脉冲涡流测厚中的传感器提离效应补偿方法*

吴月东 黄 琛 熊 波 刘 义

(1.北京西三环中路19号 北京 100071)(2.中国舰船研究设计中心电磁兼容性重点实验室 武汉 430064)



脉冲涡流测厚中的传感器提离效应补偿方法*

吴月东1黄 琛2熊 波2刘 义2

(1.北京西三环中路19号 北京 100071)(2.中国舰船研究设计中心电磁兼容性重点实验室 武汉 430064)

铁磁性材料的脉冲涡流测厚信号对试件厚度和传感器提离效应均较敏感,对壁厚特征量的提取造成困难。为了消除提离效应,提出了基于相对磁通量计算的信号处理方法。试验结果显示相对磁通量法对提离效应不敏感,其信号处理结果只与板厚有关。

脉冲涡流检测; 铁磁性材料板材; 提离效应

Class Number TM154

1 引言

脉冲涡流无损检测手段(PEC)是一种金属测厚与缺陷检测的新型电磁方法[1～3]。其脉冲回波信号所提供的丰富的频率分量,使该方法具有较大的穿透深度,同时也为后续信号处理带来一定困难。随着涡流检测理论的不断完善及信号处理方法的进步,脉冲涡流信号的解释近年来取得了长足发展。按照其试材的属性,可分为两类:非铁磁性材料测试与铁磁性材料测试。

非铁磁性材料测试适合于飞行器多层铆接结构及带状铜、铝或一些高合金材料的检测[4～7]。而铁磁性材料测试则可用于检测带包覆层管道或压力容器因大面积腐蚀造成的厚度变化[8～10]。

与传统涡流检测方法特性一样,PEC方法对传感器提离效应非常敏感。提离效应将导致PEC信号相位与幅值的变化,从而遮盖因厚度变化造成的信号变化。

本论文提出了一种适用于铁磁性材料检测中,消除提离效应的方法,该方法不需要额外的测量次数或参考信号提供辅助。

2 提离效应补偿方法

以在20mm厚16Mn容器钢板上得到的一组信号为例,该组信号是在不同的传感器提离高度下得到的,如图1所示。

图1 一组在20mm钢板上得到的脉冲涡流测试信号

假设在无提离环境下测试得到的信号幅值为100%,则由提离引起的信号幅值时域衰减(百分比)如图2所示。

由图2可知,由一定提离高度引起的时域信号幅值衰减量并不是常数。大的提离高度将导致大的衰减。图2显示衰减量对噪声也比较敏感(典型如220ms之后的信号)。因此,以简单的对信号各取样点乘以一个常数补偿提离效应的方法是行不通的,也很难找导一种消除提离效应的线性补偿方法。

对于从线圈结构传感器得到的连续PEC信号,其起始时间为t0,则原始时域信号v(t)显示了绝对磁通量变化,其定积分(以w(t)表示)由时间t0～t的信号v(t)积分而来,理论上分析,应从激励电流关断时(t0=0ms)开始积分,w(t)表征了通过线圈的绝对磁通量的值。

式(1)说明了PEC连续信号的相对磁通量变化率s(t)的计算方法。

(1)

对于时间离散的PEC时域检测信号V[N],其积分由由梯形数字积分计算,如式(2)所示:

(2)

V[N0]是离散PEC信号的起始点。理论上V[N0]与v(t0)相等。积分曲线W[N]有经过一段时间后趋于常数的特性,此时激励电流达到稳态。当将V[N]与W[N]点对点相除时,可得到S[N],即数字采样的离散PEC信号的相对磁通量变化率。这个过程由式(3)表示:

+V[M+1])/2]N>N0+1

(3)

给定采样频率,则很容易由离散信号的索引值N转换为时间单位t,这样我们可由S[N]得到s(t)。s(t)就是处理后的信号,可由其进行壁厚特征量提取的后续操作。

3 实验设置

制作的一套脉冲涡流实验系统,方波电流激励幅值为3.8A,关断时间小于1ms。实验数据由采样率为25kHz的16位精度数据采集卡采集。采样时间为984ms。并制作了线圈式传感器以适应本方法。

四块大小一致,厚度不同的16Mn容器钢为本实验试样。板材长宽尺寸为500mm×500mm,厚度分别为10mm,20mm,30mm,45mm。

4 实验结果与讨论

待处理的信号为上述四块钢板分别在0mm,8mm,16mm,24mm,32mm及40mm提离高度下得到的信号。原始信号因提离效应影响,无法区分试件厚度。

图3显示了24个笛卡尔坐标系下经过处理的时域信号(即相对磁通量变化率)。由图3可知,24个信号分成了四簇,每簇信号为同一厚度下不同提离条件下的信号。

图3 笛卡尔坐标系下经过处理的信号

使用评价波形相似度的方法可定量本方法的效果。当指定一个经过处理的信号为标准参考信号时,以方差和(SSE)指标作为评价指标,小的方差和说明了波形的高相似度,反之亦然。

无提离条件下的信号被选为参考信号。例如,在10mm厚度板上,以不同提离高度得到的信号与无提离高度时得到的信号进行求SSE运算,其它20mm～45mm厚度板材上得到的信号也进行次操作。SSE值如表1所示。可见对于同一板厚,不同提离条件下的SSE值大约在10-7～10-6量级。

表1 不同提离高度下的SSE值

接下来验证该方法不会消除壁厚变化带来的信号变化。当比较同一提离高度下得到不同板厚信号时,SSE值如表2所示。可见SSE值大约在10-5～10-4量级。

表2 不同板厚条件下SSE值

由表1和表2可知,在不同壁厚条件下最小SSE值为7.93E-05。在不同提离高度下,最大SSE值为1.71E-06。因此最大提离效应减小到最小壁厚效应的2.16%。

5 结语

提出了一种基于相对磁通量变化率的铁磁性材料PEC检测信号的提离效应消除方法。根据波形相似度评价指标,该方法的效果得以定量描述。结果显示提离效应被减少到壁厚变化效应的2.16%。

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Compensation Method of Sensor Lift-off Effect to Thickness Measurement of Pulsed Eddy Current

WU Yuedong1HUANG Chen2XIONG Bo2LIU Yi2

(1. No. 19 Central Xisanhuan Road, Beijing 100071)(2. The National Key Laboratory of EMC, China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

It is sensitive for specimen thickness and sensor lift-off effect to the pulsed eddy current thickness measurement signal of ferromagnetic materials. That causes difficulties to the extraction of wall thickness quantities. In order to eliminate the lift-off effect, the signal processing method is proposed based on the calculated relative flux. The results show that the relative flux method is not sensitive to the lift-off effect and the signal processing results is related only to the specimen thickness.

pulsed eddy current test, magnetic iron plate, lift-off effect

2014年9月1日,

2014年10月26日

吴月东,男,硕士,工程师,研究方向:装备采购。

TM154

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.034