銀 鴻，文 軒，楊生勝，王 鹢，李存惠，梁遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；2.國(guó)防科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在航空航天、機(jī)械制造、核能發(fā)電、石油化工等重要領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用[1]，現(xiàn)有的檢測(cè)方法有超聲波、X射線(xiàn)、磁粉、滲透、電渦流等，其中脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)與其他方法相比，具有不受涂鍍層影響、無(wú)需耦合劑、可應(yīng)用于高溫工況、可小型化、可檢測(cè)表面及內(nèi)部缺陷等優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景[2-9]。盡管脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)近幾年來(lái)有了較大的發(fā)展，但在缺陷成像化定量化檢測(cè)方面的研究尚缺乏[8-13]，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)渦流檢測(cè)所用磁傳感器的靈敏度、分辨率等性能制約著脈沖渦流檢測(cè)精度，進(jìn)而影響后期反演結(jié)果；另一方面，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確成像須建立缺陷物理量和磁渦流信號(hào)之間較好的關(guān)聯(lián)。以往的渦流成像研究通常采用線(xiàn)圈、霍爾等磁傳感器，采用繞制線(xiàn)圈激勵(lì)，致使檢測(cè)探頭尺寸較大、分辨率不高，缺陷成像效果差?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)渦流磁場(chǎng)的仿真分析，利用新一代的磁傳感器-隧道磁阻傳感器TMR設(shè)計(jì)了陣列化的渦流檢測(cè)探頭，并配置速度編碼器，設(shè)計(jì)了等空間間隔插值算法，實(shí)現(xiàn)探頭移動(dòng)速度與缺陷檢測(cè)速度的關(guān)系匹配，結(jié)合成像算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際缺陷輪廓的繪制。

1 脈沖渦流檢測(cè)原理

脈沖渦流檢測(cè)基于渦流效應(yīng)，如圖1所示，當(dāng)在激勵(lì)線(xiàn)圈中施加脈沖電信號(hào)時(shí)，激勵(lì)線(xiàn)圈會(huì)感應(yīng)出脈沖磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)傳至導(dǎo)體試件，會(huì)在試件表面產(chǎn)生服從集膚效應(yīng)的脈沖渦流，該渦流沿試件內(nèi)部傳播時(shí)呈指數(shù)衰減，并在空間產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，與脈沖磁場(chǎng)疊加，試件缺陷影響試件電導(dǎo)率的分布，進(jìn)而對(duì)疊加磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，因此，通過(guò)磁傳感器檢測(cè)疊加磁場(chǎng)就可對(duì)試件內(nèi)部缺陷分布進(jìn)行評(píng)估。筆者所在項(xiàng)目組已將該原理方法應(yīng)用于某型號(hào)任務(wù)，用以檢測(cè)力學(xué)支撐結(jié)構(gòu)因沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力損傷。

圖1 脈沖渦流檢測(cè)工作原理

2 陣列化脈沖渦流探頭設(shè)計(jì)

激勵(lì)線(xiàn)圈的激勵(lì)電流、頻率、形狀影響著脈沖渦流磁場(chǎng)的分布、磁傳感器的排布及檢測(cè)效果，進(jìn)而決定著脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)的能力[14-16]。一般的激勵(lì)線(xiàn)圈為圓形繞制線(xiàn)圈和矩形線(xiàn)圈[17]，圓形繞制線(xiàn)圈勵(lì)磁均勻區(qū)小，且體積較大，不利于磁傳感器陣列化排布；矩形印制平面線(xiàn)圈，具有較寬的勵(lì)磁均勻區(qū)，適用磁傳感器的陣列化布局。為進(jìn)一步擴(kuò)大勵(lì)磁均勻區(qū)，采用對(duì)稱(chēng)布置的雙矩形印制平面線(xiàn)圈，并利用COMSOL軟件進(jìn)行激勵(lì)線(xiàn)圈瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真，線(xiàn)圈匝數(shù)設(shè)為10，激勵(lì)電流為方波信號(hào)，研究類(lèi)型為瞬態(tài)研究，時(shí)間t選取0～0.05 s。將雙矩形印制平面線(xiàn)圈上方2 mm處平面的磁通密度作為研究對(duì)象，建模及結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 矩形印制平面線(xiàn)圈仿真模型

由圖3可見(jiàn)：當(dāng)t=1 ms時(shí)，磁通密度x分量的平行匝線(xiàn)區(qū)域存在峰值接近1.5×10-5T的磁場(chǎng)均勻區(qū)；磁通密度y分量集中于矩形印制平面線(xiàn)圈的窄邊；磁通密度z分量集中于矩形印制平面線(xiàn)圈的中心區(qū)域，矩形印制平面線(xiàn)圈沿垂直于其平行匝線(xiàn)方向的磁場(chǎng)均勻區(qū)較大，因此可在該區(qū)域布置陣列傳感器。隧道磁電阻傳感器TMR作為新一代的磁傳感器，較常規(guī)的線(xiàn)圈、霍爾等磁傳感器具有體積小、精度高、易集成等優(yōu)點(diǎn)[18]，本文選用16路TMR磁傳感器布置于磁均勻區(qū)實(shí)現(xiàn)高分辨率的渦流磁場(chǎng)采集，每路TMR敏感軸與x軸平行，最終設(shè)計(jì)的探頭如圖4所示。

(a)x分量

(b)y分量

(c)z分量圖3 雙矩形印制平面線(xiàn)圈上方2 mm處 平面在t=1 ms時(shí)的磁通密度

為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)速度與采樣速度的匹配，減小檢測(cè)時(shí)人為因素的影響，在探頭中配置了速度編碼器和測(cè)速輪，在移動(dòng)探頭檢測(cè)缺陷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)探頭速度的測(cè)量，并開(kāi)發(fā)等空間算法和成像算法，實(shí)現(xiàn)缺陷信息的可視化測(cè)量，探頭工裝如圖5所示。

(a)雙矩形印制線(xiàn)圈(b)TMR陣列圖4 PECT探頭

圖5 脈沖渦流檢測(cè)探頭

脈沖渦流成像檢測(cè)系統(tǒng)選用了PXI采集卡進(jìn)行16路通道的同步采樣，其采集率可達(dá)1 MS/s，并采用圖形化編程的LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，其檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 脈沖渦流檢測(cè)成像系統(tǒng)示意圖

3 脈沖渦流檢測(cè)原理

陣列磁傳感器由S組傳感器組成，完成檢測(cè)域掃描后共觸發(fā)k次獨(dú)立測(cè)量，提取磁測(cè)信號(hào)的某一特征量，按通道順序組成特征向量:

(1)

于是，可獲得維數(shù)為S×k的特征矩陣：

(2)

式中Vc為維數(shù)S×k的特征矩陣。

當(dāng)陣列傳感器通道數(shù)S較小時(shí)，通過(guò)Vc生成的圖像空間分辨率很低，影響缺陷的準(zhǔn)確判斷，故需要根據(jù)傳感器的陣列長(zhǎng)度和掃描方向的橫跨距離以及圖像空間采樣率進(jìn)行行列的維數(shù)擴(kuò)展，最后將特征矩陣內(nèi)的元素轉(zhuǎn)換為灰度值或顏色值，從而實(shí)現(xiàn)缺陷成像。

4 等空間間隔插值算法及成像算法設(shè)計(jì)

在利用缺陷檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)缺陷并進(jìn)行缺陷成像檢測(cè)時(shí)，由于采集動(dòng)作受脈沖方波信號(hào)的邊沿觸發(fā)，為等時(shí)間間隔采樣，這要求探頭速度始終均勻，若掃描速度過(guò)快或過(guò)慢，最終呈現(xiàn)的缺陷圖像將會(huì)出現(xiàn)沿邊沿“拉伸”或“壓縮”的情況，造成缺陷成像“失真”，針對(duì)此問(wèn)題，利用伺服機(jī)構(gòu)對(duì)探頭的掃描動(dòng)作進(jìn)行精確控制，可以達(dá)到均勻掃描并真實(shí)成像的效果，但高精度的伺服機(jī)構(gòu)無(wú)疑會(huì)增加數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本和體積，不利于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的工程化，對(duì)此，本研究利用基于編碼器的等空間間隔插值技術(shù)以消除探頭在手持掃描過(guò)程中非勻速移動(dòng)帶來(lái)的影響，編碼器成本低，利用光電、磁電等原理檢測(cè)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置及速度信息，具有較高的位置測(cè)量靈敏度。

采用光電編碼器進(jìn)行脈沖渦流陣列掃描探頭的運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)，將探頭空間信息和缺陷采集速率關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)行等空間間隔采樣，實(shí)現(xiàn)缺陷真實(shí)成像。由于TMR輸出與磁場(chǎng)分布成線(xiàn)性關(guān)系，利用雙線(xiàn)性插值對(duì)渦流探頭檢測(cè)特征矩陣進(jìn)行等空間間隔插值有較好的適用性。

雙線(xiàn)性插值法基本原理如圖7所示，(xi,yi)、(xi+1,yi)、(xi,yi+1)、(xi+1,yi+1)4個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值分別為zi,j、zi+1,j、zi,j+1、zi+1,j+1。首先利用一維線(xiàn)性插值法計(jì)算A、B兩點(diǎn)的值：

(3)

式中：(xim,n，yim,n)為4點(diǎn)雙線(xiàn)性差值后的坐標(biāo)；zim,n為插值后的值。

圖7 雙線(xiàn)性插值示意圖

(4)

圖8為等空間間隔插值技術(shù)的算法流程，顯然，在相同的采樣時(shí)間間隔下，即使2次連續(xù)采樣的空間間隔不均勻，通過(guò)雙線(xiàn)性插值法對(duì)插值點(diǎn)數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可使得生成的特征矩陣在掃描方向上保持均勻，從而避免了掃描速度不均勻引起的缺陷圖像失真。

圖8 等空間間隔插值技術(shù)算法流程圖

5 缺陷成像檢測(cè)試驗(yàn)

缺陷成像化實(shí)驗(yàn)中缺陷信號(hào)的獲取方式為差分檢測(cè)法，首先將PECT探頭置于試件無(wú)缺陷處采集參考信號(hào)，后移動(dòng)探頭對(duì)缺陷內(nèi)含缺陷的試件進(jìn)行掃描，用參考信號(hào)減去缺陷信號(hào)得到一組差分信號(hào)，如圖9所示。

圖9 差分信號(hào)示意圖

經(jīng)項(xiàng)目組前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：缺陷范圍內(nèi)TMR差分信號(hào)的峰值與缺陷深度、缺陷直徑及TMR距缺陷中心的距離有關(guān)。因此，為顯現(xiàn)缺陷的輪廓圖像，選用16路陣列TMR傳感器的差分信號(hào)峰值來(lái)進(jìn)行成像檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)工況影響檢測(cè)效果，脈沖方波激勵(lì)頻率影響缺陷檢測(cè)深度，頻率越高，檢測(cè)深度越??；脈沖方波激勵(lì)占空比影響單次激勵(lì)的能量，占空比越大，激勵(lì)能量越高，更利于深缺陷檢測(cè)，但會(huì)加重激勵(lì)線(xiàn)圈的熱效應(yīng)；采樣率應(yīng)足夠大，以增加脈沖邊沿處采集的缺陷信號(hào)點(diǎn)數(shù)，提高檢測(cè)精度，但過(guò)高的采樣率會(huì)加大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理負(fù)擔(dān)；綜合考慮，選擇激勵(lì)線(xiàn)圈參數(shù)為0.5 A、20 Hz，采樣率選擇200 kHz，下降沿觸發(fā)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)置了不同尺寸的方形、圓形、三角形、矩形的鋁合金板材缺陷(圖10)，板材厚度2 mm，包括直徑為50 mm的圓形缺陷、邊長(zhǎng)為50 mm的正方形和邊長(zhǎng)為50 mm的等邊三角形缺陷，以及50 mm×20 mm的矩形缺陷等。

圖10 缺陷試樣圖

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程采用掃描式檢測(cè)，首先將探頭置于鋁合金板無(wú)缺陷處采集參考信號(hào)，后手持探頭掃過(guò)缺陷表面，采樣模式為等時(shí)間間隔采樣，在每個(gè)采樣位置都用檢測(cè)信號(hào)減去參考信號(hào)得到相應(yīng)采樣位置的差分信號(hào)，并提取每通道的差分信號(hào)峰值，等空間間隔插值法實(shí)時(shí)更新特征矩陣，最終將其轉(zhuǎn)換為圖像，如圖11所示。

(a)正方形缺陷掃描成像結(jié)果

(b)圓形缺陷掃描成像結(jié)果

(c)三角形缺陷掃描成像結(jié)果

(d)矩形缺陷掃描成像結(jié)果

由成像結(jié)果可見(jiàn)，本研究設(shè)計(jì)的脈沖渦流陣列掃描成像系統(tǒng)可實(shí)時(shí)生成掃描域的磁場(chǎng)信息圖像，通過(guò)灰色深淺程度反映磁場(chǎng)畸變大小，顏色越深，磁場(chǎng)畸變?cè)酱??；谒俣染幋a器的等空間間隔插值算法可使得灰色區(qū)域與真實(shí)缺陷的位置及尺寸大小很好地吻合，從而可較真實(shí)直觀(guān)地顯示出缺陷的位置和尺寸形狀。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于新型磁傳感器的陣列化脈沖渦流探頭，通過(guò)仿真分析，設(shè)計(jì)了勵(lì)磁均勻區(qū)較寬的激勵(lì)線(xiàn)圈和高分辨率TMR傳感器陣列，并針對(duì)陣列探頭提出了基于速度編碼器的等空間間隔插值成像算法，解決了成像檢測(cè)結(jié)果受探頭移動(dòng)速度影響的問(wèn)題，并搭建了缺陷檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同缺陷進(jìn)行了識(shí)別研究，結(jié)果表明不同缺陷重構(gòu)的圖像與真實(shí)缺陷的形狀有較好的吻合關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同缺陷的位置和尺寸進(jìn)行較真實(shí)和直觀(guān)的判斷，這將提高缺陷檢測(cè)精度，降低檢測(cè)人員的專(zhuān)業(yè)要求，降低渦流檢測(cè)應(yīng)用成本。現(xiàn)有的文獻(xiàn)涉及脈沖渦流檢測(cè)的大多是利用差分信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行定性判別，探頭分辨率低，定量檢測(cè)以及成像化檢測(cè)且未考慮探頭速度[6-7,14-16]，檢測(cè)精度尚欠缺，因此本研究更具實(shí)用性。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)缺陷的智能化檢測(cè)，后續(xù)將進(jìn)行缺陷渦流信號(hào)的深度挖掘，進(jìn)一步提高反演精度，實(shí)現(xiàn)缺陷深度、形狀尺寸等參數(shù)與圖像的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)缺陷圖像的三維成像，結(jié)合后續(xù)圖形數(shù)據(jù)庫(kù)建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷實(shí)時(shí)定量成像判別，為脈沖渦流檢測(cè)的成像智能化應(yīng)用提供支持。