脈沖渦流檢測技術(shù)

脈沖渦流檢測技術(shù)1整理課件內(nèi)容第一章渦流檢測技術(shù)概述第二章脈沖渦流檢測理論

第三章脈沖渦流檢測技術(shù)研究進(jìn)展

第四章展望2整理課件第一章脈沖渦流檢測技術(shù)概述1.無損檢測技術(shù)的定義2.無損檢測的作用3.渦流檢測的優(yōu)點(diǎn)4.渦流檢測的缺點(diǎn)5.渦流檢測的開展6.脈沖渦流檢測的優(yōu)勢3整理課件1.無損檢測技術(shù)的定義無損檢測技術(shù)是在不損傷被檢測對象的條件下,利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常或缺陷存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反響的變化，來探測各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和外表缺陷，并對缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價。4整理課件2.無損檢測的作用現(xiàn)代工業(yè)是建立在無損檢測根底之上的。統(tǒng)計(jì)資料顯示，產(chǎn)品經(jīng)過無損檢測后能大大增值，大致情況是：機(jī)械產(chǎn)品增值5%；國防、宇航、原子能產(chǎn)品增值12%~18%；火箭增值20%。無損檢測水平能夠反映該部門、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國家的工業(yè)技術(shù)水平。5整理課件3.渦流檢測的優(yōu)點(diǎn)對導(dǎo)電材料外表和近外表缺陷的檢測靈敏度較高；應(yīng)用范圍廣，對影響感生渦流特性的各種物理和工藝因素均能實(shí)施檢測；不需用耦合劑；在一定條件下，能反映有關(guān)裂紋深度的信息；可在高溫、薄壁管、細(xì)線、零件內(nèi)孔外表等其他檢測方法不適用的場合實(shí)施監(jiān)測。

6整理課件4.渦流檢測的缺點(diǎn)渦流探傷的對象必須是導(dǎo)電材料，且由于電磁感應(yīng)的原因，只適用于檢測金屬外表缺陷，不適用于檢測金屬材料深層的內(nèi)部缺陷；金屬外表感應(yīng)的渦流的滲透深度隨頻率而異，鼓勵頻率高時金屬外表渦流密度大，隨著鼓勵頻率的降低，渦流滲透深度增加，但外表渦流密度下降，所以探傷深度與外表傷檢測靈敏度是相互矛盾的，很難兩全。當(dāng)對一種材料進(jìn)行渦流探傷時，須要根據(jù)材質(zhì)、外表狀態(tài)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作綜合考慮，然后再確定檢測方案與技術(shù)參數(shù)。采用穿過式線圈進(jìn)行渦流探傷時，線圈覆蓋的是管、棒或線材上一段長度的圓周，獲得的信息是整個圓環(huán)上影響因素的累積結(jié)果，對缺陷所處圓周上的具體位置無法判定。旋轉(zhuǎn)探頭式渦流探傷方法可準(zhǔn)確探出缺陷位置，靈敏度和分辨率也很高，但檢測區(qū)域狹小，在檢驗(yàn)材料需作全面掃查時，檢驗(yàn)速度較慢；渦流探傷至今還是處于當(dāng)量比較檢測階段，對缺陷做出準(zhǔn)確的定性定量判斷尚待開發(fā)。7整理課件5.渦流檢測的開展1824年，加貝就發(fā)現(xiàn)了銅板對擺動著的磁鐵有阻尼現(xiàn)象，提出了渦流存在的實(shí)驗(yàn)；1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并在實(shí)驗(yàn)的根底上提出了電磁感應(yīng)定律。1873年，麥克斯偉繼承和開展了法拉第的思想，將法拉第的概念用完整的數(shù)學(xué)方程式表示出來，建立了系統(tǒng)嚴(yán)密的電磁場理論。1879年，休斯首先將渦流檢測應(yīng)用于實(shí)際——判斷不同的金屬和合金；1926年，渦流測厚儀問世。但真正在理論和實(shí)踐上完善渦流檢測技術(shù)的是德國的福斯特博士；我國60年代開始開展渦流檢測的研究工作，并先后研制成功了一系列檢測系統(tǒng)。8整理課件6.脈沖渦流檢測的優(yōu)勢傳統(tǒng)渦流采用單一頻率的正弦電流作為鼓勵，脈沖渦流那么采用具有一定占空比的方波作為鼓勵；傳統(tǒng)渦流檢測對感應(yīng)磁場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，即通過測量感應(yīng)電壓的幅值和相角來確定缺陷的位置，而脈沖渦流那么對感應(yīng)磁場進(jìn)行時域的瞬態(tài)分析，以直接測得的感應(yīng)磁場最大值出現(xiàn)的時間來進(jìn)行缺陷檢測。理論上，脈沖渦流比單頻正弦渦流能提供更多信息，因?yàn)槊}沖渦流可提供某一范圍的連續(xù)多頻鼓勵；脈沖渦流信號比多頻渦流信號響應(yīng)更快，因?yàn)樗瑫r運(yùn)行一列不同的電流頻率。9整理課件第二章脈沖渦流檢測的原理根本概念鼓勵信號頻率與渦流檢測的關(guān)系脈沖信號脈沖渦流檢測原理脈沖渦流檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)脈沖渦流典型時域波形圖脈沖渦流典型時域特征參數(shù)脈沖渦流時域信號在不同頻段的功率譜曲線10整理課件1.根本概念透入深度：由于交變磁場的交連在試件中產(chǎn)生的渦流并不是自外表而下均勻分布的，而是在外表上渦流最密集而隨在材料中透入深度增大作指數(shù)衰減。渦流透入材料的距離稱為透入深度。趨膚深度：渦流密度衰減到其外表值1/e〔37%〕時的透入深度稱為標(biāo)準(zhǔn)透入深度，也稱趨膚深度。

11整理課件2.鼓勵信號頻率與渦流檢測的關(guān)系渦流檢測的有效性和可達(dá)性密切依賴于鼓勵信號的頻率。一般地，頻率越高，那么渦流趨于被檢測對象的外表分布，對于外表微小缺陷的檢出能力越高，但由于隨著透入深度的增大而高頻渦流急劇衰減，因此對于外表下具有一定深度的近外表缺陷那么難以產(chǎn)生有效的響應(yīng)；相反，頻率越低，那么渦流在被檢測對象外表下的透入深度增大，可對試件近外表一定深度范圍內(nèi)的缺陷產(chǎn)生響應(yīng)，但對于外表缺陷的檢測靈敏度隨鼓勵信號頻率的降低而明顯下降。以降低檢測靈敏度來提高渦流檢測深度，或以減小渦流透入深度來提高檢測靈敏度，長期以來一直是常規(guī)渦流檢測應(yīng)用中在二者之間權(quán)衡取舍的焦點(diǎn)。12整理課件3.脈沖信號寬帶脈沖信號可按傅立葉級數(shù)變換理論分解為無限多低、中、高頻的正弦波之和；以重復(fù)的寬帶脈沖〔如方波〕代替正弦交變信號進(jìn)行鼓勵和檢測的脈沖渦流響應(yīng)信號中包含有被檢測對象被檢測對象外表、近外表和表層一定深度范圍內(nèi)的質(zhì)量信息，較好地解決了常規(guī)渦流所不能兼顧的檢測靈敏度和檢測深度的矛盾；近年來成為國內(nèi)外渦流檢測技術(shù)與應(yīng)用研究中最受關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。13整理課件１脈沖渦流作用原理試件激勵線圈BexcIeddy霍爾傳感器Beddy~),,,,(excitationrBxfwmr滲透深度：激勵脈沖脈沖磁場瞬時渦流反磁場線圈阻抗的變化或磁敏元件輸出14整理課件續(xù)脈沖渦流通常是以一定占空比的方波作為鼓勵信號施加于初級線圈，當(dāng)載有方波電信號的初級線圈接近導(dǎo)電材料或試件時，在導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生瞬變的渦流和再生磁場。瞬時渦流的大小、衰減狀況與導(dǎo)體的電磁特性、幾何形狀及耦合狀況相關(guān)，次級線圈〔或電磁傳感器〕接收到的渦流再生磁場包含有被檢測對象導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率及形狀尺寸的相關(guān)信息，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)脈沖渦流的檢測與評價。15整理課件脈沖渦流檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

16整理課件5.脈沖渦流典型時域波形圖ReferenceSignalDefectSignalDifferentialSignalTime(us)Magnitude(mV)17整理課件6.脈沖渦流典型時域特征參數(shù)電壓峰值Vp：與缺陷的金屬損耗量〔缺陷的體積〕密切相關(guān)峰值時間T：與缺陷所處的位置有關(guān)過零時間△T：包含了缺陷的深度信息18整理課件7.脈沖渦流時域信號在不同頻段的功率譜曲線

19整理課件脈沖渦流傳感器的軸對稱交變電磁場模型20整理課件2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)21整理課件脈沖信號鼓勵裝置：〔1〕CALTEKCA1640-02型函數(shù)發(fā)生器0.02Hz~2MHz，占空比連續(xù)可調(diào)的方波信號〔2〕Newtons4thLPA05B功率放大器±16V,5Arms@1MHz信號放大電路：選用低功耗高精度的儀用放大器INA129G=1~1000，BW=200KHzCMR=120dB峰值保持電路：數(shù)據(jù)采集卡：AdlinkDAQ20214通道，最高采樣率可達(dá)2MHz磁敏傳感器：〔1〕檢測線圈采用線徑0.13mm的漆包線繞制〔2〕Hall傳感器UGN3503，靈敏度范圍：0.75~1.75mV/G〔3〕GMR傳感器AAH002，靈敏度范圍：11~18mV/V/Oe22整理課件3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)〔1〕借用MeasurementStudio和C++Builder軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可視化界面，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時處理〔2〕運(yùn)用Matlab軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，如小波變換、中值濾波等〔3〕研究適宜的算法并用C或C++編寫程序?qū)崿F(xiàn)對采集到的原始信號特征值的提取23整理課件4、試塊的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)試塊，主要是用于對檢測系統(tǒng)的標(biāo)定。試塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：〔1〕采用LY12鋁合金材料〔2〕在平板上刻出不同深度，相同長度和寬度的槽5處來模擬裂紋缺陷，同理，可固定其中兩個量，改變其中一個量各刻出5個來模擬不同類型的裂紋〔3〕選取鋁板厚度為7mm，這樣可以在背向刻槽的一面進(jìn)行檢測來模擬對亞外表缺陷的檢測〔4〕在刻槽外表再覆蓋一層1mm厚的鋁板，可模擬多層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)第2層中的缺陷24整理課件檢測試塊A——外表缺陷；B——亞外表缺陷25整理課件5不同深度缺陷對應(yīng)的差分信號峰值時間峰值結(jié)論：隨著深度的增加，信號的峰值明顯增大26整理課件6對應(yīng)差分信號的微分峰值時間峰值結(jié)論：峰值仍與缺陷的深度呈對應(yīng)關(guān)系27整理課件7曲線擬合結(jié)果結(jié)論：微分信號較差分信號具有更好的線性度28整理課件第三章脈沖渦流檢測信號特征

1.脈沖渦流信號源2.脈沖渦流信號特征提取3.提離效應(yīng)減少技術(shù)4.用于缺陷分類的時域特征新方法29整理課件1.脈沖渦流信號源由于脈沖渦流的鼓勵電流為具有一定占空比的周期性方波，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，隨著鼓勵電流在上升沿和下降沿的周期性翻轉(zhuǎn)，就會產(chǎn)生周期性躍變的磁場，由此磁場感應(yīng)出的脈沖渦流就會在導(dǎo)體中傳播。由圖可以看出，渦流是在鼓勵脈沖的上升沿或下降沿產(chǎn)生的，此時，由于電流的突變，使得感應(yīng)出的磁場發(fā)生急劇變化。

30整理課件2.脈沖渦流信號特征值的提取PEC獲得的是瞬態(tài)信號，因此其數(shù)值分析主要是在時域中進(jìn)行。通常所采用的特征值是脈沖渦流的差動瞬時信號的峰值和峰值到達(dá)時間，但是在實(shí)際中，往往不能有效地使用這兩個用以缺陷檢測和識別的特征值，其原因主要有兩個：1.校準(zhǔn)困難且缺乏適宜的響應(yīng)信號處理系統(tǒng)；2.易受噪音信號的影響。31整理課件為了解決這一個問題，有人提出一種基于主成份分析〔PCA〕的方法來提取脈沖渦流特征值。在這一檢測中，采用兩塊金屬鋁試樣，一塊檢測其厚度變化，用于金屬破壞模擬；另一塊用于外表和亞外表缺陷檢測及其定量化監(jiān)測，并評價兩種特征提取方法的性能，即PCA法和時域特征法。2.脈沖渦流信號特征值的提取檢測結(jié)果說明：這兩種特征值的提取方法都能成功地識別所有外表缺陷，但對于其它兩種缺陷類型〔即亞外表缺陷和由于金屬腐蝕引起的缺陷〕的別離來說，時域特征法并不像PCA法那樣顯著，尤其是對深裂紋的檢測。32整理課件3.提離效應(yīng)減少技術(shù)近年來，渦流檢測技術(shù)有較快的開展，它不僅可以檢測金屬材料的腐蝕、裂紋和其它缺陷,還可以進(jìn)行無損評價,這是因?yàn)樵S多材料的特性都與其固有的電磁特性有關(guān),一般說來觀測材料電磁性能的變化要比觀測其它物理性能容易得多。但是,與其它檢測技術(shù)相比,渦流檢測還未被充分開發(fā),主要原因可能是:由于渦流信號包含較復(fù)雜的變量關(guān)系,導(dǎo)致提取有用特征信號困難,長期以來,阻礙了渦流檢測技術(shù)的開展;由于該技術(shù)對提離效應(yīng)非常敏感,而提離效應(yīng)易使渦流信號發(fā)生畸變,從而可能會導(dǎo)致對缺陷信號的誤判,或者掩蓋缺陷信號,也影響了渦流無損檢測技術(shù)的開展。33整理課件3.提離效應(yīng)減少技術(shù)可以看出提離的變化主要影響缺陷信號的起始時間段,而信號畸變論證了真實(shí)信息很容易被提離效應(yīng)掩蓋.34整理課件3.提離效應(yīng)減少技術(shù)Giguere等人為克服金屬損耗及亞外表裂槽檢測過程中提離效應(yīng)的影響,開發(fā)使用了兩種參考信號的二階段技術(shù)來減少提離效應(yīng)的影響,即：將探頭置于空氣中時檢測到的信號作為第一參考信號,而這一階段的主要目的是減少提離效應(yīng);將探頭置于無缺陷試樣上時檢測到的信號作為第二參考信號,而這一階段的目的是計(jì)算缺陷的特征信號。一旦提離效應(yīng)在第一階段中被減少,在第二階段中,應(yīng)用基于主成份分析的特征提取技術(shù)所提取的特征信號將是可用信號,這樣就能將缺陷信號和提離變化所產(chǎn)生的噪音信號別離,大大減少了提離效應(yīng)的影響。35整理課件3.提離效應(yīng)減少技術(shù)研究者們提出的提離交叉點(diǎn)(LOI)對減少大多數(shù)提離噪音非常有效；LOI是一瞬時值,且其值取決于探頭和試樣電導(dǎo)率變化,在這一瞬時時間里檢測信號對常見的提離變化不敏感；Safizadeh等人論證了時－頻分析用于可視化區(qū)分金屬破壞及夾層間隙變化間的提離效應(yīng),這些方法使用信號處理技術(shù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及檢測原理來補(bǔ)償或識別提離變化或?yàn)闇p少渦流和脈沖渦流無損檢測的提離效應(yīng)尋找不變特征值。36整理課件4.用于缺陷分類的時域特征新方法為了進(jìn)行缺陷分類,Gui等研究了一種基于脈沖渦流傳感器的新特征值來識別缺陷：這一新特征值名叫上升點(diǎn),它與所研究的金屬試樣中的電磁波的傳播時間有關(guān)；這一特征值的優(yōu)勢在于它不依賴于鼓勵線圈參數(shù)的變化,且能識別不同缺陷類型及提離變化。37整理課件展望PEC的響應(yīng)為一連續(xù)信號,與傳統(tǒng)的渦流檢測信號相比,它含有更