基于信号斜率的铁磁材料脉冲涡流测厚研究

　　1 引 言

　　脉冲涡流( pulsed eddy current，PEC) 作为一种非接触式无损检测技术，被广泛应用于导电构件的腐蚀检测和壁厚测量。它采用一定占空比的方波来激励线圈，与传统涡流检测技术采用谐波激励相比，方波激励中含有一系列的频率成分[1]。因此，其检测信号中包含的信息也更丰富，对深层腐蚀的检测能力更强。但脉冲涡流检测也有其固有缺点，其中最主要的缺点就是检测信号的解释相对困难，分析手段也呈现多样化。在信号的时域分析上，主要集中在分析信号的特征量如峰值、峰值时间、过零时间、提离交叉点及拐点时间等。峰、峰值时间和过零时间多用于非铁磁性构件如飞机多层铆接结构中缺陷信号的定量分析与分类[2-4]。提离交叉点具有与提离距离( 线圈与待测构件之间的距离) 无关的特性，常用于补偿提离效应[5]，也可用于非铁磁性金属的厚度和电导率测量[6-7]。拐点时间是指构件中涡流扩散至下表面的特征时间，被用于铁磁性构件的大面积腐蚀检测和壁厚测量[8]。

　　目前石化行业广泛使用的带包覆层管道和压力容器多为碳钢类铁磁性材料制作，其失效形式多为绝缘层下腐蚀( corrosion under insulation，CUI) 和流动加速腐蚀( flow accelerated corrosion，FAC) 引起的大面积壁厚减薄[9]。这些设备壁厚一般较大，涡流在金属壁中扩散与衰减时间长，检测难度大。此外，铁磁性材料的不均匀性与非线性产生的磁噪声也加大了信号分析处理的困难。

　　峰值、峰值时间、过零时间出现于信号的早期，曾用于金属薄层、涂层等薄壁( 几微米至几毫米) 铁磁性材料的检测[10]。拐点时间出现在信号的中后期，能用于厚壁铁磁性材料检测信号的分析，但通常需要进行信号拟合来确定其位置，难于提取。文献[11]基于多涡流环等效模型对铁磁性材料脉冲涡流信号进行了建模，精度较高，但模型参数与厚度的定量关系复杂。本文首先对铁磁性材料脉冲涡流测厚信号的特点进行了深入的分析，然后提出以晚期信号的斜率为特征量来进行厚度测量，并进行了实验验证。

　　2 脉冲涡流测厚信号的分析

　　2. 1 基本原理

　　将一个空心圆柱线圈置于被测导电试件上方，如图1 所示。在其中通以一定占空比的方波电流，在电流处于高电平的时段，激励电流在被测试件中建立稳定的一次电磁场。当电流跃变为零时，根据电磁感应定律，被测试件的表面将产生瞬变涡流，其大小与试件的磁导率 μ、电阻率ρ、厚度d以及线圈的提离距离l等参数有关。涡流向试件深处扩散并不断衰减，这一过程产生的二次磁场被磁场传感器接收并转换为电信号输出。