脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)

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

第三章脈沖渦流檢測(cè)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(cè)技術(shù)概述1.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的定義2.無(wú)損檢測(cè)的作用3.渦流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)4.渦流檢測(cè)的缺點(diǎn)5.渦流檢測(cè)的開(kāi)展6.脈沖渦流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)3整理課件1.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的定義無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在不損傷被檢測(cè)對(duì)象的條件下,利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶?duì)熱、聲、光、電、磁等反響的變化，來(lái)探測(cè)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(duì)缺陷的類(lèi)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(píng)價(jià)。4整理課件2.無(wú)損檢測(cè)的作用現(xiàn)代工業(yè)是建立在無(wú)損檢測(cè)根底之上的。統(tǒng)計(jì)資料顯示，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)無(wú)損檢測(cè)后能大大增值，大致情況是：機(jī)械產(chǎn)品增值5%；國(guó)防、宇航、原子能產(chǎn)品增值12%~18%；火箭增值20%。無(wú)損檢測(cè)水平能夠反映該部門(mén)、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平。5整理課件3.渦流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)導(dǎo)電材料外表和近外表缺陷的檢測(cè)靈敏度較高；應(yīng)用范圍廣，對(duì)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(cè)；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(xiàn)、零件內(nèi)孔外表等其他檢測(cè)方法不適用的場(chǎng)合實(shí)施監(jiān)測(cè)。

6整理課件4.渦流檢測(cè)的缺點(diǎn)渦流探傷的對(duì)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(cè)金屬外表缺陷，不適用于檢測(cè)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(lì)頻率高時(shí)金屬外表渦流密度大，隨著鼓勵(lì)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(cè)靈敏度是相互矛盾的，很難兩全。當(dāng)對(duì)一種材料進(jìn)行渦流探傷時(shí)，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(cè)方案與技術(shù)參數(shù)。采用穿過(guò)式線(xiàn)圈進(jìn)行渦流探傷時(shí)，線(xiàn)圈覆蓋的是管、棒或線(xiàn)材上一段長(zhǎng)度的圓周，獲得的信息是整個(gè)圓環(huán)上影響因素的累積結(jié)果，對(duì)缺陷所處圓周上的具體位置無(wú)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(cè)區(qū)域狹小，在檢驗(yàn)材料需作全面掃查時(shí)，檢驗(yàn)速度較慢；渦流探傷至今還是處于當(dāng)量比較檢測(cè)階段，對(duì)缺陷做出準(zhǔn)確的定性定量判斷尚待開(kāi)發(fā)。7整理課件5.渦流檢測(cè)的開(kāi)展1824年，加貝就發(fā)現(xiàn)了銅板對(duì)擺動(dòng)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(kāi)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(lái)，建立了系統(tǒng)嚴(yán)密的電磁場(chǎng)理論。1879年，休斯首先將渦流檢測(cè)應(yīng)用于實(shí)際——判斷不同的金屬和合金；1926年，渦流測(cè)厚儀問(wèn)世。但真正在理論和實(shí)踐上完善渦流檢測(cè)技術(shù)的是德國(guó)的福斯特博士；我國(guó)60年代開(kāi)始開(kāi)展渦流檢測(cè)的研究工作，并先后研制成功了一系列檢測(cè)系統(tǒng)。8整理課件6.脈沖渦流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)渦流采用單一頻率的正弦電流作為鼓勵(lì)，脈沖渦流那么采用具有一定占空比的方波作為鼓勵(lì)；傳統(tǒng)渦流檢測(cè)對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，即通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電壓的幅值和相角來(lái)確定缺陷的位置，而脈沖渦流那么對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)域的瞬態(tài)分析，以直接測(cè)得的感應(yīng)磁場(chǎng)最大值出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。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(lì)；脈沖渦流信號(hào)比多頻渦流信號(hào)響應(yīng)更快，因?yàn)樗瑫r(shí)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(cè)的原理根本概念鼓勵(lì)信號(hào)頻率與渦流檢測(cè)的關(guān)系脈沖信號(hào)脈沖渦流檢測(cè)原理脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)脈沖渦流典型時(shí)域波形圖脈沖渦流典型時(shí)域特征參數(shù)脈沖渦流時(shí)域信號(hào)在不同頻段的功率譜曲線(xiàn)10整理課件1.根本概念透入深度：由于交變磁場(chǎng)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(chēng)為透入深度。趨膚深度：渦流密度衰減到其外表值1/e〔37%〕時(shí)的透入深度稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)透入深度，也稱(chēng)趨膚深度。

11整理課件2.鼓勵(lì)信號(hào)頻率與渦流檢測(cè)的關(guān)系渦流檢測(cè)的有效性和可達(dá)性密切依賴(lài)于鼓勵(lì)信號(hào)的頻率。一般地，頻率越高，那么渦流趨于被檢測(cè)對(duì)象的外表分布，對(duì)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(duì)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(cè)對(duì)象外表下的透入深度增大，可對(duì)試件近外表一定深度范圍內(nèi)的缺陷產(chǎn)生響應(yīng)，但對(duì)于外表缺陷的檢測(cè)靈敏度隨鼓勵(lì)信號(hào)頻率的降低而明顯下降。以降低檢測(cè)靈敏度來(lái)提高渦流檢測(cè)深度，或以減小渦流透入深度來(lái)提高檢測(cè)靈敏度，長(zhǎng)期以來(lái)一直是常規(guī)渦流檢測(cè)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(hào)寬帶脈沖信號(hào)可按傅立葉級(jí)數(shù)變換理論分解為無(wú)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(hào)進(jìn)行鼓勵(lì)和檢測(cè)的脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)中包含有被檢測(cè)對(duì)象被檢測(cè)對(duì)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(cè)靈敏度和檢測(cè)深度的矛盾；近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外渦流檢測(cè)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(lì)線(xiàn)圈BexcIeddy霍爾傳感器Beddy~),,,,(excitationrBxfwmr滲透深度：激勵(lì)脈沖脈沖磁場(chǎng)瞬時(shí)渦流反磁場(chǎng)線(xiàn)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(lì)信號(hào)施加于初級(jí)線(xiàn)圈，當(dāng)載有方波電信號(hào)的初級(jí)線(xiàn)圈接近導(dǎo)電材料或試件時(shí)，在導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生瞬變的渦流和再生磁場(chǎng)。瞬時(shí)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(jí)線(xiàn)圈〔或電磁傳感器〕接收到的渦流再生磁場(chǎng)包含有被檢測(cè)對(duì)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(cè)與評(píng)價(jià)。15整理課件脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

16整理課件5.脈沖渦流典型時(shí)域波形圖ReferenceSignalDefectSignalDifferentialSignalTime(us)Magnitude(mV)17整理課件6.脈沖渦流典型時(shí)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(shí)間T：與缺陷所處的位置有關(guān)過(guò)零時(shí)間△T：包含了缺陷的深度信息18整理課件7.脈沖渦流時(shí)域信號(hào)在不同頻段的功率譜曲線(xiàn)

19整理課件脈沖渦流傳感器的軸對(duì)稱(chēng)交變電磁場(chǎng)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(hào)鼓勵(lì)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(hào)〔2〕Newtons4thLPA05B功率放大器±16V,5Arms@1MHz信號(hào)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(cè)線(xiàn)圈采用線(xiàn)徑0.13mm的漆包線(xiàn)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(shí)處理〔2〕運(yùn)用Matlab軟件對(duì)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(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集到的原始信號(hào)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(duì)檢測(cè)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(zhǎng)度和寬度的槽5處來(lái)模擬裂紋缺陷，同理，可固定其中兩個(gè)量，改變其中一個(gè)量各刻出5個(gè)來(lái)模擬不同類(lèi)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(cè)來(lái)模擬對(duì)亞外表缺陷的檢測(cè)〔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(cè)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(duì)應(yīng)的差分信號(hào)峰值時(shí)間峰值結(jié)論：隨著深度的增加，信號(hào)的峰值明顯增大26整理課件6對(duì)應(yīng)差分信號(hào)的微分峰值時(shí)間峰值結(jié)論：峰值仍與缺陷的深度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系27整理課件7曲線(xiàn)擬合結(jié)果結(jié)論：微分信號(hào)較差分信號(hào)具有更好的線(xiàn)性度28整理課件第三章脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)特征

1.脈沖渦流信號(hào)源2.脈沖渦流信號(hào)特征提取3.提離效應(yīng)減少技術(shù)4.用于缺陷分類(lèi)的時(shí)域特征新方法29整理課件1.脈沖渦流信號(hào)源由于脈沖渦流的鼓勵(lì)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(lì)電流在上升沿和下降沿的周期性翻轉(zhuǎn)，就會(huì)產(chǎn)生周期性躍變的磁場(chǎng)，由此磁場(chǎng)感應(yīng)出的脈沖渦流就會(huì)在導(dǎo)體中傳播。由圖可以看出，渦流是在鼓勵(lì)脈沖的上升沿或下降沿產(chǎn)生的，此時(shí)，由于電流的突變，使得感應(yīng)出的磁場(chǎng)發(fā)生急劇變化。

30整理課件2.脈沖渦流信號(hào)特征值的提取PEC獲得的是瞬態(tài)信號(hào)，因此其數(shù)值分析主要是在時(shí)域中進(jìn)行。通常所采用的特征值是脈沖渦流的差動(dòng)瞬時(shí)信號(hào)的峰值和峰值到達(dá)時(shí)間，但是在實(shí)際中，往往不能有效地使用這兩個(gè)用以缺陷檢測(cè)和識(shí)別的特征值，其原因主要有兩個(gè)：1.校準(zhǔn)困難且缺乏適宜的響應(yīng)信號(hào)處理系統(tǒng)；2.易受噪音信號(hào)的影響。31整理課件為了解決這一個(gè)問(wèn)題，有人提出一種基于主成份分析〔PCA〕的方法來(lái)提取脈沖渦流特征值。在這一檢測(cè)中，采用兩塊金屬鋁試樣，一塊檢測(cè)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(cè)及其定量化監(jiān)測(cè)，并評(píng)價(jià)兩種特征提取方法的性能，即PCA法和時(shí)域特征法。2.脈沖渦流信號(hào)特征值的提取檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明：這兩種特征值的提取方法都能成功地識(shí)別所有外表缺陷，但對(duì)于其它兩種缺陷類(lèi)型〔即亞外表缺陷和由于金屬腐蝕引起的缺陷〕的別離來(lái)說(shuō)，時(shí)域特征法并不像PCA法那樣顯著，尤其是對(duì)深裂紋的檢測(cè)。32整理課件3.提離效應(yīng)減少技術(shù)近年來(lái)，渦流檢測(cè)技術(shù)有較快的開(kāi)展，它不僅可以檢測(cè)金屬材料的腐蝕、裂紋和其它缺陷,還可以進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià),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(shuō)來(lái)觀(guān)測(cè)材料電磁性能的變化要比觀(guān)測(cè)其它物理性能容易得多。但是,與其它檢測(cè)技術(shù)相比,渦流檢測(cè)還未被充分開(kāi)發(fā),主要原因可能是:由于渦流信號(hào)包含較復(fù)雜的變量關(guān)系,導(dǎo)致提取有用特征信號(hào)困難,長(zhǎng)期以來(lái),阻礙了渦流檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)展;由于該技術(shù)對(duì)提離效應(yīng)非常敏感,而提離效應(yīng)易使渦流信號(hào)發(fā)生畸變,從而可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)缺陷信號(hào)的誤判,或者掩蓋缺陷信號(hào),也影響了渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)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(hào)的起始時(shí)間段,而信號(hào)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(cè)過(guò)程中提離效應(yīng)的影響,開(kāi)發(fā)使用了兩種參考信號(hào)的二階段技術(shù)來(lái)減少提離效應(yīng)的影響,即：將探頭置于空氣中時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)作為第一參考信號(hào),而這一階段的主要目的是減少提離效應(yīng);將探頭置于無(wú)缺陷試樣上時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)作為第二參考信號(hào),而這一階段的目的是計(jì)算缺陷的特征信號(hào)。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(hào)將是可用信號(hào),這樣就能將缺陷信號(hào)和提離變化所產(chǎn)生的噪音信號(hào)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(duì)減少大多數(shù)提離噪音非常有效；LOI是一瞬時(shí)值,且其值取決于探頭和試樣電導(dǎo)率變化,在這一瞬時(shí)時(shí)間里檢測(cè)信號(hào)對(duì)常見(jiàn)的提離變化不敏感；Safizadeh等人論證了時(shí)－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(hào)處理技術(shù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及檢測(cè)原理來(lái)補(bǔ)償或識(shí)別提離變化或?yàn)闇p少渦流和脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)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(lèi)的時(shí)域特征新方法為了進(jìn)行缺陷分類(lèi),Gui等研究了一種基于脈沖渦流傳感器的新特征值來(lái)識(shí)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(shí)間有關(guān)；這一特征值的優(yōu)勢(shì)在于它不依賴(lài)于鼓勵(lì)線(xiàn)圈參數(shù)的變化,且能識(shí)別不同缺陷類(lèi)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(hào),與傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)信號(hào)相比,它含有更