脉冲涡流检测系统的设计

　　0　引　言

　　脉冲涡流检测技术是一种新兴的检测技术,它与常规涡流检测方法不同,传统涡流采用正弦信号作为激励,而脉冲涡流的激励信号是具有一定占空比的方波,因而,具有丰富的频带信息。传统的涡流检测对感应磁场进行稳态分析,通过测量感应电压的幅值和相位角来确定缺陷的位置,而脉冲涡流却对感应磁场进行时域的瞬态分析。脉冲信号可以看作是一系列不同频率信号的组合,这样,就可以同时探测到试件不同深度的缺陷,让检测和识别表面与亚表面的缺陷成为了可能。另外,它还具有检测成本低廉、操作简便、对人体无伤害和精度高等优势,因而,在无损检测领域具有广泛的应用前景[1]。脉冲涡流是目前被证实唯一能对飞机结构第二层出现的腐蚀进行定量检测的方法[2],在飞机结构的无损评估领域得到了广泛的应用[3]。本文介绍脉冲涡流检测原理,并根据此原理设计了一种脉冲涡流检测系统,利用该系统对金属内表面的缺陷进行检测,验证了实验系统的可行性。

　　1　脉冲涡流检测系统的原理

　　图1为脉冲涡流检测系统探头的示意图。激励信号是具有一定脉宽的脉冲信号,脉冲电流在通过激励线圈时,根据法拉第电磁感应可知,激励线圈会感应出变化磁场。

　　变化磁场通过金属表面产生涡流信号,变化的涡流又会产生可变磁场。位于下面的霍尔传感器检测到该可变磁场。随着脉涡流磁场的衰减,霍尔传感器就会感应出随时间变化的电压。为了得到检测线圈的瞬态感应电压信号,可以将导体的横截面离散化,每个点引起的电磁感应电压为：

　　如果被测试件的厚度发生变化,检测线圈所测得的瞬态感应电压也会发生变化,因此,可以通过分析检测线圈测得的瞬态感应电压的变化来研究被测试件厚度的变化[4]。

　　2　脉冲涡流检测系统

　　脉冲涡流检测系统框图如图2所示。该系统由4部分组成:信号发生器、传感器(激励线圈和检测传感器)、信号调理电路以及数据采集卡。

　　2. 1　信号发生器模块

　　信号发生器模块采用TI公司的16位单片机MSP430为核心,利用其内部定时器来产生激励脉冲信号。MSP430具有超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术、丰富的片上外围模块、系统工作稳定以及方便高效的开发环境等诸多优点。采用该单片机作为信号发生器的目的在于能够产生不同波形的信号,且频率、电压、占空比均可调的高精度、大功率脉冲信号。

　　2. 2　传感器模块

　　传感器模块主要分为激励线圈与检测传感器2个部分。激励线圈用来在被测试件中产生涡流场,检测传感器位于激励传感器的下面中心位置,用来对受缺损扰动而产生涡流磁场的垂直分量进行检测。激励线圈采用直径为0. 8mm的漆包线绕成的圆柱形线圈,通过ANSYS仿真选定较优的线圈参数,内径和外径分别为17, 26 mm,匝数为400圈。为了增强激励线圈产生的磁场强度,给激励线圈的边上和中心都加了铁芯。图3是激励线圈的驱动电路图。采用MOSFET管作为开关,用来控制由单片机产生的信号的开与关。因为MOSFET管比BJT管具有更多的优点,MOSFET管具有比较快的开关速度,而且,门驱动电路比BJT管的基极驱动电路更简单。由于霍尔传感器具有灵敏度高体积小、适应频率和温度范围等优点,而且,脉冲涡流主要工作在低频,因此,检测传感器选用霍尔传感器[5]。