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(cè)對(duì)象使用性能的前提下，電渦流檢測(cè)利用電磁感應(yīng)原理，通過測(cè)量被測(cè)工件內(nèi)感生渦流的變化對(duì)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(cè)與評(píng)估[1-2]。其應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，在金屬材料厚度檢測(cè)、亞表面缺陷檢測(cè)和鐵磁性材料的腐蝕減薄檢測(cè)與評(píng)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(cè)比較，脈沖渦流檢測(cè)具有很多優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)渦流檢測(cè)將正弦電流作為激勵(lì)，而脈沖渦流采用具有一定占空比的方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，相比而言，脈沖渦流檢測(cè)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(hào)具有連續(xù)頻譜，可以在某一范圍內(nèi)提供多頻激勵(lì)，比多頻渦流信號(hào)響應(yīng)更快。近幾年來脈沖渦流檢測(cè)得到了重視，逐漸發(fā)展成為了一項(xiàng)重要的無損檢測(cè)技術(shù)[5]。

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)有很多的特征量，如峰值、峰值時(shí)間和過零時(shí)間等[6]。然而這些特征參量容易受到噪音信號(hào)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(cè)試金屬薄板厚度的方法，本文設(shè)計(jì)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(cè)試到的差分信號(hào)與金屬薄板厚度的變化關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了時(shí)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(cè)原理

1.1 脈沖渦流測(cè)厚理論

脈沖渦流檢測(cè)是將具有一定占空比的方波電流加載到激勵(lì)線圈上，當(dāng)脈沖渦流傳感器靠近金屬薄板時(shí)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的初級(jí)磁場(chǎng)會(huì)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(huì)產(chǎn)生與初級(jí)磁場(chǎng)成反向作用的次級(jí)磁場(chǎng)[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(shí)，隨著金屬薄板厚度的變化，感生出的渦流大小也會(huì)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(cè)量初級(jí)磁場(chǎng)和次級(jí)磁場(chǎng)疊加后的感應(yīng)電壓值，可以得到渦流信號(hào)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(lì)信號(hào)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(hào)是由一個(gè)直流信號(hào)和許多諧波成分組合而成的。假設(shè)該信號(hào)的周期為T，占空比為Δ，如圖2所示。

圖2 脈沖信號(hào)

此信號(hào)的傅里葉級(jí)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(duì)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(hào)周期，可以調(diào)節(jié)其對(duì)應(yīng)的趨膚深度。

2 傳感器設(shè)計(jì)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(chǎng)，且磁場(chǎng)沿中心軸對(duì)稱。根據(jù)前述脈沖渦流測(cè)厚理論，可知金屬薄板厚度的檢測(cè)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(cè)厚技術(shù)的關(guān)鍵，在保持探頭提離高度、激勵(lì)信號(hào)電流和被測(cè)金屬薄板厚度不變的前提下，采用控制單一變量法分別對(duì)激勵(lì)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(jì)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(lì)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(cè)試中，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的初級(jí)磁場(chǎng)較小，金屬薄板感生出的次級(jí)磁場(chǎng)隨之變小。因此，脈沖渦流傳感器測(cè)試到的疊加磁場(chǎng)也很小，不利于對(duì)金屬薄板厚度的測(cè)試。為了提高傳感器測(cè)試靈敏度，如果一味地提高激勵(lì)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(jí)磁場(chǎng)發(fā)生變化，造成實(shí)驗(yàn)的絕對(duì)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(cè)試

采用聚丙烯材料制作激勵(lì)線圈骨架。采用線徑為0.35 mm的紫銅線制作激勵(lì)線圈。在線圈骨架底部中心位置放置霍爾傳感器(CC6501)，測(cè)量軸向疊加磁場(chǎng)。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(cè)試靈敏度。

采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(MHS5200P)為激勵(lì)線圈提供任意頻率和占空比的方波信號(hào)。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(duì)霍爾傳感器測(cè)得的感應(yīng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和顯示。

采用6061航空鋁板作為被測(cè)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(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)頻域特性

測(cè)試時(shí)施加一個(gè)幅值為8 V，頻率為200 Hz，占空比為50%的脈沖方波激勵(lì)信號(hào)。該信號(hào)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(lì)信號(hào)的頻譜圖

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)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(gè)頻率范圍內(nèi)所占的比重很大，可知基頻是整個(gè)頻譜圖的主要成分。因此，分析差分信號(hào)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(hào)

3.2.1 脈沖渦流差分信號(hào)時(shí)域圖

激勵(lì)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(hào)。分別在空載和不同厚度金屬薄板上測(cè)量感應(yīng)電壓。將空載時(shí)測(cè)得的感應(yīng)電壓作為參考電壓，不同厚度金屬板上測(cè)得的感應(yīng)電壓作為被檢試件的響應(yīng)信號(hào)，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(lì)頻率分別為100、200、300 Hz的差分電壓時(shí)域圖如圖5所示。

(a)100 Hz

(b)200 Hz

(c)300 Hz圖5 差分信號(hào)時(shí)域圖

從圖5可以看出，設(shè)計(jì)制作的脈沖渦流傳感器在這3個(gè)激勵(lì)頻率下都可以區(qū)分不同厚度金屬薄板。并且隨著激勵(lì)頻率增大，差分電壓逐漸減小。這是因?yàn)闇u流脈沖信號(hào)的趨膚深度隨著激勵(lì)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(jí)磁場(chǎng)也隨之減小。在初級(jí)磁場(chǎng)基本不變的條件下，初級(jí)磁場(chǎng)與次級(jí)磁場(chǎng)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(shí)間和基頻幅值

從圖5所示的時(shí)域圖選取每條曲線的最大值，即為峰值，最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)是峰值時(shí)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(shí)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(hào)的趨膚深度與待測(cè)金屬薄板的最大厚度相近時(shí)，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(jí)磁場(chǎng)變大，與初級(jí)磁場(chǎng)疊加得到的被檢試件響應(yīng)電壓變小。在空載時(shí)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(shí)間越大。因此，峰值時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(lì)頻率分別為100、200、300 Hz時(shí)，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(gè)不同的激勵(lì)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(lì)頻率為200 Hz時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲線線性度最好。當(dāng)脈沖信號(hào)激勵(lì)頻率為100、200、300 Hz時(shí)，基頻對(duì)應(yīng)的趨膚深度分別為9.7、6.6、5.2 mm?？芍}沖信號(hào)基頻對(duì)應(yīng)的趨膚深度稍大于待測(cè)金屬薄板的最大厚度時(shí)，此時(shí)表征金屬薄板厚度效果最好。

與圖6的峰值和峰值時(shí)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(hào)的激勵(lì)頻率最好選擇其基頻，對(duì)應(yīng)的趨膚深度稍大于待測(cè)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(duì)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(cè)，從時(shí)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(shí)域上來看，差分電壓的峰值和峰值時(shí)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(lì)頻率最好選擇其基頻,對(duì)應(yīng)趨膚深度稍大于待測(cè)金屬薄板的最大厚度，檢測(cè)性能最好。本文的研究為下一步金屬薄板厚度的檢測(cè)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。