脉冲涡流矩形传感器的多维信号特征分析与缺陷识别

　　脉冲涡流检测技术是近几年发展起来的一种新的电磁无损检测技术, 主要用于军用飞机和民用飞机的无损检测中, 并被证明能有效地实现对飞机结构腐蚀缺陷的检测和评估[ 1-2] , 因而成为目前无损检测领域的一个研究热点。

　　在脉冲涡流检测技术中, 传感器的设计是一项关键技术, 一般采用激励线圈与检测线圈分开的形式, 并增大激励线圈的体积和缩小检测线圈的体积。若将检测线圈缩小到某一程度可分辨出空间磁场的分布, 这样就提高了磁场的空间分辨能力[ 3] 。Hiroshi[ 4] 等人用数值计算的方法得出: 在一定条件下,矩形线圈激励下的感应电场在导体板中的衰减率较传统圆柱形涡流激励线圈的慢得多, 因此和传统的圆柱形涡流激励线圈相比, 矩形线圈对较深缺陷的测量具有更高的灵敏度, 即矩形线圈的测量深度更大。文献[ 5] 中详细说明了脉冲涡流检测中矩形传感器的设计与使用, 但是其检测线圈仅限于一维结构。文献[ 6] 对矩形传感器在某一固定走向时的三维检测信号进行了分析, 但未对二维检测信号形成的蝶形图进行分析。且未对传感器沿电流走向时的检测信号进行分析。本文主要对矩形传感器在不同走向下的三维磁场量检测信号及形成的蝶形图进行特征分析, 达到缺陷的检测识别的目的。

　　1 脉冲涡流原理

　　脉冲涡流技术的激励信号是脉冲信号, 并采用了脉冲分析技术[ 7] 。当激励线圈中加载有周期的宽带脉冲电流时, 激励线圈中的脉冲电流感生出一个快速衰减的脉冲磁场, 变化的磁场在导体试件中感应出瞬时涡流, 此脉冲涡流向导体试件内部传播, 又会感应出一个快速衰减的涡流磁场, 随着涡流磁场的衰减, 检测线圈上就会感应出随时间变化的电压。根据Faraday 电磁感应定律, 检测线圈上感应的电压Vp 有如下表示[ 8] :

　　假如有缺陷存在, 势必使得磁感应磁场强度B发生变化, 最终将体现在检测线圈上感应电压的变化, 由于脉冲包含很宽的频谱, 感应的电压信号中就包含重要的有关缺陷的重要信息[ 9] 。

　　2 传感器设计

　　本文采用矩形线圈作为激励线圈, 所设计的传感器如图1 所示。检测传感器采用相互正交的Bx 、By与Bz 检测线圈构成。三个检测线圈各用直径0. 05mm 的漆包线绕制300 匝。检测传感器位于激励线圈的底部中心。当传感器在被检试件上扫描时, 激励线圈可在试件内部激发出均匀的涡流, 检测线圈用来对扫描路径上受到缺陷扰动的三维磁场进行检测。其中与线圈具有自差分性质, 检测比较灵敏[ 6] 。

　　3 实验系统介绍

　　实验系统的硬件主要包括信号源模块, 调理模块, 采集模块, 图2 为实验系统的硬件框图。脉冲信号源模块采用直接数字合成( Direct Digital Sy nthesis,简称DDS) 技术来产生激励脉冲信号。DDS 是近年发展起来的一种新的频率/ 波形合成技术, 具有频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控等优点。本文采用的DDS 芯片为AD7008, 由上位机通过U SB 通信来控制单片机C8051F340。系统产生的信号频率步进为10 Hz, 范围为50 H z~1 MH z, 占空比步进量为1b。产生的波形经比较器变换为方波, 最后经功率放大器Lt1206 后激励传感器。调理模块采用两级程控放大器PGA202、203对检测信号进行适当的放大, 最大放大倍数为8000倍。采集模块采用12 位多通道采集卡PCI2000, 采集频率100 kHz, 可以同时对3 路检测信号进行采集。