基于脈沖渦流的金屬薄板厚度檢測研究

趙 桐,彭 斌

(電子科技大學(xué)，電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 611731)

0 引言

在不影響被測對象使用性能的前提下，電渦流檢測利用電磁感應(yīng)原理，通過測量被測工件內(nèi)感生渦流的變化對工件的質(zhì)量、服役狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行無損檢測與評估[1-2]。其應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，在金屬材料厚度檢測、亞表面缺陷檢測和鐵磁性材料的腐蝕減薄檢測與評估等方面均有實(shí)際的應(yīng)用[3-4]。

與傳統(tǒng)的單頻正弦渦流檢測比較，脈沖渦流檢測具有很多優(yōu)勢。傳統(tǒng)渦流檢測將正弦電流作為激勵，而脈沖渦流采用具有一定占空比的方波信號作為激勵信號，相比而言，脈沖渦流檢測滲透深度大，探頭響應(yīng)的信息量更豐富，具有更多的特征量。并且脈沖渦流信號具有連續(xù)頻譜，可以在某一范圍內(nèi)提供多頻激勵，比多頻渦流信號響應(yīng)更快。近幾年來脈沖渦流檢測得到了重視，逐漸發(fā)展成為了一項(xiàng)重要的無損檢測技術(shù)[5]。

脈沖渦流檢測技術(shù)有很多的特征量，如峰值、峰值時間和過零時間等[6]。然而這些特征參量容易受到噪音信號的干擾，因此表征金屬薄板厚度的特征量一直是諸多學(xué)者和研究人員所關(guān)心的重要問題。

為了研究脈沖渦輪傳感器測試金屬薄板厚度的方法，本文設(shè)計了一種帶有高磁導(dǎo)率純鐵屏蔽罩的脈沖渦流傳感器。研究了傳感器測試到的差分信號與金屬薄板厚度的變化關(guān)系，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了時域和頻域的分析，探究了各種特征量與金屬薄板厚度的變化關(guān)系。

1 脈沖渦流檢測原理

1.1 脈沖渦流測厚理論

脈沖渦流檢測是將具有一定占空比的方波電流加載到激勵線圈上，當(dāng)脈沖渦流傳感器靠近金屬薄板時，激勵線圈產(chǎn)生的初級磁場會使金屬薄板中感生出沿縱向方向呈指數(shù)型衰減的渦流，變化的感生渦流又會產(chǎn)生與初級磁場成反向作用的次級磁場[7]，如圖1所示。當(dāng)渦流的趨膚深度和金屬薄板厚度相近時，隨著金屬薄板厚度的變化，感生出的渦流大小也會發(fā)生變化。通過放置在線圈骨架底部中心位置的霍爾傳感器測量初級磁場和次級磁場疊加后的感應(yīng)電壓值，可以得到渦流信號與金屬薄板厚度的變化關(guān)系，從而表征金屬薄板厚度[8]。

圖1 脈沖渦流檢測原理圖

1.2 脈沖渦流趨膚深度研究

當(dāng)金屬薄板放置在變化的磁場中，感生的渦流在金屬薄板表面密集分布，沿著縱向方向呈指數(shù)型衰減，其表達(dá)式如式(1)。渦流密度衰減到表面1/e的深度稱為趨膚深度，用來衡量渦流探測能力[9]。趨膚深度δ的函數(shù)表達(dá)式如式(2)。

(1)

(2)

式中：Jz為距離金屬薄板表面深度為z處的電渦流密度，A/m2；J0為金屬薄板表面的電流密度，A/m2；ω為激勵信號的角頻率，rad/s；μ為金屬薄板的磁導(dǎo)率，H/m；σ為金屬薄板的電導(dǎo)率，S/m。

脈沖渦流信號是由一個直流信號和許多諧波成分組合而成的。假設(shè)該信號的周期為T，占空比為Δ，如圖2所示。

圖2 脈沖信號

此信號的傅里葉級數(shù)展開式如式(3)：

(3)

將諧波角頻率ωn代入到式(2)中可知，n次諧波對應(yīng)的趨膚深度如式(4)所示：

(4)

由式(4)可知，在電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不變的情況下，通過調(diào)節(jié)脈沖信號周期，可以調(diào)節(jié)其對應(yīng)的趨膚深度。

2 傳感器設(shè)計與制作

2.1 建模仿真

相比矩形探頭，圓柱形脈沖渦流探頭內(nèi)部可以產(chǎn)生較大的磁場，且磁場沿中心軸對稱。根據(jù)前述脈沖渦流測厚理論，可知金屬薄板厚度的檢測歸結(jié)于從感應(yīng)電壓中找到合適的特征參量。因此，獲得合適的感應(yīng)電壓是脈沖渦流測厚技術(shù)的關(guān)鍵，在保持探頭提離高度、激勵信號電流和被測金屬薄板厚度不變的前提下，采用控制單一變量法分別對激勵線圈的內(nèi)徑、寬度、高度和匝數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。設(shè)計了一種具有最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的圓柱形脈沖渦流傳感器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：激勵線圈內(nèi)徑為20 mm，寬度為4 mm，高度為16 mm，線圈匝數(shù)為400。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際測試中，激勵線圈產(chǎn)生的初級磁場較小，金屬薄板感生出的次級磁場隨之變小。因此，脈沖渦流傳感器測試到的疊加磁場也很小，不利于對金屬薄板厚度的測試。為了提高傳感器測試靈敏度，如果一味地提高激勵線圈的電流強(qiáng)度，造成線圈發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致其內(nèi)部阻抗發(fā)生變化，無法保證線圈電流恒定，則初級磁場發(fā)生變化，造成實(shí)驗(yàn)的絕對誤差。本文采用添加高磁導(dǎo)率純鐵屏蔽罩方法，將磁感應(yīng)線束縛在傳感器內(nèi)部，使其溢出的磁感應(yīng)線大幅度減少。

2.2 制作與測試

采用聚丙烯材料制作激勵線圈骨架。采用線徑為0.35 mm的紫銅線制作激勵線圈。在線圈骨架底部中心位置放置霍爾傳感器(CC6501)，測量軸向疊加磁場。最后在線圈骨架上裝配具有高磁導(dǎo)率純鐵屏蔽罩，用來提高傳感器的測試靈敏度。

采用函數(shù)信號發(fā)生器(MHS5200P)為激勵線圈提供任意頻率和占空比的方波信號。采用穩(wěn)壓電源(Agilent E3632)給霍爾傳感器提供5 V的直流電壓，保證其正常工作。采用示波器(Tektronix MSO2024)對霍爾傳感器測得的感應(yīng)電壓進(jìn)行實(shí)時采集和顯示。

采用6061航空鋁板作為被測金屬薄板，厚度范圍為2～6 mm，間隔為1 mm。利用脈沖渦流傳感器分別在空載和不同厚度金屬薄板上進(jìn)行測試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 脈沖渦流激勵信號頻域特性

測試時施加一個幅值為8 V，頻率為200 Hz，占空比為50%的脈沖方波激勵信號。該信號進(jìn)行傅里葉變換和歸一化處理后，可得歸一化的頻譜圖，如圖4所示。

圖4 脈沖渦流激勵信號的頻譜圖

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，脈沖渦流激勵信號只有在基頻和奇數(shù)頻率下有幅值。與奇數(shù)頻率的幅值比較，基頻的幅值在整個頻率范圍內(nèi)所占的比重很大，可知基頻是整個頻譜圖的主要成分。因此，分析差分信號的基頻幅值與金屬薄板厚度的變化關(guān)系變得尤為重要。

3.2 脈沖渦流差分信號

3.2.1 脈沖渦流差分信號時域圖

激勵線圈施加電壓幅值8 V，占空比50%，頻率分別為100、200、300 Hz的方波信號。分別在空載和不同厚度金屬薄板上測量感應(yīng)電壓。將空載時測得的感應(yīng)電壓作為參考電壓，不同厚度金屬板上測得的感應(yīng)電壓作為被檢試件的響應(yīng)信號，參考電壓減去被檢試件的響應(yīng)電壓，可以得到所需的差分電壓。激勵頻率分別為100、200、300 Hz的差分電壓時域圖如圖5所示。

(a)100 Hz

(b)200 Hz

(c)300 Hz圖5 差分信號時域圖

從圖5可以看出，設(shè)計制作的脈沖渦流傳感器在這3個激勵頻率下都可以區(qū)分不同厚度金屬薄板。并且隨著激勵頻率增大，差分電壓逐漸減小。這是因?yàn)闇u流脈沖信號的趨膚深度隨著激勵頻率的增大逐漸減小，感生的電渦流面積在減小，電渦流產(chǎn)生的次級磁場也隨之減小。在初級磁場基本不變的條件下，初級磁場與次級磁場的疊加得到的被檢試件響應(yīng)電壓變大。與參考電壓相減后，得到的差分電壓減小。

3.2.2 峰值、峰值時間和基頻幅值

從圖5所示的時域圖選取每條曲線的最大值，即為峰值，最大值所對應(yīng)的橫坐標(biāo)是峰值時間，作與金屬薄板厚度的關(guān)系曲線，可得圖6。

(a)100 Hz

(b)200 Hz

(c)300 Hz圖6 峰值、峰值時間與金屬薄板厚度的關(guān)系曲線

從圖6可以看出，隨著金屬薄板厚度增加，峰值增大。這是因?yàn)楫?dāng)渦流信號的趨膚深度與待測金屬薄板的最大厚度相近時，隨著金屬薄板厚度增加，感應(yīng)出的電渦流面積增加，產(chǎn)生的次級磁場變大，與初級磁場疊加得到的被檢試件響應(yīng)電壓變小。在空載時得到的參考電壓不變的情況下，兩者相減，差分電壓增大。電渦流傳播深度隨著金屬薄板厚度增加逐漸變大，電渦流傳到金屬薄板表面所需的時間越大。因此，峰值時間也隨著金屬薄板厚度增加而增大。

將圖5(b)所示的200 Hz差分電壓時域圖進(jìn)行傅里葉變換，如圖7(a)所示，將橫坐標(biāo)的頻率換算成對應(yīng)的趨膚深度，可得圖7(b)。從圖7可知，在不同厚度金屬薄板下，基頻和各次諧波對應(yīng)的幅值大小不同。

(a)

(b)圖7 差分電壓頻域圖(f=200 Hz)

脈沖激勵頻率分別為100、200、300 Hz時，差分電壓的基頻幅值與金屬薄板厚度的關(guān)系曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，在3個不同的激勵頻率下，基頻幅值與金屬薄板厚度基本成線性關(guān)系。其中激勵頻率為200 Hz時所對應(yīng)的曲線線性度最好。當(dāng)脈沖信號激勵頻率為100、200、300 Hz時，基頻對應(yīng)的趨膚深度分別為9.7、6.6、5.2 mm?？芍}沖信號基頻對應(yīng)的趨膚深度稍大于待測金屬薄板的最大厚度時，此時表征金屬薄板厚度效果最好。

與圖6的峰值和峰值時間曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)基頻幅值更適合用于表征金屬薄板厚度。脈沖信號的激勵頻率最好選擇其基頻，對應(yīng)的趨膚深度稍大于待測金屬薄板的最大厚度。

4 結(jié)束語

(a)100 Hz

(b)200 Hz

(c)300 Hz圖8 基頻幅值與金屬薄板厚度的關(guān)系曲線

本文以不同厚度金屬薄板為研究對象，采用具有高磁導(dǎo)率純鐵屏蔽罩的脈沖渦流傳感器進(jìn)行檢測，從時域和頻域上探究了差分電壓與金屬薄板厚度的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明，從時域上來看，差分電壓的峰值和峰值時間都隨金屬薄板厚度的增加而增大。頻域上，基頻幅值隨金屬薄板厚度增大成線性變化。因此基頻幅值更適合表征金屬薄板厚度。脈沖渦流激勵頻率最好選擇其基頻,對應(yīng)趨膚深度稍大于待測金屬薄板的最大厚度，檢測性能最好。本文的研究為下一步金屬薄板厚度的檢測提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。