戴宗賢，趙 磊，張朕滔，莫洪波，尹愛軍，任宏基

(1. 重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401120; 2. 中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900;3. 重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400044; 4. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

金屬材料在工程結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，金屬結(jié)構(gòu)件在加工、裝配以及服役的程中材料的物理屬性可能發(fā)生變化。裂縫、凹痕、腐蝕等早期微弱損傷會(huì)降低金屬結(jié)構(gòu)件的性能，缺陷的進(jìn)一步衍化可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失效。為了確保金屬結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的安全有效，需要對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件的早期損傷進(jìn)行檢測(cè)，其中無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是運(yùn)用最為廣泛的檢測(cè)方法[1]。

無(wú)損檢測(cè)方法包括渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)等常規(guī)檢測(cè)方法，以及聲發(fā)射、紅外檢測(cè)、微波致熱超聲成像技術(shù)等新型檢測(cè)方法。文獻(xiàn)資料表明這些檢測(cè)方法都是針對(duì)材料的單一物理特性進(jìn)行檢測(cè)[2-5]?；跓崧曅?yīng)的檢測(cè)方法是一種較為新型的無(wú)損檢測(cè)方法，其在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用較為廣泛，例如磁熱聲成像技術(shù)被用于內(nèi)部組織（如肺、肝臟）病變的早期診斷和檢測(cè)，但將熱聲效應(yīng)應(yīng)用于金屬材料的無(wú)損檢測(cè)中的文獻(xiàn)鮮有發(fā)現(xiàn)[6-8]。電渦流脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)在金屬表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用，在電渦流脈沖熱成像的過(guò)程中金屬材料內(nèi)部在產(chǎn)生渦流的同時(shí)也伴隨著熱聲效應(yīng)，但很少有學(xué)者同時(shí)關(guān)注渦流熱成像以及渦流加熱過(guò)程中引發(fā)的熱聲效應(yīng)[9-15]。本文在金屬材料的電渦流加熱過(guò)程中同時(shí)采集電渦流、熱圖像和聲信號(hào)，提出了一種將三種檢測(cè)信號(hào)融合使用的金屬材料塑性損傷多物理場(chǎng)融合檢測(cè)方法。

1 渦流熱聲融合檢測(cè)理論分析

1.1 融合檢測(cè)原理

現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法主要是針對(duì)材料的單一物理特性進(jìn)行檢測(cè)的，其具有一定的局限性，例如單一的物理特性信號(hào)容易受到干擾，檢測(cè)的魯棒性不夠。多物理場(chǎng)融合檢測(cè)法綜合利用了金屬材料的電磁、熱和聲物理場(chǎng)，將金屬材料渦流加熱過(guò)程中采集到的電渦流信號(hào)、熱圖像信號(hào)、聲信號(hào)融合分析的檢測(cè)方法，其工作原理如圖1所示。在激勵(lì)線圈中通入高頻電流I1，由于電磁效應(yīng)的存在，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)B1。由于B1是交變磁場(chǎng)，因此金屬內(nèi)部將產(chǎn)生渦流I2。在渦流熱聲檢測(cè)過(guò)程中需一次激勵(lì)同時(shí)采集多種物理信號(hào)（電渦流、熱成像和超聲信號(hào)），其中渦流檢測(cè)技術(shù)是利用渦流探頭線圈對(duì)導(dǎo)體材料表面的感應(yīng)磁信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)感應(yīng)磁信號(hào)的變化來(lái)對(duì)表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)；而渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)是用熱像儀對(duì)導(dǎo)體材料加熱過(guò)程中表面的熱信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)分析熱圖像信號(hào)來(lái)檢測(cè)材料的異常；渦流在導(dǎo)體中產(chǎn)生焦耳熱，引起熱膨脹，激發(fā)出超聲信號(hào)，采用超聲探頭檢測(cè)超聲信號(hào)，即可反映物件的電導(dǎo)率特性。

圖1 多物理場(chǎng)耦合原理

1.2 電渦流效應(yīng)

1.3 渦流熱成像

由熱傳導(dǎo)定律可知，在熱傳導(dǎo)時(shí)，其傳熱速率與溫度的梯度和傳熱面積成正比。紅外熱成像檢測(cè)在電磁感應(yīng)加熱、熱傳遞和熱輻射三個(gè)大的過(guò)程中都會(huì)受影響。其中，電導(dǎo)率主要是體現(xiàn)在對(duì)電磁能量吸收的能力不同，既電磁損耗的差異，吸收的電磁能越多，就可以轉(zhuǎn)化成更多的熱能，因此電導(dǎo)率與溫升呈正比。

1.4 渦流熱聲效應(yīng)

渦流加熱是使用電磁感應(yīng)效應(yīng)來(lái)對(duì)材料進(jìn)行加熱的，材料內(nèi)的能力在傳播過(guò)程中會(huì)激發(fā)出熱聲信號(hào)，通過(guò)分析采集到的熱聲信號(hào)可以反應(yīng)物體內(nèi)部物理特性。

2 建模與仿真分析

本文采用多物理場(chǎng)建模商業(yè)軟件（COMSOL 5.6）建立了仿真模型，如圖2所示，其中以拉伸試驗(yàn)件模型為研究對(duì)象，試驗(yàn)件上方放置了激勵(lì)直導(dǎo)線，仿真模型主要由四部分構(gòu)成：

圖2 仿真幾何模型（單位：mm）

1）試驗(yàn)件，按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，長(zhǎng)寬高分別為150 mm、40 mm和6 mm。

2）激勵(lì)線圈，建立了圓形和直線兩種形狀的線圈。

3）探測(cè)線圈，與物理試驗(yàn)一致，建立了圓形線圈。

4）壓電傳感器，模型為多層圓柱體，其中第一和第五層采用鋁材料，第三層采用壓電材料，第二和第四層為粘合劑。

模型的參數(shù)設(shè)置如表1所示。仿真渦流熱聲效應(yīng)使用了磁場(chǎng)、傳熱場(chǎng)、固體力學(xué)、壓力聲學(xué)、電路、電磁熱、聲結(jié)構(gòu)邊界等多物理場(chǎng)。

表1 仿真模型參數(shù)

如圖3（a）所示，激勵(lì)電流與感應(yīng)電流存在一定的相位差，導(dǎo)體內(nèi)部形成兩個(gè)對(duì)稱的渦流。如圖3（b）所示，激勵(lì)線圈的正下方溫升最高，是因?yàn)樵搮^(qū)域電磁感應(yīng)的強(qiáng)度最大。

圖3 仿真結(jié)果

改變?cè)嚇拥碾妼?dǎo)率，得到線圈電壓最大值、溫度最大值、聲壓最大值與試件電導(dǎo)率的關(guān)系分別如圖4、圖5和圖6所示。從圖4中可以看到，試樣電導(dǎo)率對(duì)渦流的影響較大，是因?yàn)殡妼?dǎo)率增強(qiáng)之后，導(dǎo)體的電流密度會(huì)增大，從而產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)變強(qiáng)，所以線圈中的感應(yīng)電壓會(huì)在磁場(chǎng)疊加之后降低；從圖5中可以看到，隨著電導(dǎo)率的增大，溫度最大值也隨之增大；從圖6中可以看到，聲壓最大值會(huì)隨著電導(dǎo)率的增加而增大。仿真結(jié)果與第一章中理論分析的結(jié)果一致，三種信號(hào)與電導(dǎo)率均呈現(xiàn)出了一定的變化規(guī)律，基于這種變化規(guī)律可以對(duì)金屬的電導(dǎo)率變化進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 線圈電壓最大值與電導(dǎo)率的關(guān)系

圖5 溫度最大值與電導(dǎo)率的關(guān)系

圖6 聲壓最大值與電導(dǎo)率的關(guān)系

對(duì)線圈電壓最大值、溫度最大值、聲壓最大值采用局部線性嵌入降維（locally linear embedding，LLE）處理后得到降維特征與電導(dǎo)率之間的關(guān)系如圖7所示。降維后的特征與電導(dǎo)率呈正比關(guān)系，因此可以基于融合后的降維特征來(lái)檢測(cè)金屬材料電導(dǎo)率的變化，以此來(lái)檢測(cè)金屬材料的塑形損傷。

圖7 降維特征與電導(dǎo)率的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

為了對(duì)前面的理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本文搭建了如圖8所示的多物理場(chǎng)融合檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 多場(chǎng)融合檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

圖9為試樣的實(shí)物圖，表2為試樣的參數(shù)，圖10為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。試驗(yàn)設(shè)備主要包括感應(yīng)加熱器、聲發(fā)射傳感器、熱像儀、電磁檢測(cè)線圈、數(shù)據(jù)采集卡和PC等。

圖9 拉伸后的試樣

表2 試樣拉力參數(shù)

圖10 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)過(guò)程如下：固定試樣設(shè)備，通過(guò)感應(yīng)加熱器對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為200 ms，提離距離約2 mm，依次放入試驗(yàn)件，同時(shí)采集渦流、紅外圖像和熱聲信號(hào)。電渦流信號(hào)采樣率為2 MS/s，熱聲信號(hào)的采樣率為2 MS/s，熱像儀的采樣頻率為100 Hz，采樣時(shí)間均為5 s。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采集到的渦流諧波與拉力的關(guān)系、絕對(duì)溫升與拉力的關(guān)系以及聲發(fā)射二次諧波與拉力的關(guān)系分別如圖11（a）、（b）、（c）所示，其中渦流信號(hào)為歸一化后的一次諧波值。

圖11 試驗(yàn)結(jié)果

從圖11（a）可以看出，在塑性變形階段渦流信號(hào)的變化趨勢(shì)不明顯，渦流信號(hào)幅值接近了采集卡的量程（受檢測(cè)距離的影響較大，檢測(cè)距離不合適時(shí)很容易超量程）；從圖11（b）可以看到，隨著試樣的拉力增大，塑性變形量越大，絕對(duì)溫升越低，但在100 kN和120 kN時(shí)，溫升趨勢(shì)發(fā)生改變，難以直接通過(guò)絕對(duì)溫升來(lái)評(píng)估塑性變形量。由圖11（c）可以知道，聲發(fā)射信號(hào)用于表征塑性變形量具有很好的效果，但與試驗(yàn)件塑性變形前的趨勢(shì)不一致。與此同時(shí)，基于單一物理特性的檢測(cè)信號(hào)容易受到試樣、試驗(yàn)條件等因素的影響。檢測(cè)過(guò)程中，同一條件因素對(duì)于不同的物理特性信號(hào)的采集影響差距較大，例如渦流檢測(cè)對(duì)測(cè)試距離較為敏感，而紅外檢測(cè)卻不太敏感。

3.3 特征融合處理

為了保證融合分析的過(guò)程中三種物理特性信號(hào)的重要程度相同，在進(jìn)行降維處理前三種信號(hào)均進(jìn)行了歸一化處理。采用局部線性嵌入降維方法降為一維之后構(gòu)建出的融合特征與拉力的關(guān)系如圖12所示。

圖12 LLE降維特征與拉力的關(guān)系

從圖12可以看到，通過(guò)融合三種檢測(cè)信號(hào)構(gòu)建出的融合特征能夠更好地表征材料的塑性變形情況。與此同時(shí)，融合指標(biāo)在金屬材料的塑形變形前后的趨勢(shì)一致，因此該方法的檢測(cè)適用范圍更大，且融合指標(biāo)能夠消除檢測(cè)距離的影響，具備一定的抗干擾能力。從檢測(cè)機(jī)理來(lái)看，金屬材料的塑性變形過(guò)程中金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，使得材料的電導(dǎo)率降低。依據(jù)前面的理論分析可知，塑性變形會(huì)降低渦流熱成像過(guò)程中的溫升和聲壓。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了金屬材料塑性損傷多物理場(chǎng)融合檢測(cè)方法的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以金屬材料的渦流成像檢測(cè)技術(shù)為切入點(diǎn)，同時(shí)考慮金屬材料渦流成像檢測(cè)過(guò)程中渦流效應(yīng)、紅外熱成像和熱聲效應(yīng)，從理論上分析了渦流成像檢測(cè)過(guò)程中渦流電壓、溫升和聲壓值與金屬材料電導(dǎo)率之間的關(guān)系。

基于渦流電壓、溫升和聲壓值與金屬材料電導(dǎo)率之間的關(guān)系，提出了融合渦流、熱圖像和聲信號(hào)的金屬材料塑性損傷多物理信號(hào)融合檢測(cè)方法。

仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果都證明了融合檢測(cè)方法的可行性，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明融合檢測(cè)方法具備一定的抗干擾能力。在實(shí)際金屬塑性損傷檢測(cè)應(yīng)用中，可以基于電渦流脈沖方法對(duì)金屬件進(jìn)行加熱，同時(shí)采集電渦流、熱圖像和聲信號(hào)進(jìn)行融合分析來(lái)檢測(cè)金屬件的塑形變性情況。

基于本文所建立的試驗(yàn)系統(tǒng)初步研究了多物理場(chǎng)降維特征與塑性變形程度的定性映射關(guān)系，在后續(xù)的研究工作中將進(jìn)行量化分析。應(yīng)用于實(shí)際金屬塑性損傷檢測(cè)時(shí)，首先基于標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)進(jìn)行傳感器的標(biāo)定，建立多物理場(chǎng)降維特征值與實(shí)際塑性變形程度的映射量表，對(duì)于塑性變形程度未知的待測(cè)試樣，通過(guò)測(cè)得的多物理場(chǎng)降維特征值查表獲得其塑性變形結(jié)果。