脉冲涡流多层厚度检测与时频特征量提取*

王志春， 王玉玺

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

0 引 言

金属板材厚度是产品质量、设备服役状态的重要参数，如金属板(铜、铝、钢板等)轧制过程中的厚度检测、各类金属中缺陷的检测等[1]，因此，准确、快速测量金属板材厚度至关重要。电磁涡流检测是无损检测领域的五大常规检测方法之一( 射线、超声、磁粉、渗透和涡流)，具有实现非接触检测，能穿透被测件的覆盖层等优点[2]。其中脉冲涡流测厚法不需要耦合剂，其可在拆除保温层的管道壁厚的检测得到使用，也可在高温等恶劣环境下使用，而且操作方便、检测速度快、易于实现自动化，在金属材料的厚度检测中应用十分广泛[3]。因此，在进行金属缺陷和厚度的检测的研究中，脉冲涡流有其重要的研究意义[4]。本文利用激励脉冲频率成分丰富的特点，深入开展了时域和频域特征提取技术的研究，更好地分析被测材料的信息[5]。

1 理论基础

1.1 脉冲涡流测厚理论

脉冲信号源产生具有一定占空比的方波，并加到激励线圈两端，此时在激励线圈中就会产生周期的脉冲电流。激励线圈中的电流便会感生出一个快速衰减的脉冲磁场，变化着的磁场在被测材料中感应出瞬时涡流，向被测材料内部传播，并感应出一个快速衰减的涡流磁场[6]。随着涡流磁场的在导体内的变化，再检测线圈则会感应出随时间变化的电压。由于脉冲涡流在被测材料内部的传播过程是逐渐衰减的，对于不同厚度的导体试件，得到的瞬态感应电压信号不同。所以，通过对检测到的电压信号进行分析，找到感应电压与被测导体试件厚度的相应的规律，实现对导体材料的厚度检测[7]。

1.2 脉冲涡流渗透深度分析

由涡流的趋肤效应可知，涡流总是集中在接近线圈的导体表面。对于不同电导率金属材料，在导体的横截面，其电流密度分布也呈现出很大差异，从工件表面向其内部衰减，并且是按负指数规律衰减

(1)

式中J0为导体表面的涡流密度;Jx为距导体表面为x处的涡流密度;f为交流电流的频率;μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率。

为了更确切地表明脉冲涡流在被测导体内的衰减情况，引入了表示衰减特性的物理量:渗透深度δ。定义为:涡流密度衰减到导体表面处的1/e时，距离导体表面的距离

(2)

涡流的检测深度由渗透深度δ定性反映[8]，δ变大，对应的涡流检测的深度也会随之增大；反之，则会减小。但δ并不是涡流检测所能达到的最大深度。涡流所能检测的最大深度可达2.6倍的渗透深度，在此深度时，涡流密度已经衰减得很小，且为表面密度的5%。通常情况下，定义2.6δ的渗透深度作为涡流的有效渗透深度。根据分析，定义涡流有效渗透深度为L，即

(3)

由式(3)可得，对不同电导率的金属材料有其对应的最大检测厚度，进而确定在相应的测厚范围内应用脉冲涡流检测技术[9]。

2 建模与仿真

2.1 建 模

对于被测材料，选取两种不同电导率的金属(45#钢和铝)叠放，进而测得不同厚度金属对应的感应差压信号。图1为经过网格剖析的差分传感器模型。

图1 差分传感器模型

在不同检测环境下，多层金属材料厚度的测定由于其属性不同，增加了检测难度，为了测定金属材料的厚度，本文根据被测材料电导率的不同，将其分为上下两层的被测导体，并设计两种不同的方案：1)上层被测金属材料的电导率小于下层被测金属材料，上层金属材料选定为45#钢，下层金属材料选定为铝，如图2(a)；2)上层被测金属材料的电导率大于下层被测金属材料，上层金属材料选定为铝，下层金属材料选定为45#钢，如图2(b)。

图2 两层不同材料的被测导体

2.2 仿真参数选取

由脉冲涡流测厚原理，将被测导体厚度的计算转换为找到检测线圈上的电压信号。因此，只要能够找出检测线圈上的电压与被测材料厚度之间的对应关系，即可实现脉冲涡流对金属导体的厚度测量。 在保持提离距离、激励信号等条件不变的情况下，采用不同厚度的被测材料，得到不同厚度被测导体对应的电压，进而找出被测导体的厚度与电压之间的变化关系[10]。仿真参数以及金属材料参数如表1和表2所示 。

表1 仿真参数

表2 金属材料的参数

3 数据处理与分析

3.1 仿真结果

由表1所选的仿真参数，并且根据仿真时所要求的约束条件，通过Ansoft仿真[11]，即可得到在不同厚度时对应的电压变化规律。本文仅列出了2 mm 45#钢、2 mm及0.50 mm铝、1 mm 45#钢的金属材料的波形，观察检测端及参考端电压的仿真结果。

1)激励脉冲电压

Ansoft仿真时所选的激励电压的参数：脉冲电压幅值-5～5 V，占空比50 %，激励频率1 kHz。

“用曲的话来说，这难道不是老公的义务吗？但这打死也不能说。Y反复强调，S跟她说过的，跟曲的婚姻没有爱情，也几乎没有性生活，曲对S没有热情，而S也不渴念她的身体——就是因为这句话，Y才决定跟他好的，否则，她还搞什么呢，绝不会让S碰她。”

2)检测端与参考端电压

在图3中绘出检测端以及参考端的电压波形。

图3 检测端与参考端线圈的电压

3.2 数据分析

3.2.1 时域信号特征值提取

对脉冲涡流信号进行时域分析，通常采用差分信号进行信号的特征提取,主要有脉冲涡流差分信号的峰值、过零时间等。图4为检测端与参考端的感应差分信号，其中比较两图可以发现，在同一时刻，其差分信号所对应的幅值相反。

图4 检测端与参考端差分感应信号

图5为不同厚度对应的峰值，可以看出，在测量不同厚度的金属材料时，对于上层材料为45#钢(下层材料为铝)且厚度逐渐变化时，其对应的峰值呈现一定的线性关系，并且随着厚度的增加峰值逐渐增加；而对于上层材料为铝(下层材料为45#钢)，当厚度逐渐增加时，对应的峰值呈现非线性的关系。图6为不同厚度的金属材料对应的过零时间，可以得到当上层金属材料为铝(下层材料45#钢)，且金属铝的厚度逐渐变换时，其对应的过零时间与厚度呈现线性关系；而对于上层材料为45#钢(下层材料铝)，当45#钢的厚度逐渐变化时，其过零时间几乎保持不变。

图5 不同厚度的输出峰值电压

图6 不同厚度的过零时间

由此可见，针对不同电导率层金属的测定，有其对应不同的特征值。在上层电导率小于下层电导率的情况下，其电压幅值作为特征值比较理想，而过零时间不明显；在上层电导率大于下层电导率的情况下，其过零时间作为特征值比较理想，而电压峰值呈现非线性关系。

3.2.2 频域信号特征值提取

脉冲涡流拥有很宽的频宽，当激励信号经过被测材料被检测线圈捕获后，检测信号的频谱中即包含了金属材料厚度的信息[12]。由傅里叶级数展式可得，一个脉冲激励信号可以被分解为含有基波和许多谐波成分的组合

(4)

截取一个周期的差分信号，经过快速傅立叶变换(fast Fourier transform,FFT)后得到相频和幅频特性曲线，图7(a)为不同厚度钢的相频特性曲线，在图中每一条曲线均存在一个相位过零点[13]。

图7(b)为相位过零点的放大图，从图中可以得到不同厚度对应的零点逐渐左移，在钢的厚度为1～5 mm时与对应的厚度呈线性关系。图7(c)为不同厚度铝的相频特性曲线，图7(d)为经过放大得到的相频图，在图中也能够得到对应的相位过零点随着厚度的增加左移，在铝的厚度为0.25～1.25 mm时与对应的厚度呈线性关系。

图7 不同厚度的相频特性曲线

从图7中可以看出：当测量两层金属材料时，若下层电导率较大，基频幅值能够作为特征值；反之，则不能；比较图7(b)和图7(d)可知，对于不同电导率层的被测金属，在一定范围内，相位也可作为其特征值。

图8为不同厚度的材料经过FFT之后的基频幅值，在不断改变45#钢厚度(下层金属铝厚度不变)时，基频幅值随之增大，而当改变铝的厚度(下层金属45#钢厚度不变)时，铝的厚度增加时基频幅值反而减小。

图8 不同厚度的基频幅值

4 结 论

1)利用脉冲涡流对电导率不同的多层金属材料进行厚度测定时，当被测材料的上层电导率小于下层电导率时，检测响应信号的峰值、基频幅值可作为特征，并且基频幅值的线性度为最佳，而当被测材料的上层电导率大于下层电导率时，检测响应信号的过零时间可作为特征值。无论被测导体的电导率大小如何，相位均可作为其特征值，但相位作为特征值时其对应的测量范围较小。

2)脉冲涡流对被测材料进行测定时，对于上下两层不同电导率的分布，得到的差分响应信号在同一时刻对应的幅值相反，如在0.5 ms时刻，被测导体的上层电导率小于下层电导率时幅值为负值，而对于被测导体的上层电导率大于下层电导率时幅值为正值。为在不同金属电导率厚度的测定提供了理论依据。

[1] 张 震.脉冲涡流测厚技术研究[D].西安:西安理工大学,2007.

[2] 李培源，何宇廷，杜金强，等.基于柔性涡流传感器疲劳裂纹监测试验研究[J].传感器与微系统，2015,34(1):24-27.

[3] Abidin I Z，Tian G Y，Wilson J，et al． Quantitative evaluation of angular defects by pulsed eddy current ther-mography[J]．NDT&E International，2010，43:537-546．

[4] 刘世杭，过玉清.脉冲涡流感应测量方法的研究[J].东华大学学报,2001,27(6):49-52.

[5] 李 斌，孙忠林，彭芳瑜,等．叶片零件在线检测测点规划问题研究[J].中国机械工程，2008,19(5)：540-542.

[6] 周德强，田贵云，尤丽华,等.方向性脉冲涡流应力检测研究进展[J].传感器与微系统,2011,30(9):1-2.

[7] 周 昊.基于脉冲涡流信号主成分分析的金属测厚研究[D].西安:西安理工大学，2008.

[8] 柯 海.脉冲涡流测厚信号斜率法研究[D].武汉.华中科技大学，2013.

[9] 康学福.基于脉冲涡流信号的金属膜厚测量[D].天津:天津大学，2011.

[10] Ansoft在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2013.

[11] 徐晨曦，阙沛文，毛义梅.脉冲涡流检测系统的设计[J].传感器与微系统，2009,28(6):95-96.

[12] 周德强，张斌强，田贵云,等． 脉冲涡流检测中裂纹的深度定量及分类识别[J]．仪器仪表学报，2009，30(6):1190-1194．

[13] 高军哲.多频涡流无损检测的干扰抑制和缺陷检测方法研究[D].长沙:国防科技大学，2011.