脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展

第２６卷增刊２００６年１０月

冶金分析

ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ

Ｖｏｌ，２６．Ｓｕｐｐｌ

Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００６

检测信号，即瞬态感应电压ｖｆ的大小可根据法拉第电磁感应定律计算得出：巧：业掣（１）

｜Ｉｄｒｄｚ

其中，Ⅵ为理想点线圈的感应电压，其表达式为：

Ｋ２一盖ｆ』早…ｄｓ畦ａｆｆ（甲ｘＡ）’击

＝一ｆ丛ａｔ删（２）式中磁场强度Ｂ和矢量磁位Ａ均为与被检测对象电导率口、磁导率肛相关的函数。被检测试件上存在的缺陷将通过一、口两个物理参数的改变引起检测线圈输出信号电压的变化而反映出来。’

图２给出了典型的脉冲涡流探头扫过平板试样上人工槽伤时电压响应的时域信号［“。

圈２脉冲祸藏典型时域波形及特征参数对于脉冲涡流响应信号，一般采用电压峰值、峰值时间和过零时间这三个参数实现对缺陷的定量评价【４ｊ。其中，峰值是指脉冲涡流时域瞬态渡形上的电压最大值，峰值时间是指从涡流的上升沿激励开始到脉冲涡流感应信号达到峰值点的时间，过零时间是指从涡流的上升沿激励开始到脉冲涡流感应信号到过零点的时间。上述特征参数与引起该相应的缺陷的性质与状况有关：电压峰值与缺陷大小密切相关，峰值时间与缺陷位置有关，过零时闰与缺陷深度有关。需要指出的是，以上三个参数并不是单一对应缺陷的相关信息，而是对缺陷综合响应的结果，只是实际检测评价过程中选择各特征参数来表征其受缺陷影响更为显著的变化因素。

图３给出了图２中时域信号在不同频段的功率谱曲线。由此可以看出具有以下特征：（１）谱线上在低频段和高频段各有一个峰值存在，峰值的位置主要与激励方波信号的占空比和响应缺陷的性质、形状相关；（２）激励信号的能量主要分布于低频段，因此对试件较深层的质量信息也具有较好的检测能力。

圈３脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线２脉冲涡流检测技术研究的近况

针对脉冲涡流的特点和潜在优势，近年来国内一些高校和研究机构的科研人员在脉冲涡流检测机理、换能器的设计与制作、检测系统工作点优化及实际应用等方面开展了较广泛的研究。本节对脉冲涡流检测技术研究的进展情况作一简要介绍，关于脉冲涡流技术应用方面的研究进展情况在下一节予以说明。

２．１脉冲涡流特征的研究

文献［１］通过试验结果介绍了影响脉冲涡流的因素及作用规律。首先，研究人员在同一材料的圆柱形金属导体直径方向不同位置上预制了相同尺寸的人工缺陷，利用磁场测量装置测量并记录了个人工缺陷响应信号的特征值，如表ｌ所列数据。研究人员还进一步研究了以不同重复频率的方波信号激励产生脉冲涡流作用于同一导体相同位置上人工缺陷响应信号特征值的变化规律。各特征值参数的变化情况列于表２。图４给出了两种重复频率方波信号激励脉冲涡流，对于不同深度人工缺陷响应信号峰值的输出电压变化

’——２２３——

第２６眷增刊２００６年１０月

冶金分析

Ｍｅｔａｌ［ｕｒｇｉｃｎｌＡｎａｌｙｉｓ

Ｗ．２６．＆｜ｐｐｌ

Ｏｃｔｏｂｅｒ．２００６

面之间形成一个小的夹角。试验发现，这种结构的改变时的感应信号的波形发生了根本性变化，

脉冲涡流信号的各项特征值的提取变得非常简单。

基于霍尔传感器具有小型化、可以实现对磁场的直接测量，并且在较宽的低频范围内具有比检测线圈更高灵敏度的特点，较多的研究试验［６—９］采用细的铜漆包线绕制激励线圈、以霍尔传感器作为探测元件而构成了另一类脉冲涡流检测用传感器。与常规涡流检测线圈类似，有用一个霍尔片作为检测单元的“绝对式”霍尔传感器，也有将两个反向连接的霍尔片作为检测单元的“差动式”霍尔传感器。近年来研究人员还采用了集成的霍尔传感器，如９５Ａ型、ｕ（刹３５０５型等线性集成传感器。

２．３脉冲涡流检测参数的优化

脉冲涡流检测参数的优化主要包括脉冲重复频率、脉冲方波占空比等条件的选择。关于脉冲重复频率对脉冲涡流响应信号特征参数计涡流透入深度的影响在３．Ｉ节已作介绍。研究人员对于一定频率方波信号激励脉冲涡流在导体材料中透入深度的计算所依据的理论并不相同［１，４］，文献［４］中采用了传统涡流的标准透人深度公式计算脉冲涡流的激励信号频率，而文献［１］认为脉冲涡流在导体中的衰减不遵循常规涡流的Ｙ＝ｅ“”恤自然指数规律，而是按照通过实验

Ｌ

数据建立的Ｙ＝ｄ一２双曲函数模型的经验公式衰减。由文献［４】可以看到按照标准透人深度

１

ａ＝＿＝；一计算公式所确定的频率与实际情况ＶⅡ｜耻０１

偏差较大，除了受传统涡流标准透人深度公式对于脉冲涡流的适用性影响外，还在于混淆了涡流有效透入深度和标准透入深度的概念。针对４ｎｌｎａ金属板材上人工缺陷的脉冲涡流响应变化，当脉冲重复频率在允许范围之内变化时，峰值时间变化值、过零时间变化值基本不变；而峰值变化值随着频率的增加，稍有变化。随着频率的升高，对表面和浅层缺陷的检测更灵敏；而频率越低时，穿透能力越强，但同时各谐波分量的幅值也相应减小。综合考虑以上因素，研究人员认为［４］：选定脉冲工作频率在２００－－４００Ｉ－ｔｚ范围均能达到比较好的检测效果。

在选定的２００Ｈｚ脉冲重复频率条件下，研究人员又进行了不同脉冲占空比的比较试验研究［４］。试验结果见图５、图６。

图５脉冲占空比对峰值变化的影响

凰６不同占空比脉冲激励所得检测信号功率谱对比

由图５可以看到，随着脉冲占空比的变化，峰值时间变化值、过零时间变化值基本不变；而峰值变化值随着占空比的增加，以５０％占空比为中心对称分布。由图６可以看到，对围绕５０％占空比对称分布的两脉冲激励下所得检测信号的频潜进行分析，较小占空比所得检测信号的功率谱明显高于较大占空比信号的功率谱，其低频段峰值和高频段峰值均比较大占空比的信号明显。因此选定脉冲占空比为１０％３０％激励方波可获得较好的检测效果。

３脉冲涡流检测技术应用的进展到目前为止，国内尚没有商品化的脉冲涡流检测仪，本节所述的脉冲涡流检测技术的应用研

一２２５—