檢測中，由于微裂紋的干擾，產(chǎn)生一個(gè)非平穩(wěn)的特征信號，該信號是瞬態(tài)的，通常很弱(通常為μT級)。該信號易受配套測試系統(tǒng)和環(huán)境噪聲的影響。因此，采用合適的去噪方法從被測信號中提取有用信息具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。小波分析具有多分辨率計(jì)算的特點(diǎn)，能夠在時(shí)域和頻域上刻畫信號的局部特征，時(shí)間窗和頻率窗可以根據(jù)信號的具體形狀動態(tài)地調(diào)整[9-12]。戴旭等[12]提出了一種新的瞬態(tài)電磁數(shù)據(jù)去噪策略，去噪過程的基本思想是保持重建信號所需的系數(shù)不變，并將其他系數(shù)設(shè)為零。Ji，YJ等[13]提出了一種基于小波分析的時(shí)域電磁(TEM)數(shù)據(jù)去噪(背景噪聲和隨機(jī)尖峰)方法，處理后的信號信噪比由10.97 dB提高到24.37 dB。

本文對渦流探頭的參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試系統(tǒng)。研究了DB小波在暫態(tài)微弱信號檢測中的應(yīng)用，取得了良好的效果。優(yōu)化后的探頭和系統(tǒng)可以達(dá)到200 μm的檢測水平，可以檢測出試樣表面以下5 mm處的缺陷。

1 理論分析與仿真

1.1 渦流傳感原理

在激勵線圈中通入一定頻率正弦交流電時(shí)，激勵線圈會在周圍空間產(chǎn)生電磁場B1，電磁場B1會在被測金屬樣品中形成感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流又會在周圍空間產(chǎn)生磁場B2，結(jié)果如圖1所示。利用GMR芯片檢測缺陷的依據(jù)是：不同尺寸，方向的缺陷對于感應(yīng)渦流的影響不同，產(chǎn)生的磁場B2也不相同，磁場B1和B2的疊加磁場也會發(fā)生變化，GMR芯片的輸出也會發(fā)生變化。根據(jù)GMR芯片輸出的變化金屬中是否存在缺陷，以及缺陷的位置。如圖1所示。

圖1 渦流檢測示意圖

空間交變磁場B1激發(fā)的渦流場I2密集分布在金屬表面，沿縱向深度迅速衰減的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。渦流集膚效應(yīng)是金屬表面缺陷檢測中必須考慮的重要因素。利用由所謂趨膚效應(yīng)控制的電磁波穿透深度，可以探測到內(nèi)部缺陷。當(dāng)激勵磁場B1ej2πft垂直于導(dǎo)電材料的x-y平面施加時(shí)，根據(jù)麥克斯韋方程，感應(yīng)渦流分量[14]如式(1)：

(1)

其中：μ為磁導(dǎo)率，σ樣品的電導(dǎo)率，Ix0和Iy0為感應(yīng)電流的x和y分量，材料表面的相位滯后。式(1)中的第一個(gè)指數(shù)項(xiàng)表示感應(yīng)電流隨材料內(nèi)深度z(即表皮深度)的衰減，表皮效應(yīng)的深度δ在衰減到Ix0/e時(shí)表示為：

(2)

從方程(2)可以看出，渦流能穿透特定金屬材料的深度僅取決于外部線圈的激勵頻率。

1.2 仿真模型

基于Ansoft Maxwell軟件中渦流場分析平臺的探頭線圈和缺陷樣品模型如圖2所示，激勵線圈模型為管狀實(shí)心導(dǎo)體，其厚度等于漆包銅線的疊加厚度，模型及求解參數(shù)見表1。我們通過在特定的應(yīng)用環(huán)境中仿真優(yōu)化探針。

趨膚深度與激勵頻率的關(guān)系如圖3所示，可作為實(shí)驗(yàn)中選擇激勵頻率的依據(jù)。從圖中可以看出，趨膚深度主要受激勵頻率的影響。隨著激勵頻率的增加，趨膚深度近似呈指數(shù)下降，如擬合方程(3)所示。當(dāng)頻率大于1 kHz時(shí)，鋁板的趨膚深度小于4 mm，只能檢測到材料表面附近的缺陷。

f(x)=8.2×e0.79x+1.323

(3)

表1 模型及求解參數(shù)

圖2 仿真模型和網(wǎng)格單元

圖3 趨膚深度與激發(fā)頻率的關(guān)系

渦流密度隨激勵電流的增加而顯著增加，但滲透深度沒有明顯變化，如圖4所示。

圖4 不同激勵電流下金屬板的縱向渦流密度分布

考慮到檢測的金屬表面和亞表面可能存在的微裂紋，探頭的激勵頻率應(yīng)低于2 kHz，使激勵線圈產(chǎn)生的渦流達(dá)到有效深度，通過選擇合適的電流值，可以得到實(shí)際可測量的缺陷信號。

1.3 勵磁頻率和電流的優(yōu)化分析

為了更好地分析GMR芯片的響應(yīng)規(guī)律，我們選擇缺陷擾動下的絕對磁場(ΔB)的變化作為特征量，數(shù)據(jù)源是模型中提離距離為1 mm的勵磁線圈的中心點(diǎn)Q(如圖2所示)。圖5顯示了當(dāng)施加不同的激勵頻率和電流時(shí)，在表面缺陷的干擾下，ΔB的變化，從圖中可以看出，對于表面缺陷的檢測，由于趨膚效應(yīng)的存在，ΔB的值隨著激勵頻率的增加而增加，最好選擇激勵頻率介于1 kHz和10 kHz之間。這是因?yàn)榧铑l率的增加會使趨膚效應(yīng)更加明顯，表面渦流會增加，然后產(chǎn)生的磁標(biāo)度電位會增加[15]。因此，由于導(dǎo)體的存在，絕對磁場的變化量將會增加。

圖5 電流與磁場變化的關(guān)系

對于亞表面缺陷，仿真中給出了不同的規(guī)則。研究中設(shè)置了3個(gè)不同深度的亞表面缺陷，仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，在低頻(2 kHz以下)激勵下，特征量B先增大后減小，最大值出現(xiàn)在0.5 kHz處，且該最大值隨激勵電流的增大而增大。然而，在高頻(大于2 kHz)激勵下，該特征量相對較小，且隨激勵電流的增大而減小。含有亞表面缺陷的金屬板的整體響應(yīng)曲線是非單調(diào)的，特別是在高頻激勵下，會出現(xiàn)多個(gè)極值。

圖6 亞表面缺陷的結(jié)果

這三組缺陷模型在低頻激勵下的響應(yīng)模式是一致的，但在高頻激勵下的響應(yīng)模式是發(fā)散的，更加復(fù)雜。對于1mm以內(nèi)的淺表缺陷，隨著激勵電流的增大，高頻渦流的表皮深度隨著激勵電流的增大而減小。然而，對于大于1mm的深部缺陷，模型在高頻下的響應(yīng)是相反的，并且隨著激勵電流的增加，該值增加。

隨著缺陷深度的增加，|ΔB |達(dá)到最大值時(shí)的激勵頻率略有下降，且在以轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率為中心的頻帶內(nèi)，|ΔB |的值迅速衰減。因此，可以得到平板缺陷檢測激勵頻率的選擇準(zhǔn)則，如圖7所示，適當(dāng)增大激勵電流可以得到更好的檢測結(jié)果。

圖7 頻率選擇參考范圍

1.4 動態(tài)掃描模擬

仿真分析了探頭掃掠鋁板表面的動態(tài)過程。在探頭由左向右移動的過程中，鋁板模型上設(shè)置的缺陷將切斷探頭在鋁板中激發(fā)的渦流場，渦流密度在缺陷擾動作用下由強(qiáng)變?nèi)?，再由弱變?qiáng)。當(dāng)探頭掃描到缺陷中心時(shí)，缺陷截面上渦流矢量的分布如圖8所示。當(dāng)缺陷被z方向的渦流掃描時(shí)，y方向的渦流在缺陷的橫截面上產(chǎn)生，缺陷的兩個(gè)截面上的y方向的渦流在相反的方向旋轉(zhuǎn)。

圖8 缺陷部分上的渦流矢量分布(掃描到缺陷中心時(shí))

當(dāng)確定激勵頻率、探頭尺寸和掃描方案時(shí)，激勵電流和探頭提離距離會影響實(shí)際檢測結(jié)果。因此，模擬不同電流和提離距離條件下的掃描過程，提取Q點(diǎn)磁場強(qiáng)度B的y向分量作為特征量，結(jié)果如圖9所示。By的振幅強(qiáng)度隨激勵電流的增大而增大，隨提離距離的增大而減小。因此，為了保證被測信號在GMR芯片的線性范圍內(nèi)，應(yīng)選擇合適的勵磁電流和起振值。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)方法與系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

探針掃描方向的確定需要考慮實(shí)驗(yàn)中使用的GMR傳感器。GMR芯片只對特定方向的磁場變化敏感，而對其他方向的磁場變化不敏感，該方向稱為GMR的敏感軸，即被測磁場在GMR敏感軸上的投影分量是有效的。

如圖10所示，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中使用的NVE-AAH002-02E型GMR傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，可以得到靈敏度與磁場方向的關(guān)系如下：

Sθ=S0cosθ

(4)

圖10 GMR傳感器的敏感軸和探頭掃描方向

其中Sθ是磁場方向與GMR靈敏軸之間的夾角為θ時(shí)的靈敏度。S0是角度變?yōu)榱銜r(shí)的靈敏度(標(biāo)準(zhǔn)靈敏度)，因此y方向磁場分量的變化將是GMR芯片輸出變化的主要原因。當(dāng)GMR磁敏軸的方向與探頭的掃描方向平行時(shí)，得到的掃描曲線為峰谷形式，優(yōu)于垂直掃描(敏感軸的方向與掃描方向垂直)。本文首先采用平行掃描的方法。

為了測試探針的性能，我們制作了一個(gè)帶有人為缺陷的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖11所示，其中樣品(a)上的缺陷具有不同的寬度，樣品(b)上的缺陷具有不同的長度。4個(gè)亞表面缺陷和橫截面圖如(c)所示，我們用探針掃描了(c)部分的前后表面。兩個(gè)缺陷之間的距離為40 mm，以確保缺陷不會相互影響。試樣材質(zhì)為6A02鋁合金，長、寬、厚分別為200 mm、2 000 mm、6 mm。

圖11 實(shí)驗(yàn)樣品

由于金屬產(chǎn)生的裂紋方向是任意的，因此應(yīng)從不同方向掃描人造裂紋，以研究裂紋方向的識別方法以及探頭掃描方向與方向之間的夾角。實(shí)驗(yàn)中的缺陷如圖12所示。

圖12 掃描方向

2.2 檢測系統(tǒng)

0o檢測系統(tǒng)由傳感器模塊、激勵信號產(chǎn)生模塊、功率放大模塊、信號調(diào)理模塊和信號采集顯示模塊組成，信號調(diào)理模塊包括前置放大器、帶通濾波、鎖相放大和低通濾波，如圖13所示，系統(tǒng)參數(shù)和探頭參數(shù)見表2。

圖13 渦流探頭和缺陷檢測系統(tǒng)

頻率控制字和相位控制字由單片機(jī)發(fā)送到信號發(fā)生器，產(chǎn)生特定頻率和幅度的正弦信號，經(jīng)功率放大后加載到探頭激勵線圈上，待測信號由安裝在探頭底部中心的GMR芯片接收。由于GMR芯片的輸出信號小于200 mA，淹沒在噪聲信號中，需要用前置放大器對其進(jìn)行精確放大。信號經(jīng)帶通濾波器濾波后，送入鎖相放大模塊進(jìn)行解調(diào)，得到信號的實(shí)部和虛部，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，再經(jīng)上位機(jī)計(jì)算，可以得到信號的幅度和相位信息。

表2 系統(tǒng)參數(shù)和探頭

基于Labview平臺，上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示等功能。

實(shí)驗(yàn)中使用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示，選用NVE公司的AAH002-02E型GMR芯片作為高靈敏度的磁敏元件，采用恒流而非傳統(tǒng)的恒壓傳感器電源來提高芯片的溫度穩(wěn)定性，探頭實(shí)物圖如圖14所示。集成GMR的小尺寸探針有利于缺陷位置的準(zhǔn)確檢測和定位，是陣列探針研究的前提。

檢測系統(tǒng)中各模塊硬件實(shí)現(xiàn)如下所述：

1) 信號發(fā)生器：本系統(tǒng)采用AD公司的AD9850芯片為激勵線圈提供所需要的激勵信號。該芯片采用的 DDS技術(shù)，其本質(zhì)是一種分頻器，通過對頻率控制字進(jìn)行編程的方式對系統(tǒng)時(shí)鐘(system clock)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生所需要的頻率。本系統(tǒng)采用并行的控制方式，AD9850的D0～D7引腳接單片機(jī)I/O，CLKIN引腳接125 M晶振，復(fù)位引腳RST、時(shí)鐘信號引腳WLCK、頻率更新引腳FQ_UD分別接到單片機(jī)對應(yīng)的引腳，在編程中要用到。

圖14 探頭和驅(qū)動電路

2) 功率放大器：由AD9850產(chǎn)生的信號的功率太小，需要對信號的功率進(jìn)行放大，提高電路的驅(qū)動能力才能在激勵線圈中產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場。本系統(tǒng)采用美國國家半導(dǎo)體公司集成功率放大器LM1875。本系統(tǒng)采用單電源供電方式，前一級產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過濾波器濾波后輸入到LM1875的WAVE1引腳，經(jīng)過功放后有SIN WAVE引腳輸出。

3) 前置放大器：本系統(tǒng)采用高阻差分AD620儀表放大模塊作為前置放大電路。該芯片具有高精度，低失調(diào)電壓等優(yōu)點(diǎn)，只需要外接一個(gè)電阻RG就可以設(shè)置各種增益(1～10 000)。其中1，8引腳之間接RG，2，3引腳為差分輸入，引腳6作為放大輸出。

4) 鎖相放大器：鎖相放大模塊是系統(tǒng)的重要組成部分。它能有效地從噪聲中提取微弱目標(biāo)信號，并對信號進(jìn)行向敏解調(diào)，獲得信號的幅度和相位信息。主要由乘法器和積分器組成。乘法器一般采用開關(guān)式乘法器，積分器主要由低通濾波器組成。本系統(tǒng)采用AD公司的AD633JN，這是一款功能完整的四象限模擬乘法器。其中1，2引腳為信號的輸入，3，4引腳為信號2的輸入，5，8為供電電壓段。具體實(shí)現(xiàn)如圖15所示，其中Vin和Vref分別指輸入信號和參考信號。

圖15 鎖相放大器模塊

2.3 GMR傳感器的標(biāo)定

由于實(shí)際測試中使用的激勵信號的頻率在0至100 kHz之間，因此有必要在該頻率范圍內(nèi)校準(zhǔn)傳感器的頻率特性，以確保輸出信號不會衰減。校準(zhǔn)裝置如圖16所示，它可以產(chǎn)生具有寬帶高頻特性的激勵磁場，主要由帶電的長直線和磁屏蔽管產(chǎn)生的磁場組成。校準(zhǔn)結(jié)果如圖17所示，幅頻特性曲線的振幅在100 Hz至100 kHz之間恒定。

圖16 校準(zhǔn)裝置

圖17 GMR傳感器的幅頻特性曲線

3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在設(shè)計(jì)探頭和檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合掃描臺和待測樣品，搭建檢測平臺，如圖18所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，電磁探針被安裝在傳感器支架上，傳感器支架上有一個(gè)可調(diào)節(jié)的高度計(jì)，用來改變傳感器的高度和方向。測量儀的精度為8 μm。掃描臺由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)可以在二維內(nèi)移動，以驅(qū)動樣品在X和Y軸上移動。該自動掃描臺最大掃描速度可達(dá)100 mm/s，行程長度為200 mm，分辨率為0.2 μm，為掃描小缺陷提供了良好的空間精度。

圖18 檢測平臺

3.2 結(jié)果分析

來自電路和環(huán)境的噪聲信號疊加在系統(tǒng)的輸出曲線上，因此有必要選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)一步降低噪聲。小波分析克服了單分辨率短時(shí)傅里葉變換的缺點(diǎn)，具有多分辨率分析的特點(diǎn)，能夠在時(shí)域和頻域上刻畫信號的局部特征。時(shí)間窗和頻率窗都可以根據(jù)信號的具體形狀進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并且是自適應(yīng)的。因此非常適合于金屬表面檢測中瞬態(tài)信號的處理，并將該算法集成到上位機(jī)的Labview程序中，處理結(jié)果如圖19所示，系統(tǒng)的信噪比提高了15.68 db。

圖19 兩層DB小波處理的結(jié)果

基于圖18中的檢測平臺，使用第二節(jié)中描述的實(shí)驗(yàn)方法，對具有不同寬度、長度和深度的缺陷的樣品進(jìn)行檢測，同時(shí)對亞表面缺陷進(jìn)行了檢測。圖20為小波去噪后不同長度缺陷的測量結(jié)果。

圖20 系統(tǒng)輸出信號及處理

從圖中可以看出，隨著缺陷長度的增加，輸出信號的幅度增大，發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺陷長度小于20 mm時(shí)，信號的形式為單峰，當(dāng)缺陷長度大于20 mm時(shí)，信號的形式為雙峰。通過選擇第一峰值P1作為缺陷的特征信號，圖21示出了8個(gè)不同長度的缺陷(如圖11所示)的檢測結(jié)果。隨著激勵頻率的增大，P1值增大，當(dāng)激勵頻率大于5 kHz時(shí)，P1值不會有明顯的增大，這與仿真結(jié)果一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷長度大于30 mm時(shí)，P1的增加值變小，這與勵磁線圈產(chǎn)生的渦流的覆蓋有關(guān)。

圖21 8種不同長度(表面)缺陷的檢測結(jié)果

不同寬度缺陷的檢測結(jié)果如圖22所示?？梢钥闯觯卣餍盘朠1的值與缺陷的寬度成線性關(guān)系，并且隨著頻率的增加而增大。P1和P2之間的距離Δx也可以表征缺陷的寬度，并且Δx的值獨(dú)立于激勵頻率、激勵電流和探頭提離距離。

圖22 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于亞表面缺陷的檢測，通過施加低于1 kHz的激勵信號，可以檢測到表面以下5 mm的缺陷，并且振幅信號的形式呈現(xiàn)出單峰，如圖23(a)所示。隨著缺陷深度的增加，特征響應(yīng)近似呈指數(shù)衰減，輸出電壓P的幅值與缺陷深度d的關(guān)系擬合為方程(5)，這與合金板中渦流密度的指數(shù)衰減是一致的。在500 Hz的激勵頻率下，增加激勵電流可以顯著增加缺陷的響應(yīng)幅度，如圖23(b)所示。

圖23 結(jié)果顯示

不同方向的掃描結(jié)果如圖24所示。隨著缺陷方向的旋轉(zhuǎn)，特征信號的幅度減小，峰間距離增大。

圖24 不同方向的掃描結(jié)果

綜上所述，對于金屬板表面缺陷的檢測，可以利用高頻激勵信號獲得高信噪比和明顯的特征信號，利用特征信號的峰值和峰谷距離來表征缺陷的大小。對于亞表面缺陷的檢測，利用1 kHz以下的激勵信號可以獲得顯著的特征信號，加深檢測深度，這與仿真和理論分析的結(jié)果一致。不同方向的掃描結(jié)果表明，波峰與波谷之間的距離也與掃描方向上缺陷的截面寬度有關(guān)。

4 結(jié)束語

本文研究了渦流技術(shù)在金屬表面缺陷檢測中的應(yīng)用，通過有限元仿真平臺，模擬了探頭的動態(tài)掃描給過程，并分析了激勵頻率、激勵電流大小和提離高度對檢測結(jié)果的影響。通過設(shè)計(jì)基于GMR芯片的渦流探頭并搭建相應(yīng)的檢測系統(tǒng)對鋁合金6A02進(jìn)行了檢測。通過采用DB小波對電磁信號進(jìn)行濾波處理，取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)表明，該探針可以檢測金屬表面以下5 mm處的缺陷。