脉冲涡流的检测原理与实验研究

脉冲涡流的检测原理与实验研究

1脉冲涡流检测技术近年来，脉冲漩涡是一种开发起来的一种新的损伤检测方法。根据电磁感应规律，如果激励圈两端均有交变电流，则同一频率的漩涡会在相邻的导线上产生。传统涡流采用正弦电流作为激励,而脉冲涡流的激励电流为具有一定占空比的方波。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,直接测量感应磁场最大值的出现时间来进行缺陷检测。采用脉冲激励时,无需更换探头和改变激励频率,对被测试件大面积内不同深度的缺陷,只需1次扫描就可以完成对缺陷的定量检测。脉冲涡流检测技术具有几个主要优点:操作简单;对于提离效应和边缘效应,可以通过后续的补偿算法来消除;速度快。2通过hs-ros传感器检测导电电极的安装图1为脉冲涡流检测系统的示意图,图1(a)为激励电流和测量磁场的波形,图1(b)为探头的配置示意图。激励电流为具有一定脉冲宽度的方波,为了使导体中感应的电流足够强,激励电流需经过功率放大后再驱动探头,由于激励电流为周期性的方波,随着激励电流在上升沿和下降沿的周期翻转,根据电磁感应定律,这时就会产生周期性跳变的磁场,此磁场感应出的脉冲涡流就会在导体中传播。由于Hall传感器可以实现对磁场的直接测量,并且在低频时具有比检测线圈更好的灵敏度,因此使用Hall传感器来测量与导体表面垂直的磁场By.探头的结构如图1(b)所示,两片Hall传感器对称地紧贴在激励线圈的底部,在进行缺陷检测时,一片Hall传感器置于被测试件的无缺陷处,另一片置于缺陷的正上方。典型的ΔBy曲线如图1(a)所示,根据脉冲涡流检测原理,ΔBy曲线的最大值对应着缺陷的深度信息,缺陷越深,则ΔBy出现最大值的延迟时间就会越长,因此,对测量的ΔBy值进行时域分析,就可以确定缺陷的位置,脉冲涡流正是基于此原理来进行无损检测。3相位累加器频率控制字n在脉冲涡流测试系统中,激励脉冲的产生是一个关键部分。实验系统中,采用直接数字合成(DirectDigitalSynthesizer,简称DDS)技术来产生激励脉冲。DDS是近几年来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。该技术是根据奈奎斯特采样定理,从连续信号的相位出发,将1个正弦信号取样、量化、编码,形成1个正弦函数表,存在ROM/RAM中,合成时,通过相位累加器的频率控制字来改变相位增量,相位增量的不同将导致1个周期内的取样点数的不同。因角频率ω=ΔΔt,在取样频率不变的情况下,通过改变相位累加器的频率控制字,将这种变化的相位/幅值量化的数字信号通过D/A变换及低通滤波后就可以得到纯净的正弦波,然后经过电压比较器进行波形调整后就可以得到输出脉冲。图2为应用DDS技术设计的脉冲涡流无损检测系统的原理框图。它主要由上位机(主要进行数据采集)、单片机80C196KB、DDS芯片AD7008、D/A转换器、六阶椭圆低通滤波器、电压比较器、功率放大电路组成。在工作时,通过键盘输入信号的频率和幅值,单片机计算得到频率和幅值的控制字,通过AD7008的MPU接口装入32位的并行寄存器中,并行寄存器中命令数据在装载指令(LOAD)及命令信号(TC0～TC3)作用下装入相应的寄存器中开始工作输出的正弦波经过整形得到方波脉冲,为了使驱动电流足够大,需对此方波电流进行功率放大。功率放大电路使用TDA2030,其最大输出电流可达到3.5A.系统中,方波脉冲的重复频率为40Hz,占空比为1/5,工作电流约为1A(电源电压为18V)。激励线圈用直径为0.24的漆包线绕成的空心线圈,内径为10.2mm,外径为22.4mm,高为2mm,共绕了300匝。对于磁场的检测,采用砷化镓霍尔传感器SJ411,它具有磁灵敏度高、线性度好等优点。由于霍尔元件测量的电压值为mV级,因此为了便于观察和采样,需将此微弱的电压信号进行放大,然后通过数据采集卡对电压信号进行采集并且存盘,最后,对采集到的数据进行静态分析来实现对缺陷的定量测量。4缺陷检测和测量数据图3的上半部分为激励线圈两端的驱动电流波形,下半部分为垂直于试件表面的磁场波形。从图3可以看出,在激励脉冲的上升沿和下跳沿,由于电流的突变,使得感应出的磁场发生急剧的变化,选择对应于上升沿的磁场波形作为分析对象。被测试件选用厚度均为8mm铜板和铝板,在铜板和铝板上分别加工有深度为4mm,6mm和8mm人工缺陷,被测试件尺寸如图4所示。在试验中,针对两种类型的缺陷进行检测,分别为表面裂纹和表面下裂纹。其中,表面裂纹是指裂纹形成于试件的表面而表面下裂纹则形成于试件的内部加工的人工缺陷分别模拟表面裂纹和表面下裂纹。表1为不同缺陷的测量数据。从表中的测量数据可以看出:对于表面下裂纹,随着缺陷深度的加深,感应磁场最大值出现的时间就会越长,但是,对于表面裂纹,对于不同深度裂纹,其磁场最大值出现的时间几乎相同,这表明脉冲涡流适用于表面下深层裂纹的检测。在实际应用中,只要根据测量的数据画出深度与时间的对应曲线,测出最大值出现的时间后,根据曲线就可以确定缺陷对应的深度。5飞机部件缺陷检测方法对脉冲激励的涡流无损检测技术进行了