脈沖渦流的檢測(cè)原理與實(shí)驗(yàn)研究

脈沖渦流的檢測(cè)原理與實(shí)驗(yàn)研究

1脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)，脈沖漩渦是一種開(kāi)發(fā)起來(lái)的一種新的損傷檢測(cè)方法。根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律，如果激勵(lì)圈兩端均有交變電流，則同一頻率的漩渦會(huì)在相鄰的導(dǎo)線上產(chǎn)生。傳統(tǒng)渦流采用正弦電流作為激勵(lì),而脈沖渦流的激勵(lì)電流為具有一定占空比的方波。傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電壓的幅值和相角來(lái)確定缺陷的位置,而脈沖渦流卻對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)域的瞬態(tài)分析,直接測(cè)量感應(yīng)磁場(chǎng)最大值的出現(xiàn)時(shí)間來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。采用脈沖激勵(lì)時(shí),無(wú)需更換探頭和改變激勵(lì)頻率,對(duì)被測(cè)試件大面積內(nèi)不同深度的缺陷,只需1次掃描就可以完成對(duì)缺陷的定量檢測(cè)。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)具有幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單;對(duì)于提離效應(yīng)和邊緣效應(yīng),可以通過(guò)后續(xù)的補(bǔ)償算法來(lái)消除;速度快。2通過(guò)hs-ros傳感器檢測(cè)導(dǎo)電電極的安裝圖1為脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖,圖1(a)為激勵(lì)電流和測(cè)量磁場(chǎng)的波形,圖1(b)為探頭的配置示意圖。激勵(lì)電流為具有一定脈沖寬度的方波,為了使導(dǎo)體中感應(yīng)的電流足夠強(qiáng),激勵(lì)電流需經(jīng)過(guò)功率放大后再驅(qū)動(dòng)探頭,由于激勵(lì)電流為周期性的方波,隨著激勵(lì)電流在上升沿和下降沿的周期翻轉(zhuǎn),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生周期性跳變的磁場(chǎng),此磁場(chǎng)感應(yīng)出的脈沖渦流就會(huì)在導(dǎo)體中傳播。由于Hall傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量,并且在低頻時(shí)具有比檢測(cè)線圈更好的靈敏度,因此使用Hall傳感器來(lái)測(cè)量與導(dǎo)體表面垂直的磁場(chǎng)By.探頭的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,兩片Hall傳感器對(duì)稱地緊貼在激勵(lì)線圈的底部,在進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí),一片Hall傳感器置于被測(cè)試件的無(wú)缺陷處,另一片置于缺陷的正上方。典型的ΔBy曲線如圖1(a)所示,根據(jù)脈沖渦流檢測(cè)原理,ΔBy曲線的最大值對(duì)應(yīng)著缺陷的深度信息,缺陷越深,則ΔBy出現(xiàn)最大值的延遲時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng),因此,對(duì)測(cè)量的ΔBy值進(jìn)行時(shí)域分析,就可以確定缺陷的位置,脈沖渦流正是基于此原理來(lái)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。3相位累加器頻率控制字n在脈沖渦流測(cè)試系統(tǒng)中,激勵(lì)脈沖的產(chǎn)生是一個(gè)關(guān)鍵部分。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,采用直接數(shù)字合成(DirectDigitalSynthesizer,簡(jiǎn)稱DDS)技術(shù)來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)脈沖。DDS是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率/波形合成技術(shù),具有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號(hào)純度高、相位可控等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)是根據(jù)奈奎斯特采樣定理,從連續(xù)信號(hào)的相位出發(fā),將1個(gè)正弦信號(hào)取樣、量化、編碼,形成1個(gè)正弦函數(shù)表,存在ROM/RAM中,合成時(shí),通過(guò)相位累加器的頻率控制字來(lái)改變相位增量,相位增量的不同將導(dǎo)致1個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)的不同。因角頻率ω=ΔΔt,在取樣頻率不變的情況下,通過(guò)改變相位累加器的頻率控制字,將這種變化的相位/幅值量化的數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A變換及低通濾波后就可以得到純凈的正弦波,然后經(jīng)過(guò)電壓比較器進(jìn)行波形調(diào)整后就可以得到輸出脈沖。圖2為應(yīng)用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)的脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖。它主要由上位機(jī)(主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集)、單片機(jī)80C196KB、DDS芯片AD7008、D/A轉(zhuǎn)換器、六階橢圓低通濾波器、電壓比較器、功率放大電路組成。在工作時(shí),通過(guò)鍵盤(pán)輸入信號(hào)的頻率和幅值,單片機(jī)計(jì)算得到頻率和幅值的控制字,通過(guò)AD7008的MPU接口裝入32位的并行寄存器中,并行寄存器中命令數(shù)據(jù)在裝載指令(LOAD)及命令信號(hào)(TC0～TC3)作用下裝入相應(yīng)的寄存器中開(kāi)始工作輸出的正弦波經(jīng)過(guò)整形得到方波脈沖,為了使驅(qū)動(dòng)電流足夠大,需對(duì)此方波電流進(jìn)行功率放大。功率放大電路使用TDA2030,其最大輸出電流可達(dá)到3.5A.系統(tǒng)中,方波脈沖的重復(fù)頻率為40Hz,占空比為1/5,工作電流約為1A(電源電壓為18V)。激勵(lì)線圈用直徑為0.24的漆包線繞成的空心線圈,內(nèi)徑為10.2mm,外徑為22.4mm,高為2mm,共繞了300匝。對(duì)于磁場(chǎng)的檢測(cè),采用砷化鎵霍爾傳感器SJ411,它具有磁靈敏度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)。由于霍爾元件測(cè)量的電壓值為mV級(jí),因此為了便于觀察和采樣,需將此微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大,然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集并且存盤(pán),最后,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量測(cè)量。4缺陷檢測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)圖3的上半部分為激勵(lì)線圈兩端的驅(qū)動(dòng)電流波形,下半部分為垂直于試件表面的磁場(chǎng)波形。從圖3可以看出,在激勵(lì)脈沖的上升沿和下跳沿,由于電流的突變,使得感應(yīng)出的磁場(chǎng)發(fā)生急劇的變化,選擇對(duì)應(yīng)于上升沿的磁場(chǎng)波形作為分析對(duì)象。被測(cè)試件選用厚度均為8mm銅板和鋁板,在銅板和鋁板上分別加工有深度為4mm,6mm和8mm人工缺陷,被測(cè)試件尺寸如圖4所示。在試驗(yàn)中,針對(duì)兩種類型的缺陷進(jìn)行檢測(cè),分別為表面裂紋和表面下裂紋。其中,表面裂紋是指裂紋形成于試件的表面而表面下裂紋則形成于試件的內(nèi)部加工的人工缺陷分別模擬表面裂紋和表面下裂紋。表1為不同缺陷的測(cè)量數(shù)據(jù)。從表中的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出:對(duì)于表面下裂紋,隨著缺陷深度的加深,感應(yīng)磁場(chǎng)最大值出現(xiàn)的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng),但是,對(duì)于表面裂紋,對(duì)于不同深度裂紋,其磁場(chǎng)最大值出現(xiàn)的時(shí)間幾乎相同,這表明脈沖渦流適用于表面下深層裂紋的檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中,只要根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)畫(huà)出深度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)曲線,測(cè)出最大值出現(xiàn)的時(shí)間后,根據(jù)曲線就可以確定缺陷對(duì)應(yīng)的深度。5飛機(jī)部件缺陷檢測(cè)方法對(duì)脈沖激勵(lì)的渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了