張國(guó)才，謝小榮，劉永釗，馮炎青，游泳

1. 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 數(shù)理與土木工程學(xué)院，珠海 519088 2. 珠海摩天宇航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修有限公司， 珠海 519030

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中重要部件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)葉片經(jīng)常受到?jīng)_擊、摩擦，同時(shí)還要在很高的溫度和很大的氣動(dòng)負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷下工作，承受高溫燃?xì)獾难趸蜔岣g[1]，其工作環(huán)境十分惡劣，容易出現(xiàn)各種表面變形、疲勞裂紋、劃傷、凹坑等缺陷，當(dāng)損傷嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡[2-3]。因此對(duì)葉片的在役檢測(cè)就顯得尤為重要。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)方法主要有目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)[4-5]、渦流檢測(cè)、超聲相控陣檢測(cè)[6-7]以及X射線檢測(cè)方法[8]。在這幾種方法中，由于渦流檢測(cè)具有無(wú)需耦合劑、對(duì)表面及近表面缺陷檢測(cè)靈敏度高、適合自動(dòng)化檢測(cè)而被廣泛應(yīng)用于葉片葉身、榫槽等部位的在役檢測(cè)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片具有曲率復(fù)雜，厚度變化等特點(diǎn)[9]，近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)葉片的渦流檢測(cè)技術(shù)也得到了快速發(fā)展。為使葉片邊沿原位檢測(cè)時(shí)探頭與葉片耦合更好，徐健[10]設(shè)計(jì)了“V”型結(jié)構(gòu)探頭。宋凱等[11]針對(duì)葉盤、葉背曲率變化特點(diǎn)，構(gòu)建渦流有限元模型，研究了葉片凹面、平面及凸面的法向平面圓形線圈檢測(cè)信號(hào)特征。張麗攀等[12]在ANSYS中研究了平面圓形線圈不同激勵(lì)頻率、激勵(lì)信號(hào)電壓、線圈平均半徑和線圈匝數(shù)對(duì)葉片渦流檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響。于霞等[13]在開展平面葉片葉身微裂紋缺陷仿真分析后研制了一種尺寸小、靈敏度高的差激勵(lì)探頭，該探頭由雙激勵(lì)線圈和單檢測(cè)線圈組成。由于葉片根部檢測(cè)部位存在R角，渦流檢測(cè)過(guò)程中必須克服凹面曲率變化帶來(lái)提離效應(yīng)，龔模輝等[14]分析了葉片根部曲率變化，提出通過(guò)對(duì)線圈磁芯檢測(cè)面進(jìn)行加工使其與葉片根部曲面相吻合來(lái)減少提離效應(yīng)。為適應(yīng)大面積葉片表面檢測(cè)及檢測(cè)時(shí)貼合的良好性[15]，奧林巴斯Olympus采用柔性電路板制作渦流陣列傳感器，這種傳感器柔韌性好，適合多曲面檢測(cè)。林俊明等[16]將兩個(gè)磁極固定于鐵磁性發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面，通過(guò)分析渦流檢測(cè)信號(hào)幅值的差異及間隔時(shí)間出現(xiàn)的不均勻渦流信號(hào)，來(lái)判斷葉尖表面的缺損及葉片彎曲或斷裂。

國(guó)外針對(duì)葉片及曲率檢測(cè)件也開展了不同的研究，文獻(xiàn)[17] 針對(duì)風(fēng)扇葉片提出了一種新穎的電磁和ECPT的熱模型，建立ECPT實(shí)驗(yàn)裝置并驗(yàn)證開發(fā)模擬器，所開發(fā)的模擬器比之前的模擬器快五倍并可用于任何類型的勵(lì)磁渦流熱成像(ECT)波形。Zhang等[18]針對(duì)渦輪葉片葉盤，設(shè)計(jì)柔性渦流陣列傳感器來(lái)檢測(cè)曲面缺陷，并通過(guò)補(bǔ)償算法減少提離效應(yīng)的影響。Ma等[19]針對(duì)復(fù)雜幾何樣品表面渦流檢測(cè)設(shè)計(jì)雙方型繞組激勵(lì)及具有收發(fā)結(jié)構(gòu)柔性渦流傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變直徑管材表面渦流檢測(cè)。Schlobohm等[20]介紹了采用高頻渦流和脈沖高頻感應(yīng)熱成像技術(shù)，該技術(shù)采用了逆條紋投影算法實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片基材上裂紋和保護(hù)層狀況的評(píng)估。然而，不管國(guó)內(nèi)還是國(guó)外文獻(xiàn)都較少涉及大曲率葉片前緣的仿形渦流檢測(cè)仿真及試驗(yàn)研究。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片前緣，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件Solidwork構(gòu)建含3種典型缺陷大曲率葉片前緣模型，設(shè)計(jì)有利于減少提離效應(yīng)及抑制晃動(dòng)信號(hào)的仿形渦流檢測(cè)(Profiling Eddy Current Testing，PECT)線圈模型，在電磁場(chǎng)有限元仿真軟件Maxwell中對(duì)檢測(cè)模型進(jìn)行仿真分析。研究了仿形檢測(cè)線圈在不同模式下通過(guò)缺陷的信號(hào)幅值、相位等信號(hào)特征及靈敏度，制作前緣缺陷試塊并設(shè)計(jì)了基于鎖相放大技術(shù)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)，驗(yàn)證前緣仿形檢測(cè)線圈的檢測(cè)能力，結(jié)論可為大曲率葉片前緣檢測(cè)提供一定的工程實(shí)踐及理論參考。

1 PECT三維電磁場(chǎng)有限元模型

PECT屬于宏觀電磁現(xiàn)象，其電磁規(guī)律受麥克斯韋方程組支配，在A-φ電磁有限元法中，引入矢量磁位A和標(biāo)量電位φ，可分別得到PECT 導(dǎo)體域Ωt和空氣域Ωr中準(zhǔn)靜態(tài)電磁控制方程[21]：

(1)

(2)

式中:μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;t為時(shí)間；Js為傳導(dǎo)電流。通過(guò)在Maxwell有限元分析軟件中選擇四面體單元對(duì)整個(gè)區(qū)域離散化，結(jié)合邊界條件，采用里茲或迦遼金方法[22]求解微分方程式(1)及式(2)，可得到矢量磁位A和標(biāo)量電位φ空間分布。再利用式(3)及式(4)：

(3)

(4)

可求得磁感應(yīng)強(qiáng)度B及電場(chǎng)強(qiáng)度分布E在求解域中的分布，運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律式(5)，可求得PECT檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

(5)

式中:S為檢測(cè)線圈所圈圍面積。

2 PECT模型及參數(shù)

PECT模型包含葉片前緣及檢測(cè)線圈兩部分，檢測(cè)對(duì)象葉片模型如圖1所示?？紤]到有限元計(jì)算空間網(wǎng)格劃分及檢測(cè)過(guò)程中電磁場(chǎng)輻射有效區(qū)域，截取部分葉片前緣作為有限元分析區(qū)。渦輪葉片常見前緣形狀主要有圓弧形前緣、橢圓形前緣，為了加工方便，減少加工成本，實(shí)際應(yīng)用中壓氣機(jī)葉片前緣大都采用圓弧形前緣[23]。仿真葉片前緣半圓形邊與葉身相切，檢測(cè)時(shí)考慮到提離效應(yīng)影響，仿形耦合線圈與前緣表面距離保持不變，內(nèi)外兩線圈中心重合，線圈沿著前緣表面掃查。仿真前先在Solidwork中建立含3種典型缺陷及仿形線圈模型后再導(dǎo)入Maxwell中，PECT模型如圖2所示。

圖1 低壓渦輪葉片F(xiàn)ig.1 Low-pressure turbine blade

圖2 PECT缺陷模型Fig.2 PECT defect model

3種缺陷模型及葉片前緣基體幾何尺寸如圖3所示。在長(zhǎng)度為100.00 mm，厚度為3.58 mm，前緣曲率半徑為1.79 mm的葉片基體上相隔30.00 mm分別設(shè)置槽寬0.50 mm、深1.00 mm的橫向長(zhǎng)人工刻槽，寬1.00 mm邊沿凹坑及半徑1.00 mm人工凹坑等3種人工模擬缺陷。

基體材料為精鑄成型葉片常用材料鈦合金TC4。在前緣表面等距1.00 mm處放置兩仿形線圈，線圈截面半徑為1.50 mm，仿形線圈正側(cè)面看為方形線圈，外線圈邊長(zhǎng)分別為5.58 mm，內(nèi)線圈邊長(zhǎng)為2.00 mm，分別繞制200匝雙絞細(xì)銅線，線圈表面與前緣表面保持有1.00-0.75=0.25 mm間隙。線圈施加正弦激勵(lì)電流，其電流有效值為100 mA，葉片材料屬性如表1所示。

圖3 葉片缺陷參數(shù)Fig.3 Blade defect parameters

表1 仿真計(jì)算中葉片材料屬性Table 1 Blade material properties in simulation calculation

電磁場(chǎng)有限元網(wǎng)格剖分決定了求解精度及計(jì)算時(shí)間，考慮到渦流場(chǎng)中趨膚效應(yīng)及電磁場(chǎng)有效輻射區(qū)，文中采用自適應(yīng)+手動(dòng)剖分兩種方式進(jìn)行網(wǎng)格剖分(圖4)，先將葉片基體分割為兩部分，靠近線圈一側(cè)采取加密剖分。電磁場(chǎng)仿真時(shí)采用Neumann邊界條件，即求解域Region邊界上磁場(chǎng)正切于該邊界，磁力線不能穿越該邊界：

n·B1=0

(6)

式中:B1為邊界內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度;n為邊界面單位法向矢量。

圖4 網(wǎng)格剖分Fig.4 Meshing

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 不同頻率電流激勵(lì)下線圈對(duì)橫向長(zhǎng)裂紋的響應(yīng)

渦流檢測(cè)中，渦流的滲透深度代表著渦流能夠滲入導(dǎo)體內(nèi)的距離，在平面導(dǎo)體中，其渦流密度大小一般隨著離導(dǎo)體表面距離的增加呈指數(shù)衰減，標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為

(7)

式中：f為渦流頻率；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率。

由式(7)可知，平面導(dǎo)體滲透深度取決于f、μ及σ。對(duì)于大曲率葉片前緣展開仿形渦流檢測(cè)，在磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率固定情況下，有必要對(duì)渦流檢測(cè)頻率進(jìn)行討論。

圖5是以橫向長(zhǎng)裂紋為檢測(cè)對(duì)象，將長(zhǎng)裂紋模型中心設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以不同頻率正弦交流電激勵(lì)外線圈，內(nèi)線圈作為接收線圈時(shí)仿形線圈沿葉片前緣檢查所得的仿真結(jié)果。

圖5(a)和圖5(b)中縱坐標(biāo)軸感應(yīng)電壓相對(duì)幅值RA及相對(duì)相位Ra指相對(duì)坐標(biāo)10位置處(即遠(yuǎn)離缺陷處)的電壓幅值及相位。其計(jì)算公式分別為

(8)

Ra=angle((Ren-Re(10)),(Imn-Im(10)))

(9)

式中：Ren為n處接收線圈感應(yīng)電壓實(shí)部；Imn為其虛部分量。

由圖5(a)可知，頻率越大，感應(yīng)電壓相對(duì)幅值越大，不同頻率相對(duì)幅值都出現(xiàn)在裂紋中心位置，即當(dāng)仿形線圈中心與裂紋中心重合時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)長(zhǎng)裂紋對(duì)前緣感應(yīng)渦流阻礙作用最大。在對(duì)長(zhǎng)裂紋掃查過(guò)程中，只出現(xiàn)較為明顯的單一峰值。其中100～200 kHz的相對(duì)幅值有較大的增長(zhǎng)，可做如下解釋， 100 kHz的滲透深度δ≈1.18 mm， 200 kHz的δ≈0.83 mm，而前緣裂紋深度為1 mm，因此長(zhǎng)裂紋對(duì)于200 kHz以上的渦流具有較大阻礙作用。

圖5(b)反映出長(zhǎng)裂紋內(nèi)線圈感應(yīng)電壓相對(duì)相位在不同頻率激勵(lì)下具有相同的變化趨勢(shì)，當(dāng)外線圈接觸裂紋直至外線圈離開時(shí)，不同頻率相對(duì)相位變化比較緩慢，先由小變大，在0位置處出現(xiàn)極值后再變小，其整個(gè)緩慢變化長(zhǎng)度與內(nèi)線圈邊長(zhǎng)2.00 mm相近。

圖5(c)是以相對(duì)相位角為相角，電壓相對(duì)幅值為幅值，反映不同頻率下的極坐標(biāo)圖。圖中反映出頻率越高時(shí)，幅值越大，相角反而較小。每條頻率曲線在極坐標(biāo)圖中均表現(xiàn)出平滑特性。

PECT外線圈激勵(lì)時(shí)，其所產(chǎn)生的渦流場(chǎng)分布(圖6)可有效覆蓋葉片前緣，渦流在通電線圈下方密度較大，中間及其外圍分布密度小。圖6中清晰可見長(zhǎng)裂紋對(duì)渦流分布的干擾阻礙作用。圖6左邊渦流密度云圖為圖2(a)上視圖，中間為圖2(a)前視圖，右邊為圖2(a)側(cè)視圖。圖中：J為電流密度。

圖7是仿形線圈外線圈作為接收線圈，內(nèi)線圈作為激勵(lì)線圈，施加相同激勵(lì)正弦電流下相對(duì)幅值相位圖。比較圖5與圖7，內(nèi)外激勵(lì)模式下兩者各種特征差異不大，外接收時(shí)相對(duì)相位變化與內(nèi)接收時(shí)相比時(shí)并沒有在±5 mm位置處出現(xiàn)極值。

圖5 長(zhǎng)裂紋內(nèi)接收相對(duì)幅值相位圖Fig.5 Diagram of relative amplitude and phase of long crack internal coil receiving

圖6 500 kHz激勵(lì)渦流密度云Fig.6 Density cloud of eddy current with 500 kHz excitation

綜上分析，可得出結(jié)論如下，對(duì)于長(zhǎng)裂紋大曲率葉片前緣PECT檢測(cè)，激勵(lì)頻率越大，感應(yīng)電壓信號(hào)相對(duì)電壓幅值越大，相對(duì)相位越小。后面分析其他模型時(shí)將采用頻率500 kHz正弦激勵(lì)。

3.2 PECT邊沿凹坑檢測(cè)線圈的響應(yīng)

發(fā)動(dòng)機(jī)容易被吸入的外來(lái)物打傷，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中的沙塵會(huì)腐蝕作為進(jìn)氣邊的葉片前緣，另外高溫燃?xì)庵械牧虻入s質(zhì)也會(huì)對(duì)葉片造成腐蝕，凹坑就是葉片前緣中常見的一種缺陷。

圖7 長(zhǎng)裂紋外接收相對(duì)幅值相位圖Fig.7 Diagram of relative amplitude and phase of long crack external coil receiving

檢測(cè)模型邊沿凹坑如圖2(b)所示，圖8是內(nèi)外激勵(lì)模式下電壓幅值及相位響應(yīng)圖。外激勵(lì)內(nèi)接收時(shí)比內(nèi)激勵(lì)外接收時(shí)相對(duì)幅值要大，兩種模式下相對(duì)幅值變化趨勢(shì)相同，在0處出現(xiàn)幅值極大值。相對(duì)相位在區(qū)域(-3 mm，+3 mm)中基本相同，在其外區(qū)域，內(nèi)外線圈接收時(shí)相對(duì)相位變化較大，外線圈接收還出現(xiàn)了幾個(gè)極大值，這種變化帶來(lái)的結(jié)果就是在圖8(c)中極坐標(biāo)軌跡并不平滑。

綜上分析，在外線圈經(jīng)過(guò)邊沿凹坑時(shí)，PECT檢測(cè)在內(nèi)外兩種激勵(lì)模式下相對(duì)幅值及相對(duì)相位變化趨勢(shì)基本一致，但以極坐標(biāo)顯示檢查結(jié)果時(shí)軌跡不平滑。

圖8 邊沿凹坑相對(duì)幅值相位圖Fig.8 Diagram of relative amplitude and phase of edge pits

3.3 PECT凹坑檢測(cè)線圈的響應(yīng)

圖9展示了仿形線圈兩種激勵(lì)模式下檢測(cè)線圈掃查中間凹坑(圖2(c))后相對(duì)幅值及相對(duì)相位變化曲線圖。在區(qū)域(-3 mm，+3 mm)，即當(dāng)外線圈掃過(guò)缺陷，內(nèi)外激勵(lì)兩種模式下相對(duì)幅值出現(xiàn)2個(gè)峰值，當(dāng)線圈中心與凹坑中心重合時(shí)，反而出現(xiàn)一個(gè)極小值。由圖6渦流云圖分布可知，內(nèi)外激勵(lì)模型下，在線圈中心渦流云密度分布小，當(dāng)凹坑正處于此處時(shí)對(duì)渦流的阻礙較小。凹坑對(duì)渦流阻礙最大值出現(xiàn)在±2 mm處，這時(shí)內(nèi)線圈處于凹坑正上方。在區(qū)域(-3 mm，+3 mm)，相位相對(duì)變化在內(nèi)外兩種激勵(lì)模式下趨勢(shì)相同，變化較為平緩。

在極坐標(biāo)圖9(c)中反映出內(nèi)激勵(lì)外接收時(shí)相角比外激勵(lì)內(nèi)接收大，但最大極坐標(biāo)幅值較小。

圖9 凹坑相對(duì)幅值相位圖Fig.9 Diagram of relative amplitude and phase of pits

比較圖9(c)與圖8(c)、圖7(c)及圖5(c)可得，用極坐標(biāo)表征缺陷時(shí)，缺陷凹坑相角最大。

當(dāng)葉片前緣尺寸固定時(shí)，為保證仿形外線圈有效檢測(cè)區(qū)域能覆蓋整個(gè)待檢前緣區(qū)域，外仿形線圈(圖6)應(yīng)確保與前緣保持半圓耦合。圖10給出了2.0 mm、2.5 mm及1.5 mm方形內(nèi)接收線圈對(duì)凹坑仿真結(jié)果圖，從圖中可看出1.5 mm的相對(duì)幅值及相對(duì)相位曲線形狀較平緩，有利于缺陷渦流信號(hào)的極坐標(biāo)圖表示。

圖10 凹坑不同內(nèi)線徑相對(duì)幅值相位圖Fig.10 Diagram of relative amplitude and phase of pits with different inner wire diameters

3.4 PECT靈敏度差異比較

圖11給出了9種不同檢測(cè)模型PECT靈敏度，圖11右側(cè)縱坐標(biāo)軸中V為無(wú)缺陷處檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓幅值，坐標(biāo)軸中ΔVmax為各種模型檢測(cè)過(guò)程中最大感應(yīng)電壓相對(duì)幅值，ΔVmax/V反映各模型中最大感應(yīng)電壓幅值相對(duì)變化量，ΔVmax/V可作為評(píng)估各模型對(duì)缺陷的靈敏度。

比較3種缺陷模型在內(nèi)外激勵(lì)2種模式下的靈敏度，同種模型下發(fā)現(xiàn)外線圈激勵(lì)(內(nèi)線圈接收)時(shí)靈敏度較高，其中中間凹坑缺陷模型靈敏度差異比較明顯。在外線圈尺寸保持不變情況下，比較2.5 mm、2.0 mm及1.5 mm內(nèi)線圈仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)1.5 mm內(nèi)線圈接收時(shí)靈敏度最高。

圖11 PECT靈敏度差異圖Fig.11 Comparison of PECT sensitivity

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 PECT傳感器設(shè)計(jì)

為保證PECT檢測(cè)線圈在檢測(cè)過(guò)程中與葉片前緣耦合一致性，在Solidwork設(shè)計(jì)了仿形傳感器模型(圖12)，模型中根據(jù)線圈厚度預(yù)置內(nèi)凹深度后再嵌入內(nèi)外2個(gè)檢測(cè)線圈。傳感器模型基體采用光敏樹脂SLA成型工藝3D打印，打印精度±0.1 mm。

圖12 PECT傳感器模型Fig.12 PECT sensor model

傳感器雙檢測(cè)線圈線徑采用0.1 mm漆包銅線繞制，線圈具體參數(shù)如表2所示。

表2 檢測(cè)線圈參數(shù)Table 2 Detection coil parameters

扁平線圈通過(guò)外力嵌入模型內(nèi)外2個(gè)凹槽后再緊貼耐磨薄膜，線圈引線經(jīng)皮下通孔引出。

4.2 PECT檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)包括軟硬件兩部分，硬件主要由檢測(cè)對(duì)象、傳感器模塊、Mfli鎖相放大器、Myrio數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)及顯示器等組成，如圖13所示。鎖相放大器主要承擔(dān)對(duì)檢測(cè)線圈輸出微弱正弦信號(hào)的幅值及相位檢測(cè)，同時(shí)在系統(tǒng)中作為激勵(lì)源，輸出500 kHz、100 mA正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。Myrio數(shù)據(jù)采集卡采集鎖相放大器輸出的渦流信號(hào)幅值、相位等數(shù)據(jù)并上傳至PC機(jī)(上位機(jī))中做處理顯示。

上位機(jī)程序采用圖形化編程軟件LabVIEW編寫。程序中運(yùn)用了順序、選擇、循環(huán)等結(jié)構(gòu)。由于傳感器在處于無(wú)缺陷處時(shí)，內(nèi)檢測(cè)線圈輸出一正弦感應(yīng)信號(hào)，在后續(xù)檢測(cè)過(guò)程中需要平衡去除此信號(hào)，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用式(8)和式(9) 分別求出平衡后的相對(duì)電壓幅值及相對(duì)相位。上位機(jī)前面板可顯示相對(duì)幅值-時(shí)間圖、相對(duì)相位-時(shí)間圖及幅值Y-X分量圖，前面板分別設(shè)置有平衡、刷新、X及Y分量增益控件。

圖14為檢測(cè)系統(tǒng)主程序流程圖，在鎖相放大器設(shè)置激勵(lì)源等相關(guān)參數(shù)后再初始化LabVIEW檢測(cè)平臺(tái)參數(shù)，這些參數(shù)檢測(cè)信號(hào)Y-X分量增益、顯示點(diǎn)數(shù)等。主程序通過(guò)While循環(huán)來(lái)不斷掃描各外部輸入數(shù)據(jù)的改變并做出實(shí)時(shí)的信號(hào)顯示。

4.3 PECT檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)仿真所得內(nèi)外兩種激勵(lì)模式下靈敏度差異，檢測(cè)系統(tǒng)傳感器工作方式選擇外激勵(lì)內(nèi)接收方式。傳感器耦合至圖3、圖13所示前緣檢測(cè)試塊上，試塊預(yù)置3個(gè)人工缺陷，參數(shù)如圖3所示，分別為中間凹坑、橫向長(zhǎng)刻槽(模擬長(zhǎng)裂紋)及邊沿凹坑缺陷。檢測(cè)結(jié)果如圖15所示，圖中顯示為經(jīng)過(guò)放大、角度平移(旋轉(zhuǎn))后所得結(jié)果。

圖15相對(duì)幅值時(shí)間圖左邊第1個(gè)波形為中間凹坑輸出信號(hào)，左邊第2個(gè)波形為橫向長(zhǎng)刻槽輸出信號(hào)，其次為邊沿凹坑。比較3個(gè)信號(hào)幅值，在相同增益情況下，長(zhǎng)裂紋最大，邊沿凹坑最小，長(zhǎng)裂紋及邊沿凹坑幅值圖像為單峰形狀，中間凹坑顯示為雙峰狀，幅值實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果圖形軌跡相似。

圖14 程序流程圖Fig.14 Program flow chart

圖15 前面板及檢測(cè)結(jié)果Fig.15 Front panel and inspection/result

圖15中凹坑及邊沿凹坑相對(duì)相位時(shí)間圖與仿真結(jié)果相似，幅值與角度變化區(qū)域相同且相對(duì)相位在線圈掃查凹坑與邊沿凹坑過(guò)程中基本保持不變。圖15中凹坑相對(duì)相位寬度大于邊沿凹坑寬度是仿形傳感器掃查邊沿凹坑時(shí)掃查速度比掃查凹坑時(shí)快所致。長(zhǎng)裂紋相對(duì)相位實(shí)際檢查結(jié)果比仿真結(jié)果在線圈掃查過(guò)缺陷時(shí)平緩。

圖15右側(cè)Y-X分量幅值圖中，3種人工缺陷軌跡取向差異并不大，這與圖7(c)、圖8(c)及圖9(c)軌跡取向相似，其中凹坑的極坐標(biāo)相角最大。上述結(jié)果表明，由于采用仿形渦流線圈及信號(hào)平衡處理，可以很好抑制檢測(cè)過(guò)程中傳感器抖動(dòng)所帶來(lái)的影響。

5 結(jié) 論

1) 前緣仿形渦流檢測(cè)仿真時(shí)，在雙線圈模式下，外線圈激勵(lì)內(nèi)線圈接收比內(nèi)線圈激勵(lì)外線圈接收靈敏度高；仿形線圈外激勵(lì)可有效覆蓋前緣檢測(cè)區(qū)。

2) 當(dāng)仿形外線圈尺寸固定，內(nèi)檢測(cè)線圈尺寸大于缺陷的尺度時(shí)，模型仿真可得內(nèi)線圈內(nèi)徑越小，檢測(cè)靈敏度越高，1.5 mm內(nèi)徑線圈比2.5 mm內(nèi)徑線圈靈敏度高0.62%。

3) 采用不同頻率實(shí)施前緣仿形渦流檢測(cè)，頻率越高，檢測(cè)靈敏度越高；檢測(cè)線圈與缺陷中心重合時(shí)，相對(duì)幅值達(dá)到極值點(diǎn)；檢測(cè)線圈經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，相對(duì)相位變化平緩，以極坐標(biāo)圖顯示缺陷時(shí)，各種缺陷自身軌跡具有平滑特征。

4) 所設(shè)計(jì)的仿形渦流傳感器，可有效抑制提離及晃動(dòng)干擾，采用文中軟件自平衡及顯示技術(shù)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)前緣3種典型缺陷，檢測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)相對(duì)幅值、相對(duì)相位及相對(duì)Y-X分量圖顯示試塊缺陷特征。

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