脉冲涡流检测中裂纹的深度定量及分类识别

　　1　引　　言

　　脉冲涡流检测方法是涡流检测技术的一个新兴分支,与传统的单频正弦涡流相比,脉冲涡流具有许多优势[1-2]。传统涡流采用单一频率的正弦电流作为激励,脉冲涡流则采用具有一定占空比的方波作为激励;传统涡流检测对感应磁场进行稳态分析,即通过测量感应电压的幅值和相角来确定缺陷的位置,而脉冲涡流则对感应磁场进行时域的瞬态分析,以直接测得的感应磁场最大值出现的时间来进行缺陷检测[3]。在理论上,脉冲涡流比单频正弦涡流能提供更多信息,因为脉冲涡流可提供某一范围的连续多频激励。此外,脉冲涡流信号比多频涡流信号响应更快,因为它同时运行一列不同的电流频率。脉冲涡流检测是一种可实现定量检测导电材料表面及近表面缺陷深度的有效方法,尤其对于定量检测飞机多层结构中出现在第2层中难以检测的缺陷证实也同样有效[4]。

　　本文根据上述脉冲涡流的特性,设计了一套脉冲涡流无损检测系统,在铝合金板上加工缺陷来模拟飞机结构中出现的裂纹,通过数据采集卡采集裂纹信息,提取峰值及峰值时间来定量裂纹的深度,并对裂纹的分类提出了有效的识别方法。

　　2　工作原理

　　脉冲涡流系统的工作原理如图1所示。脉冲涡流的激励信号为具有一定占空比的方波,施加在探头上的激励方波会在激励线圈中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(脉冲涡流),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,检测线圈或磁传感器就会感应出随试件变化的电压。假如有裂纹缺陷存在,势必使得磁感应强度B发生变化,导致检测线圈或磁传感器上的感应电压随之改变,由于脉冲包含很宽的频谱,感应的电压信号中就包含有关裂纹的重要信息[5-9]。

　　与常规涡流信号不同,脉冲涡流信号获得的是瞬态信号,因此其数值分析主要是在时域中进行。如果将检测线圈或磁传感器放置在被检试样的无缺陷处,所获得的基本响应信号为参考信号,被检试样的响应信号减去参考信号即为差分信号[10]。图2为一个典型脉冲涡流的差分瞬时信号响应图。通常所采用的特征值是脉冲涡流的差分瞬时信号的峰值和峰值到达时间,由此对表面、亚表面及腐蚀裂纹进行定量检测。其中,峰值是指脉冲涡流时域瞬态波形的最大值,峰值时间是指从脉冲涡流的上升沿激励开始到脉冲涡流感应信号瞬时峰值到达的时间。

　　3　检测系统

　　脉冲涡流无损检测系统如图3所示。其中信号发生器采用方波激励信号,在本系统中,方波信号的电压为1.7 V,频率为100 Hz,占空比为0. 5。探头包括激励线圈和磁传感器,激励线圈采用圆柱型磁芯,内径10 mm,外径16mm,高为5mm,由线径0.3mm的漆包线绕制而成,共绕了400匝。磁传感器采用霍尔传感器(Hall)UGN3503,位于圆柱型磁芯底部的中心,用来对受裂纹缺　　陷扰动而产生的磁场垂直分量进行检测。数据采集电路采用凌华数据采集卡DAQ2010,采样频率为100 kHz。