田明明，解社娟，肖 盼，裴翠祥，李 勇，陳振茂

(西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省無(wú)損檢測(cè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)中心，西安 710049)

表1 模型主要參數(shù)

?

基于脈沖渦流/電磁超聲復(fù)合檢測(cè)方法的復(fù)雜缺陷檢測(cè)

田明明，解社娟，肖 盼，裴翠祥，李 勇，陳振茂

(西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省無(wú)損檢測(cè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)中心，西安 710049)

相比于電磁超聲檢測(cè)方法，脈沖渦流檢測(cè)方法對(duì)于近表面缺陷具有較高檢測(cè)靈敏度。而電磁超聲信號(hào)本身包含脈沖渦流信號(hào)部分，基于此特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了電磁超聲/脈沖渦流的復(fù)合無(wú)損檢測(cè)方法。首先，基于有限元理論開(kāi)發(fā)了電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合信號(hào)的數(shù)值模擬方法；其次，提出了基于頻譜分析、濾波等策略對(duì)混合檢出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分離提取的方法，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性；最后，基于復(fù)合檢測(cè)方法對(duì)鋁板中的三種類(lèi)型缺陷(表面缺陷、底部減薄缺陷、復(fù)合缺陷)同時(shí)成功地進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)復(fù)合檢測(cè)方法的優(yōu)越性。

脈沖渦流/電磁超聲；復(fù)合無(wú)損檢測(cè)；信號(hào)分離提?。粡?fù)雜缺陷

電磁超聲與傳統(tǒng)壓電超聲同屬于超聲范疇。與傳統(tǒng)的壓電超聲相比，電磁超聲由于無(wú)需媒介且不與被測(cè)物體接觸，具有可靈活產(chǎn)生各類(lèi)波形，對(duì)檢測(cè)工件表面質(zhì)量要求不高和檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，可提高檢測(cè)效率，且可擴(kuò)展應(yīng)用于高溫、高速和在線(xiàn)檢測(cè)中[1]。然而由于電磁超聲有一個(gè)近表面盲區(qū)，即當(dāng)缺陷在近表面(1～2 mm)時(shí)，回波信號(hào)會(huì)與激勵(lì)信號(hào)幾乎重疊而很難區(qū)分。相比于電磁超聲檢測(cè)，脈沖渦流檢測(cè)方法對(duì)于近表面缺陷有較高的精度；但是由于趨膚深度的限制，其無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)更深的地方進(jìn)行檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，電磁超聲信號(hào)本身含有脈沖渦流信號(hào)的部分。如果能夠?qū)煞N檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分離提取和結(jié)果融合，開(kāi)發(fā)脈沖渦流/電磁超聲復(fù)合檢測(cè)方法，將可使兩種方法優(yōu)缺互補(bǔ)，從而得到更加可信的無(wú)損評(píng)價(jià)結(jié)果。相比于壓電超聲與渦流復(fù)合無(wú)損檢測(cè)方法，此復(fù)合檢測(cè)方法具有探頭簡(jiǎn)單，工作范圍廣，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 方法論述

1.1 復(fù)合檢測(cè)方法的基本原理

電磁超聲檢測(cè)原理示意如圖1所示，線(xiàn)圈中通入瞬態(tài)激勵(lì)電流，導(dǎo)電試件中由于電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生渦流，該渦流被定義為脈沖渦流。同時(shí)，線(xiàn)圈正上方的永磁鐵會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的靜磁場(chǎng)，靜磁場(chǎng)和試件中的脈沖渦流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，從而引起試件振動(dòng)，試件振動(dòng)切割磁感線(xiàn)，又會(huì)產(chǎn)生新的渦流(定義為超聲渦流)。檢出線(xiàn)圈會(huì)同時(shí)檢測(cè)到這兩種渦流信號(hào)；而常規(guī)電磁超聲檢測(cè)方法只關(guān)注超聲渦流的結(jié)果，忽略了脈沖渦流信號(hào)部分。筆者全面分析了混合渦流信號(hào)，包括兩種渦流信號(hào)的特征，以及如何分離提取脈沖渦流信號(hào)和超聲渦流信號(hào)，提出了脈沖渦流/電磁超聲復(fù)合檢測(cè)(PECT/EMAT)方法。復(fù)合檢測(cè)方法的原理如圖2所示。

圖1 電磁超聲檢測(cè)原理示意

圖2 復(fù)合檢測(cè)方法的原理示意

1.2 數(shù)值模擬與信號(hào)分析脈沖渦流檢測(cè)和電磁超聲檢測(cè)的信號(hào)計(jì)算已有很多學(xué)者開(kāi)發(fā)了各種不同的方法[3-9]。筆者基于有限元理論開(kāi)發(fā)了電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合信號(hào)的數(shù)值模擬方法，其計(jì)算模型如圖3所示，試件為長(zhǎng)方體板，表1列出了模型主要參數(shù)。激勵(lì)線(xiàn)圈中通入半個(gè)周期的脈沖正弦激勵(lì)電流I=sin(2πF0t)(F為激勵(lì)頻率，t為時(shí)間)，頻率為2 MHz。

表1 模型主要參數(shù)

類(lèi)型參數(shù)類(lèi)型參數(shù)長(zhǎng)度/mm50密度/(kg·m3)8．9×103寬度/mm50楊氏模量/Pa1．1×1011厚度/mm10磁導(dǎo)率/(H·m-1)0．37節(jié)點(diǎn)418241電導(dǎo)率/(S·m-1)5．714×107

圖3 計(jì)算模型示意

長(zhǎng)方體板試件的脈沖渦流與超聲渦流檢出信號(hào)如圖4所示。對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，脈沖渦流信號(hào)的頻譜能量主要集中在低頻區(qū)域(0～1 MHz)；而超聲渦流信號(hào)的能量則相對(duì)分散?；诖颂攸c(diǎn)，使用濾波對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行分離的策略具備一定的可行性。

圖4 長(zhǎng)方體板試件的脈沖渦流與超聲渦流檢出信號(hào)

圖5 長(zhǎng)方體板試件的脈沖渦流與超聲渦流信號(hào)頻譜圖

1.3 濾波策略的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于電磁超聲信號(hào)，由于筆者主要考慮線(xiàn)性超聲，當(dāng)激勵(lì)頻率為2 MHz時(shí)，響應(yīng)諧波成分應(yīng)該分布在2 MHz附近；此外，考慮到頻譜圖中脈沖渦流信號(hào)在0～1 MHz間的能量較大，因此超聲信號(hào)的提取需要排除該區(qū)域脈沖渦流信號(hào)的干擾。對(duì)于脈沖渦流信號(hào)，從頻譜分布可以看到大部分的信號(hào)諧波成分處于低頻區(qū)間(0～1 MHz)內(nèi)。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出兩種渦流耦合之后產(chǎn)生的混合信號(hào)的結(jié)果，如圖6所示。對(duì)其進(jìn)行濾波處理，由于是數(shù)值信號(hào)，故采用數(shù)值濾波的方法，首先對(duì)時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換，得到特定頻域下的頻譜結(jié)果，選取需要保留的濾波區(qū)間，其余諧波成分置零；然后再做反傅里葉變換將頻域信號(hào)還原為時(shí)域信號(hào)[10]。

圖6 混合渦流數(shù)值信號(hào)

圖7 1～5 MHz,1～3 MHz濾波結(jié)果(獲得超聲信號(hào))

首先嘗試通過(guò)濾波得到超聲信號(hào)。通過(guò)頻譜分析，考慮線(xiàn)性超聲和脈沖渦流干擾，濾波應(yīng)該從1 MHz 開(kāi)始，因此分別采用1～5 MHz，1～3 MHz進(jìn)行嘗試濾波，得到圖7所示結(jié)果。此次數(shù)值模擬試件本身沒(méi)有內(nèi)部缺陷，所以以一次回波作為特征信號(hào)來(lái)觀察濾波結(jié)果，分析發(fā)現(xiàn)1～3 MHz濾波結(jié)果信噪比更高。

圖8 0～1 MHz, 0～5 MHz濾波結(jié)果(獲得脈沖渦流信號(hào))

其次嘗試通過(guò)濾波得到脈沖渦流信號(hào)。通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，脈沖渦流信號(hào)中低頻部分能量較高，于是分別采用0～1 MHz，0～5 MHz進(jìn)行嘗試濾波，得到圖8所示結(jié)果。此次脈沖渦流信號(hào)沒(méi)有明顯的特征，所以以數(shù)值模擬得到單純的脈沖渦流信號(hào)(見(jiàn)圖9)做參考來(lái)觀察濾波結(jié)果，可見(jiàn)0～5 MHz濾波結(jié)果與原始脈沖渦流信號(hào)保持了更高的相似度和細(xì)節(jié)信息。

圖9 脈沖渦流參考信號(hào)

2 脈沖渦流/電磁超聲檢測(cè)試驗(yàn)

筆者搭建了如圖10所示的脈沖渦流/電磁超聲試驗(yàn)系統(tǒng)。電磁超聲儀器為RITEC-RAM 5000。試件為四個(gè)不同厚度的鋁板，厚度分別為7.76，10.06，12.14，25.05 mm。

2.1 有效性驗(yàn)證

2.1.1 超聲信號(hào)濾波

對(duì)檢出信號(hào)通過(guò)NF-FV628濾波器進(jìn)行1～3 MHz帶通濾波，濾波結(jié)果如圖11所示。根據(jù)四個(gè)不同板厚試件的濾波結(jié)果可以看出，對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行上述濾波得到的超聲信號(hào)比較理想，可以很好地表征不同厚度板的特征，同時(shí)也很好地驗(yàn)證了上述提出的對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行1～3 MHz濾波處理的合理性。

圖10 脈沖渦流/電磁超聲復(fù)合檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖11 不同厚度鋁板的1～3 MHz帶通濾波結(jié)果

2.1.2 脈沖渦流信號(hào)濾波

由于脈沖渦流信號(hào)沒(méi)有明顯的特征信號(hào)，所以以去除磁鐵(去除電磁超聲信號(hào))，濾波器處于關(guān)閉狀態(tài)，即不進(jìn)行濾波的純脈沖渦流信號(hào)(見(jiàn)圖12(a))作為參考脈沖渦流信號(hào)。對(duì)混合檢出信號(hào)通過(guò)NF-FV628濾波器進(jìn)行0～5 MHz帶通濾波，濾波結(jié)果如圖12(b)所示?？梢?jiàn)，濾波結(jié)果與參考脈沖渦流信號(hào)具有很高的相似性，幅值大小也很相近，證明了上述濾波策略的合理性。

2.2 基于PECT/EMAT復(fù)合檢測(cè)方法的復(fù)雜缺陷檢測(cè)筆者制作了帶有三種缺陷類(lèi)型(表面缺陷、底部減薄缺陷、復(fù)合缺陷)的鋁板試件(見(jiàn)圖13)。鋁板上表面刻了7個(gè)長(zhǎng)度寬度相同、深度不同的槽，模擬不同深度的表面缺陷；鋁板底部右端制作了4個(gè)不同厚度的臺(tái)階狀的減薄缺陷；中間的兩組復(fù)合缺陷既包含表面缺陷又包含底部減薄缺陷。同時(shí)用復(fù)合信號(hào)中的脈沖渦流成分和超聲渦流成分進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖14,15所示?？梢钥闯?，復(fù)合信號(hào)不僅有效地檢出了單一的表面缺陷和底部減薄，也檢測(cè)出了中間的復(fù)合缺陷，進(jìn)一步證明了濾波策略的正確性以及復(fù)合方法的優(yōu)越性。

圖12 不同厚度鋁板的脈沖渦流信號(hào)(參考信號(hào))及混合檢出信號(hào)濾波結(jié)果

圖13 帶缺陷的鋁板試件

圖14 含不同缺陷鋁板檢出信號(hào)的0～5 MHz(脈沖渦流成分)濾波結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

首先,基于有限元理論開(kāi)發(fā)了電磁超聲/脈沖渦流信號(hào)的復(fù)合數(shù)值模擬方法，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算出了試驗(yàn)中難以測(cè)得的單純的脈沖渦流信號(hào)和超聲信號(hào)，并且對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行了頻域的分析和比較；其次，提出了基于頻譜分析、濾波等策略對(duì)混合檢出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分離提取的方法，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性；最后，基于復(fù)合檢測(cè)方法對(duì)鋁板中的三種類(lèi)型缺陷(表面缺陷、底部減薄缺陷、復(fù)合缺陷)同時(shí)進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的PECT/EMAT復(fù)合檢測(cè)方法的優(yōu)越性和高效性。

圖15 含不同缺陷鋁板檢出信號(hào)的1～3 MHz(超聲渦流成分)濾波結(jié)果

[1] 王新平. 電磁超聲技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng), 2004, 26(6):275-279.

[2] 張清華. 基于超聲和渦流的復(fù)合式無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[D].廣州：華南理工大學(xué), 2010:12-96.

[3] 周樂(lè)柱. 邊棱元法——一種模擬和分析電磁場(chǎng)的新型計(jì)算方法[J]. 電子學(xué)報(bào)，1994, 22(12):1-6.

[4] XIE She-juan,CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Efficient numerical solver for simulation of pulsed eddy current testing signals[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47:4582-4591.

[5] XIE She-juan,CHEN Zhen-mao,TAKAGI T, et al. Quantitative non-destructive evaluation of wall thinning defect in double-layer pipe of nuclear power plants using pulsed ECT method[J]. NDT&E International, 2015, 75:87-95.

[6] LI Yong,YAN Bei,LI Da, et al. Gradient-field pulsed eddy current probes for imaging of hidden corrosion in conductive structures[J]. Sensors & Actuators: A Physical, 2016, 238:251-265.

[7] 周海強(qiáng),李勇,陳振茂. 鐵磁材料電磁超聲無(wú)損檢測(cè)數(shù)值模擬[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2012, 34(11):21-24.

[8] PEI Cui-xiang, DEMACHI K, FUKUCHI T, et al. Development of a fiber-phased array laser-EMAT system for defect inspection[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013, 113:163101/1-7.

[9] XIAO Pan,PEI Cui-xiang,YANG Gui-cai, et al. A phased-array EMAT for detection of delamination defect in a tube of multilayer structure[J]. Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, 2016, 41:163-170.

[10] HUANG N E. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J]. Proceedings of the Royal Society A,1998,454:903-995.

Complicated Defects Detection Based on Hybrid NDT Methods of PECT and EMAT

TIAN Ming-ming, XIE She-juan, XIAO Pan, PEI Cui-xiang, LI Yong, CHEN Zhen-mao

(State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,Shanxi Engineering Research Center for NDT and Structural Integrity, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) testing method is of the inherent disadvantage of the near surface blind area. On the other hand, the pulsed eddy current testing (PECT) method has higher inspection sensitivity for near surface defects. After analysis, we find that actually the EMAT testing signal itself contains the PECT part. Based on the backgrounds above, the purpose of this study is to propose a hybrid NDT method which is to combine PECT with the EMAT together. The contents of this paper are as follows: firstly, a numerical code is developed for the simulation of hybrid EMAT/PECT signals based on finite element method; then, signal separation and extraction methods are proposed on the basis of the spectral analysis and filtering strategies for signals of the hybrid EMAT/PECT method and investigated by experiment. Finally, the three types of defects (surface defects, bottom thinning defects, composite defects) in aluminum plate are successfully detected at the same time based on the developed hybrid NDT method, which validates the superiority of the developed hybrid PECT/EMAT NDT methods.

PECT/EMAT; Hybrid NDT method; Signal separation and extraction; Complicated defect

2016-06-22

國(guó)家磁約束聚變資助項(xiàng)目(2013GB113005)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407132, 51277139, 51577139);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

田明明(1992-)，男，碩士研究生，主要從事電磁無(wú)損檢測(cè)方法研究。E-mail: tianmingming@stu.xjtu.edu.cn。

解社娟，E-mail: xiesj2014@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201612003

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0009-06