脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)參數(shù)對(duì)檢測(cè)能力的影響

趙　瑩，解社娟，張東亮，田明明，吳　磊，李　勇，陳振茂

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省無損檢測(cè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)中心，西安 710049; 2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710049)

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脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)參數(shù)對(duì)檢測(cè)能力的影響

趙瑩1，解社娟1，張東亮2，田明明1，吳磊1，李勇1，陳振茂1

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省無損檢測(cè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)中心，西安 710049; 2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710049)

脈沖渦流檢測(cè)方法是近年來發(fā)展起來的一種新型無損檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)時(shí)激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)選取對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響。首先基于頻域疊加法開發(fā)了脈沖渦流信號(hào)的快速算法；然后，分析了脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)的基頻、占空比以及脈沖上升和衰減時(shí)間變化對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，并從激勵(lì)信號(hào)的頻譜特性角度分析了原因，且給出了基頻和占空比的選定原則。

脈沖渦流檢測(cè)；基頻；占空比；脈沖上升和衰減時(shí)間

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全面加速，各行各業(yè)能源需求的增長(zhǎng)同傳統(tǒng)石化能源緊缺的矛盾日益突出，核電站的出現(xiàn)和發(fā)展大大緩解了這一矛盾,而核電站的安全問題備受社會(huì)關(guān)注。核電站的定期安全檢查是其安全運(yùn)行的重要保證，無損檢測(cè)又是定期安全檢查的重要手段。在核電站中，冷卻用管道局部減薄缺陷是較為常見的安全問題之一，管道中液體的流動(dòng)加速腐蝕和液滴沖擊易造成內(nèi)管壁局部減薄，當(dāng)管壁減薄到一定程度后，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果[1]。因此，為了保證核電站結(jié)構(gòu)安全及減少管道不必要的更換次數(shù)，需定期對(duì)管壁厚度進(jìn)行定量無損檢測(cè)。

脈沖渦流檢測(cè)具有頻率廣、檢測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)深部缺陷和多層結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)具有優(yōu)勢(shì)。核電站冷卻管管壁較厚，常規(guī)渦流檢測(cè)方法由于趨膚效應(yīng)，檢測(cè)深度有限，因此脈沖渦流檢測(cè)方法被認(rèn)為是較有效的檢測(cè)手段。目前，對(duì)脈沖渦流檢測(cè)的研究較多，其中包括脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)選擇對(duì)于檢測(cè)靈敏度影響的研究等，但是脈沖激勵(lì)信號(hào)的基頻、占空比以及脈沖上升和衰減時(shí)間變化對(duì)脈沖渦流檢測(cè)靈敏度的影響尚不明確。

基于以上背景，筆者主要分析了脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)的基頻和占空比對(duì)脈沖渦流檢測(cè)靈敏度的影響，以及脈沖上升和衰減時(shí)間對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。

1　脈沖渦流檢測(cè)基本原理

脈沖渦流的基本原理是:在激勵(lì)線圈中通入一定占空比的方波電流作為激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，激勵(lì)線圈周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng);當(dāng)激勵(lì)線圈接近金屬被測(cè)體時(shí)，導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生瞬變的渦流和渦流磁場(chǎng)，隨著渦流磁場(chǎng)的衰減，檢測(cè)線圈感應(yīng)出隨時(shí)間變化的電壓[2]。在實(shí)際試驗(yàn)中，通常在激勵(lì)線圈底部加磁場(chǎng)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量，所以文中數(shù)值模擬部分檢出結(jié)果分析均為磁場(chǎng)信號(hào)分析。圖1為脈沖渦流檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)框圖。

圖1　脈沖渦流檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)框圖

2　數(shù)值模擬與信號(hào)分析

文章基于頻域疊加方法，開發(fā)了求解脈沖渦流信號(hào)的快速算法[3-9]。脈沖渦流檢測(cè)的激勵(lì)源主要是脈沖方波電流，通過離散傅里葉變換，將脈沖方波離散成一系列具有不同諧波頻率和振幅的正弦波的總和；由于文章僅考慮脈沖渦流問題的線性特性，因此它的響應(yīng)信號(hào)也是由一系列具有不同諧波頻率且與激勵(lì)信號(hào)頻率相同的正弦波組成，通過疊加組合即可求解響應(yīng)信號(hào)。筆者基于以上原理，開發(fā)了脈沖渦流信號(hào)的有效求解程序并進(jìn)行了驗(yàn)證。

基于此，筆者分析了脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)選取對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。

2.1基頻和占空比對(duì)脈沖渦流檢測(cè)靈敏度的影響

基頻和占空比是表征脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)的兩個(gè)重要參數(shù)，不同的基頻和占空比設(shè)定，會(huì)產(chǎn)生不同的檢測(cè)效果。根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康暮侠淼卦O(shè)定基頻和占空比大小，有助于達(dá)成試驗(yàn)?zāi)康?，這就要求了解基頻和占空比對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。

2.1.1仿真模型

鑒于核電站冷卻管管道材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定仿真模型為兩塊長(zhǎng)度300 mm，寬度100 mm，厚度20 mm的AISI 316奧氏體不銹鋼，其中一塊無缺陷，作為參考試件;另一塊試件底部中心含矩形槽缺陷，缺陷尺寸為寬度20 mm，深度10 mm。試件磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為1.35×106S·m-1。激勵(lì)線圈位于試件表面的中心位置，檢測(cè)線圈距激勵(lì)線圈30 mm，提離0.5 mm;激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈內(nèi)直徑均為5 mm，外直徑均為10 mm，高度均為5 mm;激勵(lì)線圈匝數(shù)為296匝，檢測(cè)線圈匝數(shù)為3 446匝，激勵(lì)電流為1 A，檢測(cè)點(diǎn)位于激勵(lì)線圈底部中心位置，如圖2所示。

圖2　試件模型示意

2.1.2占空比對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

為分析占空比對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，將基頻設(shè)定為200 Hz，占空比分別取10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，獲得不同占空比時(shí)檢測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)大小，提取缺陷件和參考件的差分信號(hào)的峰值(除了50%占空比上升沿下降沿峰值絕對(duì)值相等外，其余均不等，為便于比較，取差分信號(hào)的上升沿和下降沿峰值絕對(duì)值的平均數(shù)作為特征值)，如圖3所示。由圖3可觀察到：曲線以50%占空比為最高點(diǎn)，對(duì)稱分布，即當(dāng)占空比比值互補(bǔ)時(shí)，峰值大小相等，且當(dāng)占空比為50%時(shí)，峰值達(dá)到最大值，以上現(xiàn)象均與基頻能量占比有關(guān)[10]。圖4為基頻能量占比圖，由圖可見，當(dāng)占空比互補(bǔ)時(shí)，基頻能量占比相等，檢出磁場(chǎng)差分信號(hào)峰值大小相等，曲線對(duì)稱分布；當(dāng)占空比為50%時(shí)，基頻能量占比達(dá)到最大值，峰值相應(yīng)也取得最大值。

圖3　占空比對(duì)差分脈沖信號(hào)峰值的影響

圖4　不同占空比方波激勵(lì)信號(hào)的基頻能量占比圖

2.1.3基頻對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

基于占空比對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，將占空比設(shè)定為50%，通過改變基頻，獲得檢測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)大小，提取缺陷件和參考件的磁場(chǎng)差分信號(hào)峰值作為特征量并加以分析。基頻分別取10，20，40，80，125，200，500，1 000，2 000 Hz，基頻改變時(shí)峰值的變化曲線見圖5。從圖5可看出，當(dāng)基頻小于200 Hz時(shí)，峰值基本穩(wěn)定；當(dāng)基頻大于200 Hz時(shí)，隨著基頻的增大，峰值下降明顯。

圖5　基頻改變時(shí)峰值的變化

在傳統(tǒng)渦流檢測(cè)技術(shù)中，受趨膚效應(yīng)的影響，隨著頻率的增大，趨膚深度減小。在脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)中，趨膚效應(yīng)的影響因?yàn)榉讲?lì)有所改善，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為正弦波時(shí)，根據(jù)趨膚深度公式可以得到趨膚深度20 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為589 Hz，結(jié)合基頻能量占比，可得到占空比為50%時(shí)，基頻在140 Hz左右；所以當(dāng)基頻大于200 Hz時(shí)，隨著基頻的升高，峰值下降明顯。

圖6　基頻占空比改變時(shí)的峰值變化

2.1.4基頻、占空比選定原則

綜合基頻和占空比部分計(jì)算結(jié)果，得到基頻占空比改變時(shí)的峰值變化曲線，如圖6所示。當(dāng)占空比為10%或者90%時(shí)，可以通過減小基頻，得到較大的峰值；當(dāng)占空比為50%時(shí)，若基頻過大，得不到理想的峰值，若基頻過小，則造成能量浪費(fèi)。如果以檢出電壓差分信號(hào)峰值作為特征量，試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有所不同，所以在設(shè)定占空比和峰值時(shí)，應(yīng)盡量考慮試驗(yàn)需求。若將檢出磁場(chǎng)差分信號(hào)峰值作為特征量提取時(shí)，基頻選擇根據(jù)脈沖渦流趨膚深度確定合適的頻率范圍，占空比為50%，檢測(cè)靈敏度更高。

圖7　脈沖上升/衰減時(shí)間變化時(shí)的激勵(lì)信號(hào)與磁場(chǎng)差分信號(hào)

2.2脈沖上升和衰減時(shí)間對(duì)脈沖渦流檢測(cè)靈敏度的影響

在介紹脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)原理時(shí)提到的激勵(lì)源主要是方波脈沖電流，這里所說的方波都是近似方波，理想方波在高低電平間的瞬時(shí)變化，無論在試驗(yàn)中還是在數(shù)值模擬中，都是不可能達(dá)到的；所以，激勵(lì)電流從低值上升到高值和從高值下降到低值都有相應(yīng)的脈沖上升時(shí)間和脈沖衰減時(shí)間，通過改變脈沖上升和衰減時(shí)間，筆者發(fā)現(xiàn)檢測(cè)靈敏度受到影響。當(dāng)基頻為200 Hz，占空比為50%時(shí)，將脈沖上升時(shí)間占比分別設(shè)定為25%，10%，5%，2.5%，1%，0.5%，對(duì)應(yīng)的脈沖上升和衰減時(shí)間分別是1 250，500，250，125，50，25 μs，激勵(lì)信號(hào)如圖7(a)所示。在此激勵(lì)條件下，得到檢出磁場(chǎng)差分信號(hào)，如圖7(b)所示，提取峰值，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖上升和衰減時(shí)間的減少，檢測(cè)靈敏度不斷增大，如圖8所示。

圖8　脈沖上升/衰減時(shí)間變化時(shí)的峰值變化圖

鑒于以上數(shù)值模擬結(jié)果，分析了不同脈沖上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的頻譜圖，如圖9所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，脈沖上升越快，基頻系數(shù)越大，反之，基頻系數(shù)越小，如圖10所示。結(jié)合圖8結(jié)果，得到，基頻對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響非常重要，基頻比重越大，檢測(cè)靈敏度越高。因此可得，脈沖上升越快，基頻系數(shù)越大，檢測(cè)靈敏度越高。

圖9　激勵(lì)信號(hào)頻譜圖(前15階)

圖10　脈沖上升時(shí)間變化時(shí)的基頻系數(shù)圖

3　結(jié)語

基于頻域疊加方法，開發(fā)了求解脈沖渦流信號(hào)的快速算法，研究了基頻、占空比以及脈沖上升和衰減時(shí)間對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，并分析了原因，給出了基頻、占空比選定原則：檢測(cè)試件的底部缺陷時(shí)，占空比選擇50%較好，基頻依據(jù)集膚深度和基頻能量占比并結(jié)合試件厚度來確定，脈沖上升越快越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于試件的復(fù)雜性以及試驗(yàn)要求的不同，需要綜合考慮確定參數(shù)，確保檢測(cè)效果達(dá)到最佳。對(duì)上述給出的基頻和占空比選定原則，下一步將進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

[1]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, CHEN Hong-en, et al. Sizing of wall thinning defects using pulsed eddy current testing signals based on a hybrid inverse analysis method[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49:1653-1656.

[2]徐平,羅飛路,張玉華,等.基于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的缺陷定量檢測(cè)研究[J].工業(yè)計(jì)量,2006,16(2):6-10.

[3]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, WANG Li, et al. An inversion scheme for sizing of wall thinning defects from pulsed eddy current testing signals[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2012, 39:203-211.

[4]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Efficient numerical solver for simulation of pulsed eddy current testing signals[J]. IEEE Transactions on Magnetics[J]. 2011, 47:4582-4591.

[5]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Development of a very fast simulator for pulsed eddy current testing signals of local wall thinning[J]. NDT&E International, 2012, 51:45-50.

[6]LI Yong, LIU Xiang-biao, CHEN Zhen-mao, et al. A fast forward model of pulsed eddy current inspection of multilayered tubular structures[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanic[J]. 2014, 45:417-423.

[7]XIE She-juan, CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Quantitativenon-destructive evaluation of wall thinning defect in double-layer pipe of nuclear power plants using pulsed ECT method[J]. NDT&E International, 2015, 75: 87-95.

[8]LI Yong, TIAN Gui-yun, ANTHONY S. Fast analytical modelling for pulsed eddy current evaluation[J]. NDT&E International, 2008, 41(6):477-483.

[9]李勇，齊勇，陳振茂，等.基于脈沖渦流差分信號(hào)提離交匯點(diǎn)的亞表面層材質(zhì)劣化檢測(cè)技術(shù)理論研究[J].無損檢測(cè)，2012, 34(7):1-5, 10.

[10]陳飛,王志誠(chéng).懸索結(jié)構(gòu)基頻能量法分析[J]. 四川建筑, 2006, 26(4):83-84.

Influence of Excitation Parameters on Detection Sensitivity for PECT

ZHAO Ying1, XIE She-juan1, ZHANG Dong-liang2, TIAN Ming-ming1, WU Lei1, LI Yong1, CHEN Zhen-mao1

(1. Shanxi Engineering Research Center for NDT and Structural Integrity, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China 2.School of Mechanical Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

Pulsed eddy current testing (PECT) is a new nondestructive testing technology developed in recent years. Selection of appropriate parameters of excitation signals for PECT method has important effect on pickup signals. In this paper, the efficient numerical solver of PECT is developed based on frequency domain summation method at first. Then, the influences of fundamental frequency, duty ratio, pulsed rising time and falling time on detection sensitivity are investigated. In addition, the reason of the influences is analyzed from the viewpoint of frequency spectrum characteristics of excitation signals. Finally, the principle of how to choose appropriate fundamental frequency and duty ratio is proposed.

PECT; Fundamental frequency; Duty ratio; Pulsed rising and falling time

2016-06-22

國(guó)家磁約束聚變資助項(xiàng)目(2013GB113005)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407132, 51277139, 51577139)。

趙瑩(1988-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)方法。

解社娟(1983-)，女，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)與斷裂力學(xué)，E-mail: xiesj2014@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201610004

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0014-04