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        渦流檢測在鋁板超聲缺陷檢測盲區(qū)中的應(yīng)用研究*

        2021-07-15 12:08:40宋小春李冬林廖春暉
        傳感器與微系統(tǒng) 2021年7期
        關(guān)鍵詞:匝數(shù)鋁板渦流

        陳 濤, 曹 恒, 張 賽, 宋小春, 李冬林, 廖春暉

        (湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢 430068)

        0 引 言

        在航空航天、核能、軍事、交通等領(lǐng)域中,鋁板材的使用極其廣泛。而鋁板材在其生產(chǎn)及服役過程中,往往會由于高溫高壓、疲勞應(yīng)力等因素影響在內(nèi)部產(chǎn)生埋藏缺陷及損傷,這些埋藏缺陷及損傷需要及時(shí)檢測,以免發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。因此,如何有效地解決鋁板材埋藏缺陷檢測問題得到了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。目前,對于鋁板材及其它金屬板材深層缺陷的檢測主要運(yùn)用超聲檢測方法。超聲檢測技術(shù)對鋁板材深層缺陷有著很高的檢測靈敏度,但由于回波信號與激勵(lì)信號幾乎重疊難以區(qū)分,超聲檢測技術(shù)難以有效檢測出位于鋁板材近表面(1~2 mm)的埋藏缺陷[2]。

        渦流無損檢測作為常用的缺陷檢測方法之一,由于其本身具有的無需耦合劑、檢測速度快、適用于所有導(dǎo)電材料等優(yōu)點(diǎn),在缺陷檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,并且在深層缺陷檢測方面上也取得了一定的突破。Majidnia S等人[3]針對渦流滲透深度做了有限元仿真分析,仿真結(jié)果表明線圈內(nèi)外徑、提離距離的變化均會改變渦流在鋁板中滲透深度;Smith C H等人[4]制作了巨磁阻(giant magneto resistance,GMR)陣列渦流檢測探頭用來對鋁板埋藏缺陷進(jìn)行檢測,在8~20 kHz的激勵(lì)頻率下,能檢測出埋深在1.6~2.0 mm的鋁板缺陷;Zhong C R等人[5]利用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)搭建的檢測實(shí)驗(yàn)平臺,在350 Hz的激勵(lì)頻率下,能夠達(dá)到4.2 mm鋁板的檢測深度;周德強(qiáng)等人[6]針對平板導(dǎo)體深層缺陷檢測問題,分別研究了反射式、透射式渦流檢測中激勵(lì)頻率及探頭尺寸對檢測靈敏度的影響,得到透射式探頭對深層缺陷的檢測效果優(yōu)于反射式探頭的結(jié)論;鄒國輝等人[7]設(shè)計(jì)了一種雙激勵(lì)線圈結(jié)構(gòu)的探頭,使用隧道磁電阻(tunneling magneto resistance,TMR)作為檢測,通過實(shí)驗(yàn)對探頭參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了對飛機(jī)鉚釘周圍埋藏缺陷的檢測;楊賓峰等人[8]利用脈沖渦流法對飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)中的裂紋缺陷、腐蝕缺陷進(jìn)行了檢測和定量識別研究,對探頭提離的影響進(jìn)行了深入研究。何赟澤等人[9]通過提取快速傅里葉變換幅值譜中頻率分量進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了多層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中埋藏缺陷的檢測與識別。雖然,渦流用于深層缺陷的檢測已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,但用渦流檢測技術(shù)彌補(bǔ)超聲檢測技術(shù)在鋁板材近表面埋深缺陷檢測中存在檢測盲區(qū)缺陷的問題的文獻(xiàn)還很鮮見。

        本文首先利用RITEC5000型號超聲探測儀驗(yàn)證了超聲技術(shù)在鋁板檢測中的檢測盲區(qū)。針對超聲在鋁板淺表層埋深缺陷的檢測盲區(qū)問題,研究了渦流在該超聲檢測盲區(qū)中的特性,優(yōu)化了渦流線圈幾何參數(shù)及激勵(lì)頻率來增大渦流在超聲檢測盲區(qū)的檢測靈敏度,并搭建了簡易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        1 仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        1.1 仿真分析

        利用RITEC5000型號的超聲探測儀檢測了缺陷埋深分別為1,2,3,4 mm的鋁板,得到如圖1所示鋁板不同埋深缺陷的超聲回波信號圖。

        圖1 鋁板不同埋深缺陷的超聲檢測信號圖

        從圖1(c),(d)中可以看出鋁板缺陷埋深為3.0,4.0 mm時(shí),超聲回波信號和始波信號區(qū)分較明顯;從圖1(b)中可以看出,當(dāng)鋁板缺陷埋深減小為2 mm時(shí);回波信號已經(jīng)和始波信號有一部分重合,難以區(qū)分;從圖1(a)中可以看出,當(dāng)鋁板缺陷埋深為1 mm,超聲始波信號和回波信號混雜在一起,已經(jīng)完全區(qū)分不了超聲始波信號和回波信號。圖1說明當(dāng)鋁板埋深缺陷太淺時(shí),由于超聲回波信號與始波信號時(shí)間間隔太短,難以區(qū)分超聲回波信號峰值位置。因此,在利用超聲技術(shù)檢測鋁板埋深缺陷時(shí),存在約2 mm的近表面埋深缺陷檢測盲區(qū)。

        針對超聲技術(shù)檢測鋁板埋深缺陷時(shí),存在約2 mm的缺陷檢測盲區(qū)問題。本文采用渦流檢測技術(shù)檢測鋁板埋深1~3 mm的埋深缺陷,彌補(bǔ)超聲檢測存在近表面檢測盲區(qū)的缺陷。本文利用COMSOL Multiphysics 5.3構(gòu)建如圖2所示鋁板淺表層缺陷二維仿真模型,該模型由空氣域、激勵(lì)線圈、檢測線圈、被測試件組成。材料參數(shù)設(shè)置如表1所示,在AC/DC模塊下選擇物理場為“磁場”對其進(jìn)行仿真分析。

        圖2 鋁板淺表層缺陷模型

        表1 仿真模型材料參數(shù)

        1.2 仿真模型建立

        如圖2所示,鋁板試件模型長度為50 mm,厚度為4 mm,中間設(shè)置埋深1.0 mm,寬0.5 mm的矩形缺陷。檢測方式設(shè)定為一個(gè)線圈激勵(lì),一個(gè)線圈接收的模式,且任何情況下激勵(lì)線圈與檢測線圈參數(shù)完全相同。設(shè)置激勵(lì)和檢測線圈初始參數(shù)如表2所示。在激勵(lì)線圈中加載電流為0.1 A,頻率1 kHz的激勵(lì)電流。

        表2 渦流探頭初始設(shè)置參數(shù)

        接著通過控制變量法,研究不同激勵(lì)頻率、線圈內(nèi)徑、匝數(shù)條件下,線圈掃查鋁板缺陷時(shí)的靈敏度S

        S=(Vbroken-Vnormal)/Vnormal×100 %

        (1)

        式中Vnormal為鋁板上無缺陷時(shí),檢測線圈的輸出電壓值,Vbroken為鋁板上經(jīng)過缺陷時(shí),檢測線圈輸出電壓值。

        1.3 仿真結(jié)果

        1)線圈激勵(lì)信號頻率對檢測靈敏度的影響

        經(jīng)典電磁場理論中,電磁場標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δ公式為

        (2)

        式中f為激勵(lì)信號的頻率,μ為被測導(dǎo)體的磁導(dǎo)率,σ為被測導(dǎo)體的電導(dǎo)率。

        對于電導(dǎo)率σ為3.03×107S/m的鋁板材,10 kHz電磁場的滲透深度約為1 mm,1 kHz電磁場的滲透深度約為3 mm,因此想要實(shí)現(xiàn)對最大埋深3 mm的鋁板材深層缺陷的檢測,必須降低渦流線圈激勵(lì)信號頻率為1 kHz左右??刂凭€圈內(nèi)徑及匝數(shù)不變,通過改變激勵(lì)信號頻率,研究在鋁板材近表層埋深缺陷檢測過程中激勵(lì)頻率對渦流線圈檢測靈敏度的影響。選取激勵(lì)電流為100 mA,頻率分別為200,300,400,500 Hz,1,2,3,4 kHz的正弦信號作為渦流線圈激勵(lì)信號,對埋深為1.0 mm,寬為0.5 mm的鋁板缺陷進(jìn)行檢測,得到渦流線圈檢測靈隨著激勵(lì)頻率變化的關(guān)系,如圖3(a)所示??梢钥闯?,當(dāng)激勵(lì)信號頻率從200 Hz開始增加時(shí),檢測靈敏度隨之增加,并且在1 kHz附近達(dá)到峰值。之后隨著激勵(lì)信號頻率增加,檢測靈敏度逐漸降低。由圖3可知,對于埋深為1.0 mm的鋁板缺陷,1 kHz的激勵(lì)信號頻率能夠得到較好的檢測靈敏度。

        2)線圈內(nèi)徑對檢測靈敏度的影響

        在仿真模型其他參數(shù)不變的情況下,同時(shí)改變激勵(lì)和接收線圈內(nèi)徑,從0.5 mm以0.5 mm為步長增加到3.0 mm,對埋深1 mm,寬度為0.5 mm的缺陷進(jìn)行求解,得到如圖3(b)所示的檢測渦流線圈檢測靈敏度隨著線圈內(nèi)徑變化的關(guān)系??梢钥闯?,在線圈內(nèi)徑從0.5 mm變化到2.0 mm的過程中,渦流線圈的檢測靈敏度隨著線圈內(nèi)徑的增大緩慢減小,而線圈內(nèi)徑從2.0 mm變化到3.0 mm的變化過程中,檢測靈敏度隨著線圈內(nèi)徑增大而迅速降低。由圖3(b)可知,隨著線圈內(nèi)徑的逐漸增大檢測靈敏度呈現(xiàn)下降趨勢。針對埋深1.0 mm,寬度為0.5 mm的鋁板材缺陷,線圈內(nèi)徑在0.5~3.0 mm范圍內(nèi),線圈內(nèi)徑越小,檢測靈敏度越高。但是較小內(nèi)徑的線圈所感應(yīng)出的感應(yīng)電壓信號值也越小,信號處理難度越大[10]。本文中線圈內(nèi)徑選擇2.0 mm。

        3)線圈匝數(shù)對檢測靈敏度的影響

        在仿真模型中,其他參數(shù)不變,設(shè)置線圈匝數(shù)分別為50,100,150,200,250,300,對埋深1 mm,寬度0.5 mm的缺陷進(jìn)行求解,得到不同匝數(shù)下對埋深1 mm,寬度0.5 mm的缺陷的檢測靈敏度,并作出線圈檢測靈敏度隨著線圈匝數(shù)變化的關(guān)系圖,如圖3(c)所示。可以看出,檢測靈敏度在線圈匝數(shù)為50~300匝的范圍內(nèi)呈上升的趨勢,并隨著線圈匝數(shù)的增加,線圈檢測靈敏度增長的越快。圖3(c)表明較大的線圈匝數(shù)可以提供更高的檢測靈敏度,但是由于線圈匝數(shù)越大其阻抗就越大,檢測過程中線圈越容易發(fā)熱。因此,本文選擇線圈匝數(shù)為250匝。

        圖3 仿真結(jié)果

        2 實(shí)驗(yàn)測試

        采用圖2仿真模型中所示單激勵(lì)單接收模式的渦流檢測探頭,激勵(lì)線圈與檢測線圈并列排布。根據(jù)仿真分析的結(jié)果,激勵(lì)和檢測線圈均采用0.1 mm直徑的漆包線繞制,匝數(shù)均為250,線圈內(nèi)徑和外徑分別為2.0 mm和4.0 mm,高度為3.0 mm。

        2.1 渦流無損檢測平臺

        平臺主要由信號發(fā)生器、激勵(lì)線圈、檢測線圈、鎖相放大器以及被測試件組成。信號發(fā)生器主要產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號施加于激勵(lì)線圈上,檢測線圈的感應(yīng)信號通過鎖相放大器被采集后上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號分析、數(shù)據(jù)處理。

        2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2.2.1 缺陷埋深實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        在4 mm厚的鋁板上加工出尺寸為10 mm×0.5 mm×h(長×寬×埋深),h從0.5 mm以0.5 mm為步長增加至3.0 mm的矩形裂紋缺陷,設(shè)置激勵(lì)頻率為1 kHz,勻速移動(dòng)探頭掃過所有缺陷,得到寬度相同,不同埋深下的鋁板埋深缺陷波形,如圖4所示。

        圖4 不同埋深缺陷下感應(yīng)電壓值的變化

        從圖4中可以看出,當(dāng)探頭經(jīng)過不同埋深的裂紋缺陷時(shí),缺陷檢測系統(tǒng)感應(yīng)信號出現(xiàn)一組明顯的波峰;寬度均為0.5 mm的鋁板埋深缺陷,在埋深從0.5 mm增加至3.0 mm的過程中,缺陷響應(yīng)信號逐漸減小。圖4表明,該渦流探頭能夠有效檢測到寬度為0.5 mm,最大埋深為3.0 mm鋁板人工缺陷。

        2.2.2 缺陷寬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        對不同寬度裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在厚為4 mm的鋁板上加工尺寸為10 mm×w×1 mm(長×寬×埋深),w從0.1 mm以0.2 mm為步長增加至1.1 mm的矩形裂紋缺陷,設(shè)置激勵(lì)頻率為1 kHz,勻速移動(dòng)探頭掃過所有缺陷,得到埋深相同,不同寬度下的鋁板缺陷信號如圖5所示。

        圖5 不同寬度缺陷下感應(yīng)電壓值的變化

        從圖5中可以看出,當(dāng)探頭經(jīng)過不同寬度的裂紋缺陷時(shí),缺陷檢測系統(tǒng)感應(yīng)信號出現(xiàn)一組明顯的波峰,埋深均為1 mm的鋁板缺陷,在寬度從0.1 mm增加至1.1 mm的過程中,缺陷響應(yīng)信號逐漸增大。圖5表明,該渦流探頭能夠有效檢測到埋深為1 mm,最小寬度為0.1 mm的鋁板人工缺陷。

        3 結(jié) 論

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文方法能夠有效識別鋁板近表面的埋藏缺陷,且能識別出最大埋深3.0 mm,最小寬度0.1 mm的鋁板埋藏缺陷。彌補(bǔ)了超聲鋁板缺陷檢測中存在近表面檢測盲區(qū)的缺陷,后續(xù)有望結(jié)合超聲檢測技術(shù)對鋁板表面缺陷及不同埋深的埋藏缺陷進(jìn)行快速檢測。

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