闫　贝， 李　勇,2， 李　达， 陈振茂,2， 王　钧

(1.西安交通大学 航天航空学院，机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.西安交通大学 核能结构安全检测与完整性评价研究中心，陕西 西安 710049；3.中航飞机股份有限公司 西安制动分公司，陕西 西安 710075)

结合磁场梯度测量的脉冲调制涡流检测关键技术研究*

闫贝1， 李勇1,2， 李达1， 陈振茂1,2， 王钧3

(1.西安交通大学 航天航空学院，机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.西安交通大学 核能结构安全检测与完整性评价研究中心，陕西 西安 710049；3.中航飞机股份有限公司 西安制动分公司，陕西 西安 710075)

摘要:脉冲调制涡流(PMEC)检测技术是一种新型脉冲涡流(PEC)检测技术，研究发现，该技术相较传统PEC检测技术在金属构件缺陷检测和评估中具有优势。通过集中研究PMEC检测技术与磁场梯度测量(GMFM)技术的有效结合，探究其在金属构件亚表面裂纹检测中的应用关键和技术优势。仿真分析了PMEC磁场梯度信号及其特征，以及金属构件亚表面裂纹PMEC检测的典型扫查曲线，探究和比较了缺陷检测灵敏度。搭建了试验系统，试验进一步验证了仿真分析结论。研究表明:磁场梯度测量与PMEC检测技术相结合，可有效增强亚表面裂纹的检测灵敏度约10 %。

关键词:电磁无损检测和评估； 脉冲调制涡流检测； 亚表面裂纹； 磁场梯度测量

0引言

传统脉冲涡流(pulsededdycurrent，PEC)检测技术[1～3]通常采用方波激励信号，能够在一次激励下获取金属不同深度的完整信息，可对金属构件亚表面裂纹实现检测和评估。但最近的研究表明该技术存在一定的不足，主要体现在：PEC检测的方波激励信号能量主要集中于其直流成分和低频谐波成分，但是直流成分无法感应涡流场，而低频谐波成分感应产生的涡流场强度较弱，从而导致涡流场对金属构件亚表面裂纹响应较弱、检测系统信噪比较差、对金属构件亚表面裂纹的响应灵敏度偏低[4]。为了解决方波激励信号的能量分配问题，本文提出了基于脉冲调制波[5～7]激励的新型PEC检测技术，即脉冲调制涡流(pulse-modulation-basededdycurrent，PMEC)检测技术，该技术避免了方波激励能量分配的弱点，且能将激励能量进行有效分配，可有效改善检测系统的信噪比，并提高金属构件亚表面缺陷检测灵敏度。

磁场梯度测量(GMFM)技术[8～10]是一种测量磁场空间扰动大小的有效方法，具有对微观磁场变化提取灵敏度高等优势，本文将其与PMEC技术相结合，基于退化磁矢位(AR)法[11]进行有限元仿真和试验，仿真与试验结果均验证了PMEC磁场梯度信号对金属构件亚表面裂纹检测具有更高的灵敏度。

1仿真研究

1.1基于AR法的有限元仿真

目前，PEC检测三维数值的仿真多采用商业有限元软件，对计算机性能要求较高，且存在计算时间较长等问题。由于AR法不需要对激励源划分网格，因此具有较高的计算精度和效率。鉴于此，本文采用AR法进行有限元仿真。针对基于磁场梯度信号的PMEC检测，对原有的PEC检测仿真模型[12,13]进行了修改和补充，以建立PMEC检测有限元计算模型。在AR法中，PMEC检测激励信号可通过时域的正弦载波信号与方波调制波信号相乘得出，其傅立叶级数展开式为

(1)

式中ω1=ωc-nωm，ω1=ωc+nωm，ωc与ωm分别为载波和调制波角频率,Fn为脉冲调制激励电流信号幅值,则PMEC磁场信号表达式为

(2)

式中Bn为磁场频域响应信号。

磁场梯度信号是磁场在不同空间位置的变化率，因此，可得PMEC磁场梯度信号表达式为

(3)

式中F1n,F2n和B1n,B2n分别为不同位置处的脉冲调制激励电流信号幅值和磁场频域响应信号。

1.2仿真结果与讨论

基于前述仿真模型，建立了基于磁场梯度测量的PMEC检测金属构件亚表面裂纹的有限元仿真模型，图1为模型示意图。

图1　PMEC检测裂纹三维有限元模型Fig 1　3D　FEM for PMEC for inspection of cracks

在该模型中，检测探头由盘式激励线圈和2只放置于其中心的磁场传感器组成。试件材质为铝，其电导率为34MS/m，尺寸为200mm×100mm×10mm，下表面裂纹的尺寸为100mm×6mm×6mm。设PMEC和PEC的激励电流信号峰值同为0.5A、占空比同为0.5，PEC激励电流信号基频f与PMEC调制波频率fm相为100Hz，PMEC载波频率fc为1kHz。

检测探头紧密贴附于试件表面，沿图1所示方向进行扫描。以裂纹中心为坐标原点，探头从Y=-20mm处开始扫描，至Y=20mm处结束，扫描间隔为2mm。传感器B的信号作为磁场信号，传感器A,B信号做差可得到磁场梯度信号。以各自空气信号为基准作差，可得磁场差分信号与磁场梯度差分信号。通过仿真，得到如图2所示的磁场梯度差分信号。

图2　PEC和PMEC磁场梯度差分信号Fig 2　Magnetic field gradient differential signals of PEC and PMEC

由于所得信号均具有明显的峰值特征，故采用信号峰值作为特征，并对裂纹扫查曲线进行归一化处理，建立信号归一化峰值—扫描位置关系图，如图3所示，探头在裂纹中心时，归一化信号峰值有最大的变化量，且PMEC磁场梯度差分信号峰值有最大的变化量(约44 %)。由以上分析可知，当采用PMEC磁场梯度差分信号峰值作为特征时，对金属结构亚表面裂纹的检测更为灵敏。

图3　归一化后的亚表面裂纹扫查曲线Fig 3　Normalized scanning curves of subsurface crack

2试验研究

2.1PMEC/PEC双检测试验系统

图4所示为试验系统框图。在激励线圈中心位置放置2只TMR磁场传感器(MultiDimensionMMLP57F)[14，15]，传感器A，B提离分别为7，2mm。

图4　PMEC/PEC双检测试验系统框图Fig 4　Block diagram of PMEC/PEC detecting system

信号发生器产生激励信号的相关参数与仿真相同，将幅值为0.2V的激励信号放大10倍之后输入激励线圈。磁场传感器输出信号经过低通滤波(截止频率为30kHz)并放大10倍之后，输入数据采集卡进行采集和数字化，通过LabVIEW实现对试验信号的处理和分析。试验中所采用试件如图5所示，在300mm×100mm×10mm的铝板下表面加工了2个深度不同的裂纹，裂纹A的尺寸为100mm×3mm×6mm，裂纹B的尺寸为100mm×3mm×3mm。

图5　检测试件和探头扫描路径示意图Fig 5　Diagram of detecting testpiece and scanning path of probe

2.2试验结果与分析

试验中，以裂纹中心为坐标原点，探头从Y=-20mm处开始扫描，至Y=20mm处结束，扫描间隔为1mm。为了便于检测灵敏度的对比，将试验得到的扫查曲线进行归一化处理，可得不同深度裂纹的扫描图，如图6所示。

图6　不同深度亚表面裂纹的归一化扫查曲线Fig 6　Normalized scanning curves of subsurface cracks with different depths

由图6可见，当探头扫描位置远离裂纹时，峰值在较小范围内震荡波动，当探头进入裂纹后，峰值急剧下降，至裂纹中心时峰值最小，即此时具有最大的峰值变化量，当探头离开裂纹时则具有反向规律。同时发现，裂纹深度越大，扫查曲线波形峰值变化量越大。

对于6mm深的裂纹，当探头位于裂纹中心时，PEC差分信号峰值变化量约为14 %，PMEC差分信号峰值变化量约为16 %，PEC磁场梯度差分信号峰值变化量约为18 %，PMEC磁场梯度差分信号峰值变化量约为20 %。由此可见：1)PMEC信号相比PEC信号具有更高的灵敏度；2)磁场梯度差分信号相比磁场差分信号具有更高的灵敏度。当采用PMEC磁场梯度差分信号作为检测信号时，对试件亚表面裂纹的检测灵敏度提高约10 %。由3mm深裂纹的试验结果可得同样结论。

3结论

1)基于退位磁矢位法建立了PMEC检测金属构件亚表面裂纹的三维有限元模型，仿真分析了磁场梯度差分信号和磁场差分信号及其特征(峰值)，以及亚表面裂纹扫查曲线。灵敏度分析表明了结合磁场梯度测量的PMEC检测技术在金属构件亚表面裂纹检测评估中具有优势。

2)开发了PMEC/PEC双检测试验系统,试验研究了结合磁场梯度测量的PMEC/PEC检测技术及其应用关键。经过分析和对比证明，结合磁场梯度测量的PMEC检测技术在金属亚表面裂纹检测方面可有效提高检测灵敏度10 %,验证了仿真结论的正确性。

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ResearchonkeytechnologyofPMECdetectioncombinedwithgradientmagneticfieldmeasurement*

YANBei1,LIYong1,2,LIDa1,CHENZhen-mao1,2,WANGJun3

(1.StateKeyLaboratoryforStrengthandVibrationofMechanicalStructures,SchoolofAerospace,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;2.RsearchCentreforInspectionandEvaluationofNuclearStructuralIntegrity,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;3.Xi’anBrakeBranch,AVICAircraftCoLtd,Xi’an710075,China)

Abstract:As a new inspection technique extended from pulsed eddy current(PEC) technique,pulsed-modulation-based eddy current(PMEC) technique has advantageous over PEC in evaluation of metal component defects inspection.PMEC integrates with gradient magnetic field measurement (GMFM),namely GMFM-based PMEC is proposed particularly for inspection of subsurface cracks.The application and technical advantages of the proposed technique are analyzed.Simulate and analyze correlations of GMFM-based PMEC signals and its features,typical scanning curve subsurface cracks PMEC inspection of metal component are analyzed,defect detecting sensitivity is researched and analyzed.Experimental system is built up,conclusion of simulation analysis is verified.Research shows GMFM-based PEC,GMFM combines with PMEC significantly enhances sensitivity of inspection about 10 % on subsurface cracks.

Key words:electromagnetic nondestructive detection and evaluation; pulsed-modulation-based eddy current(PMEC) detection; subsurface crack; gradient magnetic field measurement(GMFM)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0015—03

收稿日期：2015—08—09

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51477127)

中图分类号:TG 115

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)04—0015—03

作者简介:

闫贝(1986-)，男，陕西榆林人，硕士研究生，主要研究方向为电磁无损检测理论与试验研究。

李勇，通讯作者，E—mail:yong.li@mail.xjtu.edu.cn。