脈沖渦流檢測信號影響因素分析

脈沖渦流檢測信號影響因素分析

測量壓力容器、管道、電壓爐和其他設(shè)備的壁厚，是安全運行的重要因素。然而,由于大部分壓力容器和壓力管道都帶有包覆層,按照常規(guī)方法測厚時,必須去除設(shè)備外附的保溫結(jié)構(gòu)或防腐結(jié)構(gòu),檢測成本高、效率低。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的脈沖渦流檢測技術(shù),由于可實現(xiàn)帶包覆層的壁厚檢測,近年來被廣泛應(yīng)用于金屬設(shè)備的腐蝕和壁厚測量。脈沖渦流傳感器通過接收其在試件中激發(fā)的瞬變渦流衰減產(chǎn)生的二次電磁場信號,獲得被測試件的信息,因而檢測信號受到激勵參數(shù)和被測試件電磁參數(shù)的影響。已有的激勵參數(shù)和試件電磁參數(shù)對檢測信號的分析主要采用信號的特征量,如峰值、峰值時間和過零時間等,檢測對象多為鋁或銅等非鐵磁性材料及金屬包層、涂層等薄壁(幾微米至幾毫米)鐵磁性材料。而目前工業(yè)管道、壓力容器等構(gòu)件多為碳鋼類鐵磁性材料制作,且壁厚一般較大,渦流在金屬壁中擴散的時間長,需要研究檢測信號全波形特征來判別被測試件的壁厚和腐蝕狀況。脈沖渦流檢測中采用的激勵方式為具有一定占空比的方波。在一個周期內(nèi),方波由低電平上升至高電平或由高電平下降至低電平時,都會在被測試件中激發(fā)瞬態(tài)渦流。試件中渦流的大小、分布情況和擴散時間不僅與激勵參數(shù)有關(guān),還與試件的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率有關(guān)。針對試件的電磁參數(shù)所選擇的激勵參數(shù)將影響脈沖渦流檢測的效率和準(zhǔn)確性,因此,有必要研究各參數(shù)對脈沖渦流檢測的影響。為避免物理實驗方法巨大的工作量,筆者采用基于AN-SYS的有限元模擬的方法進(jìn)行研究。首先建立了脈沖渦流檢測有限元模型,并用試驗證了模型的正確性,從而為仿真分析奠定基礎(chǔ)。然后通過分析脈沖渦流激勵信號的特征,研究了重復(fù)頻率、占空比及邊沿斜率對檢測信號的影響,為實際檢測中激勵參數(shù)的選擇提供參考。最后,在確定的激勵條件下,研究了材料磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率及其組合對檢測的影響,為脈沖渦流檢測應(yīng)用中的信號解釋、干擾去除等提供依據(jù)。上述研究將為推進(jìn)脈沖渦流檢測在工程中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1檢測波的特性分析根據(jù)脈沖渦流檢測理論分析可知,鐵磁性構(gòu)件的脈沖渦流檢測信號波形由滿足逆冪率和指數(shù)衰減特性的兩部分曲線構(gòu)成。在雙對數(shù)坐標(biāo)系下具有上述特性的信號波形如圖1所示:Ⅰ對應(yīng)逆冪率段(直線段),Ⅱ?qū)?yīng)指數(shù)衰減段。對于不同厚度的構(gòu)件,其檢測信號的直線段重合在一起,差別主要體現(xiàn)在指數(shù)衰減段。指數(shù)衰減段按厚度大小分離,厚度越大,衰減越慢,要求的檢測時間越長,信號越微弱,容易受背景噪聲干擾,因而增加了檢測難度。2d磁場分析單元的空氣建模為消除電路等儀器特性對脈沖渦流檢測的影響,從理論上獲取影響脈沖渦流檢測信號的各種因素,采用有限元方法研究脈沖渦流檢測信號。根據(jù)脈沖渦流原理建立的仿真模型如圖2所示,包括傳感器、被測試件及周圍空氣。為簡化模型,取長寬相等的鋼板作為被測試件,并將傳感器置于平板中央位置。整個模型關(guān)于傳感器軸線成中心對稱,因此可以簡化為二維軸對稱模型。選取2D磁場分析單元PLANE53單元給傳感器、被測試件、內(nèi)層空氣建模,并用INFIN110單元給遠(yuǎn)場空氣建模。傳感器由兩個同軸的空心圓柱線圈組成,激勵線圈在外,接收線圈在內(nèi)。其中激勵線圈內(nèi)徑為40mm,外徑為80mm,高度為40mm,匝數(shù)800匝;接收線圈內(nèi)徑為10mm,外徑為30mm,高度為15mm,匝數(shù)1200匝。傳感器軸線垂直于被測鋼板,為模擬包覆層的厚度,將傳感器下端面至鋼板的距離設(shè)為18mm。被測鋼板長度和寬度均為400mm,厚度為20mm,材料為Q235鋼,相對磁導(dǎo)率μr,取為250,電導(dǎo)率取7.14×106S/m。在鋼板厚度分別為15,20和25mm的情況下,利用ANSYS10.0軟件對圖2的仿真模型進(jìn)行了有限元分析。提取激勵方波低電平段的各個計算步長結(jié)束時刻接收線圈中的電動勢降(即感應(yīng)電壓)值,在雙對數(shù)坐標(biāo)下繪出的感應(yīng)電壓隨時間變化曲線如圖3中的虛曲線所示。為驗證仿真模型的正確性,使用自研制的脈沖渦流測厚儀對15,20和25mm厚鋼板進(jìn)行了實際測量,實測的感應(yīng)電壓-時間曲線如圖3中的實曲線所示。排除儀器的噪聲干擾,仿真和試驗曲線吻合良好,表明該仿真模型是正確的。3率f的確定圖4為仿真模型激勵線圈中所施加的方波電流,T為方波周期,幅值I0=6A,重復(fù)頻率f=1/THz,占空比為t1/T×100%,邊沿斜率用t2(ms)表示。保持模型的其他參數(shù)不變,依次改變與激勵線圈耦合的CIRCU124單元獨立電流源的實常數(shù):周期、脈寬和上升/下降時間,研究方波重復(fù)頻率、占空比和邊沿斜率對檢測信號的影響。3.1最高檢測頻率的確定方波的占空比為50%,邊沿斜率為1ms時,分別在重復(fù)頻率為0.625,1和2.5Hz下進(jìn)行仿真,得到了三種頻率下的脈沖渦流檢測信號,見圖5。從圖5可以看出,0.625Hz時的檢測信號包含直線段和曲線段,且曲線段較長;1Hz時的檢測信號重疊在0.625Hz時的檢測信號中,也包含直線段和曲線段,曲線段較短;2.5Hz時的檢測信號也重疊在0.625Hz時的檢測信號中,只有直線段,曲線段消失。比較三條曲線可得:頻率越低,曲線段越長;隨著頻率的升高,曲線段縮短直至消失。因此,對某一厚度的被測試件,其存在最高檢測頻率。實際檢測中一般根據(jù)試件的公稱厚度預(yù)選一個頻率,再綜合考慮檢測效率進(jìn)行調(diào)整,選擇合適的方波重復(fù)頻率。3.2流檢測信號的時間保持方波的重復(fù)頻率為1Hz,邊沿斜率為1ms不變,分別在方波占空比為20%,50%和80%下進(jìn)行仿真試驗,得到了三種占空比下的脈沖渦流檢測信號,見圖6。前面已提及,文中提取脈沖渦流檢測信號的時間為激勵方波的低電平段。方波的占空比分別為20%,50%和80%時,檢測時間依次為0.8,0.5和0.2s。當(dāng)檢測時間小于渦流擴散至試件下底面所需的時間時,檢測信號將只包含直線段,因而不能反映試件的厚度信息。圖6中占空比為80%的檢測信號即為這種情況。占空比為20%和50%的檢測信號都包含曲線段,且20%時的曲線段較長。從這方面來講,占空比越小越好;但另一方面,實際檢測中,方波高電平持續(xù)時間不能小于在試件中建立穩(wěn)定磁場需要的時間,否則檢測信號將不穩(wěn)定。因此,在方波周期確定后,占空比不能過小,實際檢測中通常選擇50%占空比的方波。3.3脈沖渦流檢測信號分析保持方波的重復(fù)頻率為1Hz,占空比50%不變,分別在方波邊沿斜率為1,5和10ms下進(jìn)行仿真試驗,得到了三種邊沿斜率下的脈沖渦流檢測信號(圖7)。從圖7可以看出,三種邊沿斜率下的檢測信號的曲線段重合,直線段隨著斜率的增加有變陡變短的趨勢。具體表現(xiàn)為:斜率為5ms時的直線段較1ms的直線段上揚,斜率為10ms時的直線段開始處明顯上翹?？梢灶A(yù)見,當(dāng)邊沿斜率增加至檢測信號的直線段消失時,檢測信號的特征將發(fā)生改變。因此,實際檢測中,為使脈沖渦流檢測信號的曲線特征明顯,方波的邊沿斜率應(yīng)盡可能小。4鐵磁性材料導(dǎo)磁性與導(dǎo)電磁性的綜合效應(yīng)脈沖渦流檢測以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ),被測試件的電磁特性必然會對檢測信號產(chǎn)生影響。由于脈沖渦流的響應(yīng)是對鐵磁性材料導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性的綜合效應(yīng),既包含了材料磁導(dǎo)率作用的貢獻(xiàn),也包含了材料電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。為分析試件的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率對脈沖渦流檢測的電磁作用的大小,保持激勵方波參數(shù)不變,僅改變仿真模型中被測鋼板的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率,研究了兩者單獨變化及乘積相等時檢測信號的變化規(guī)律。4.1相對磁導(dǎo)率的影響保持被測鋼板厚度為20mm,電導(dǎo)率為7.14×106S/m不變,通過仿真得到其相對磁導(dǎo)率分別為400,250和100時的脈沖/渦流檢測信號(圖8)。可見,相對磁導(dǎo)率為100時,檢測信號的曲線段最長,直線段最短;相對磁導(dǎo)率為400時,檢測信號的曲線段最短,直線段最長;相對磁導(dǎo)率為250時,檢測信號的直線段和曲線段長度居中。這說明對于磁導(dǎo)率大的被測試件,為保證檢測信號的完整性,需降低激勵方波重復(fù)頻率。圖中放大的區(qū)域顯示三個檢測信號的直線段互相分開,且相對磁導(dǎo)率越大,直線段的幅值越大。這是因為在相同的磁化條件下,磁導(dǎo)率越大,在被檢測材料表面激勵產(chǎn)生的渦流密度就越大,接收線圈拾取的感應(yīng)信號也越強。4.2檢測信號直線段長度的變化為分析電導(dǎo)率對脈沖渦流響應(yīng)的貢獻(xiàn),保持被測鋼板的相對磁導(dǎo)率為250不變,通過仿真得到了其電導(dǎo)率分別為17.85×106,7.14×l06和4.462×106S/m時的脈沖渦流檢測信號,見圖9。與磁導(dǎo)率的貢獻(xiàn)相似,檢測信號直線段的長度也隨著電導(dǎo)率的增大而增大,曲線段長度隨電導(dǎo)率的增大而減小,感應(yīng)電壓的幅值也隨電導(dǎo)率的增大而增大。對于電導(dǎo)率大的被測試件,為保證檢測信號的完整性,需降低激勵方波重復(fù)頻率。所不同的是圖9中三條曲線的直線段區(qū)分得更為明顯,即感應(yīng)電壓的幅值隨電導(dǎo)率增長得更快。如電導(dǎo)率增大1.5倍(由7.14×106S/m增至17.85×106S/m)時,直線段的幅值增長了約0.54倍;而相對磁導(dǎo)率增大1.5倍(由100增至250)時,直線段的幅值增長約0.12倍。這說明電導(dǎo)率較磁導(dǎo)率對感應(yīng)電壓幅值增長的貢獻(xiàn)大。4.3脈沖渦流檢測前面談到脈沖渦流響應(yīng)是對鐵磁性材料導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性的綜合效應(yīng),因此當(dāng)兩種鐵磁性材料的電導(dǎo)率δ1,和σ2、磁導(dǎo)率μ1,和μ2之間均存在明顯差異,而它們的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率的乘積相等時,即σ1μ1=σ2μ2的情況下,兩者對脈沖渦流檢測儀的電磁作用大小應(yīng)該相等。圖10仿真了三種電磁特性不同而厚度相同的鋼板的脈沖渦流響應(yīng),它們的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率的乘積σμ=2.24×103m-2·S。從圖中可以看出,三個檢測信號的形態(tài)一致,它們的直線段和曲線段長度相等。這說明電、磁特性不同而厚度相同的被測試件,只要它們的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率乘積相等,則脈沖渦流檢測信號的特征一致,僅有幅值上的差別。實際脈沖渦流檢測中,通常將試件某一待測點的檢測曲線作為參考曲線,然后對試件其他待測點依次進(jìn)行檢測并與參考曲線比較,最終獲取整個試件的厚度信息。這里的參考曲線的作用相當(dāng)于獲取被測試件的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的乘積,使得不同待測點的檢測信號只與厚度相關(guān)。5脈沖渦流檢測的最佳工藝參數(shù)確定運用有限元研究和分析了激勵參數(shù)和試件電磁參數(shù)對脈沖渦流檢測信號的影響,得出如下結(jié)論:(1)激勵方波的重復(fù)頻率直接影響脈沖渦流的厚度檢測范圍。重復(fù)頻率越低,可檢測的試件厚度越大。(2)在重復(fù)頻率一定的條件下,激勵方波的占空比越小,可檢測的試件厚度越大,但受到在試件中建立穩(wěn)定磁場所需要的時間的限制,占空比不能過小,實際檢測中占空比取50%為宜。(3)激勵方波的邊沿斜率影響脈沖渦流檢