基于脉冲涡流磁场梯度检测的多层金属结构层间腐蚀缺陷成像

刘相彪，李勇，闫贝，陈振茂，齐勇

(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，核能结构安全检测与完整性评价研究中心，陕西 西安 710049)

飞机机翼、核电管道等一般为多层金属结构，该结构在复杂及恶劣的服役环境下，结构层间极易出现腐蚀缺陷，严重影响结构质量与安全。因而，对多层金属结构层间腐蚀缺陷进行无损检测及评估十分重要。层间腐蚀缺陷具有隐蔽性，因而传统涡流[1-2]、超声、射线等检测手段很难对其进行行之有效地无损检测及评估。脉冲涡流检测[3-6]作为一种新型电磁无损检测技术之一，具有激励信号频谱宽、检测信号信息量丰富等优点，对多层金属结构深层和层间缺陷检测具有优势。

近年来，国内外学者对脉冲涡流检测技术在金属结构缺陷成像中的应用进行了研究[7-8]。研究表明，基于脉冲涡流检测的缺陷成像技术可直观反映缺陷位置、形状等信息。然而，目前脉冲涡流检测腐蚀缺陷成像技术尚存在对缺陷边缘识别灵敏度低，成像效果差、缺陷评估精度低等不足之处。本研究组通过对脉冲涡流检测技术的进一步研究，提出了基于磁场梯度测量的新型脉冲涡流检测方法[9]，即脉冲涡流磁场梯度检测方法，采用该方法可实现单层金属结构材质劣化、裂纹和腐蚀缺陷的高效检测及评估[10-11]。基于前期研究成果，本研究通过仿真和试验研究，进一步探讨脉冲涡流磁场梯度检测方法在多层金属结构层间腐蚀缺陷成像中的实现手段及优势性。

1 脉冲涡流磁场梯度检测方法的仿真研究

目前，对于脉冲涡流检测三维数值的仿真大多使用的是商用有限元软件，存在对计算机性能要求高，仿真计算时间较长等问题。鉴于此，本研究采用基于退化磁矢位法[12-13]的脉冲涡流检测有限元计算方法[11]，建立脉冲涡流磁场梯度检测多层金属结构层间腐蚀缺陷三维仿真模型，由于该方法不需要对激励源划分网格，因此仿真计算具有较高精度与效率，可实现缺陷扫查信号的高效计算。

本研究所建立的三维有限元仿真模型如图1所示。

图1 仿真模型示意图

模型参数为：上层板尺寸200 mm×200 mm×1 mm，下层板尺寸200 mm×200 mm×4 mm，二者均为铝板，其导电率为3.541 07 S/m，相对磁导率为1；设定的层间腐蚀缺陷位于下层板上表面，其尺寸为20 mm×20 mm×2.5 mm。检测探头包括盘式激励线圈和2个磁场传感器。盘式激励线圈内径为10mm，外径为15 mm，高为20 mm，匝数为1 500匝，线圈设计提离为0.5 mm。激励电流信号为方波信号，最大幅值为0.8 A，频率100 Hz，占空比50%。2个磁场传感器位于激励线圈中心轴的不同高度(高度差为0.5 mm)同时采集磁场信号，所拾取磁场信号的差值除以传感器高度差即得磁场梯度信号。

检测探头扫查路径如图2所示。以缺陷中心为坐标原点，X轴方向从-20 mm处开始扫查至20 mm处结束，间隔为2 mm，共扫查21点。Y轴方向从-16 mm开始至16 mm结束，间隔为2 mm，共扫查17条。采用基于退化磁矢位法的脉冲涡流检测有限元计算方法计算得到各扫查点处的磁场信号和磁场梯度信号，提取两类信号峰值作为特征量，分别拟合得出信号峰值-探头位置曲线。为了后续对磁场信号和磁场梯度信号进行比较，对扫查所得到的信号峰值-探头位置曲线均进行了归一化处理。

图2 探头扫查路径

图3为在Y=0处检测探头沿X轴扫查所得信号峰值-探头位置曲线。可以看出，随着探头接近缺陷中心区域，磁场信号峰值和磁场梯度信号峰值均增大，变化趋势一致。

图3 信号峰值-探头位置归一化曲线

为了便于比较磁场信号和磁场梯度信号对缺陷边缘识别的灵敏度，对信号峰值-探头位置曲线进行求导，结果如图4所示。从图4可以看出，在缺陷边缘处，磁场梯度信号峰值变化率大于磁场信号峰值变化率，说明脉冲涡流磁场梯度检测方法对缺陷边缘识别的灵敏度更大。

图4 磁场梯度信号与磁场信号灵敏度曲线

将扫查所得到的17条信号峰值-探头位置曲线输入Matlab程序中进行缺陷成像，为了提高成像分辨率，对原始成像结果进行三次样条插值，结果如图5、图6所示，其中实线为层间腐蚀缺陷的实际边界。

图5 磁场梯度信号缺陷成像图

图6 磁场信号缺陷成像图

为了使成像效果更为直观，对图5、图6进行阈值处理。设定阈值为0.7，背景像素值为1(白)，目标处像素为0(黑)，阈值处理后的成像结果如图7、图8所示，其中实线为层间腐蚀缺陷实际边界。从图中可以直观看出，磁场梯度信号的成像结果可更为有效地描述层间腐蚀缺陷轮廓。由此可见，脉冲涡流磁场梯度检测方法对层间腐蚀缺陷的成像具有显著优势。

图7 阈值处理后的磁场梯度信号缺陷成像图

图8 阈值处理后的磁场信号缺陷成像图

2 脉冲涡流磁场梯度检测层间腐蚀缺陷成像试验研究

2.1 试验系统

本研究所开发的脉冲涡流磁场梯度检测试验系统主要由信号发生器、功率放大器、差分放大器、滤波器、数据采集处理、探头以及试件等部分组成。信号发生器(NF公司，WF1944B)用以产生方波激励信号。功率放大器(NF公司，HSA4014)用于将激励信号进行放大以驱动探头。差分放大器(NF公司，P61)将采集所得的检测信号(磁场梯度信号和磁场信号)进行放大。由于检测信号噪声主要集中在高频部分，采用滤波器(NF公司，P63)对信号进行低通滤波。数据采集卡(ADLINK PCI-9812)用以实现前置处理所得信号的数据采集，配合LabVIEW程序实时显示检测信号、提取信号峰值、获取缺陷扫查曲线。

检测探头由1个盘式激励线圈和2个霍尔传感器(Hall，SS495A)组成。激励线圈内径为10 mm，外径为15 mm，高为20 mm，匝数为1 500匝。2个霍尔传感器放置于激励线圈中心轴的不同高度(高度差为0.5 mm)，2个传感器所拾取磁场信号的差值除以传感器高度差即得磁场梯度信号。

检测试件为紧密贴合的双层铝板，上层板尺寸为200 mm×200 mm×1 mm，下层板尺寸为200 mm×200 mm×4 mm，层间腐蚀缺陷(20 mm×20 mm×2.5 mm)位于下层板表面。

2.2 试验结果及分析

试验中采用幅值为3.5 V，频率100 Hz，占空比为50%的脉冲方波作为激励信号，采用功率放大器对脉冲激励信号放大10倍以提高激励线圈磁场强度。对检测信号(磁场梯度信号和磁场信号)分别进行了差分处理，将差分后的信号放大10倍并进行低通滤波(截止频率为15 kHz)，利用数据采集卡同步采集前置处理所得磁场梯度信号和磁场信号，如图9、图10所示。

图9 磁场梯度信号实测波形

图10 磁场信号实测波形

从图9、图10可以看出，磁场梯度信号和磁场信号均有明显的峰值特征，故在后续扫查(探头扫查路径如图2所示)中，利用LabVIEW程序实时提取信号峰值作为特征量，拟合获取信号峰值-探头位置扫查曲线。将扫查曲线输入Matlab进行成像处理，为了提高成像分辨率，对原始成像结果进行了三次样条插值处理。磁场梯度信号和磁场信号缺陷成像结果如图11，图12所示，图中实线框显示了检测试件层间腐蚀缺陷的实际边界。

图11 磁场梯度信号缺陷成像图

图12 磁场信号缺陷成像图

对图11、图12进行阈值处理，设定阈值为0.7，背景像素值为1(白)，目标处像素为0(黑)，阈值处理后的成像结果如图13、图14所示，图中实线为检测试件层间腐蚀缺陷实际边界。

图13 阈值处理后的磁场梯度信号缺陷成像图

图14 阈值处理后的磁场信号缺陷成像图

从成像结果可见，基于脉冲涡流磁场梯度检测的层间腐蚀缺陷成像结果可更为有效地描述缺陷轮廓，该结论与仿真分析结论相一致。仿真和试验研究均表明，脉冲涡流磁场梯度检测方法可对多层金属结构层间腐蚀缺陷进行高精度成像。

3 结 论

1)基于退化磁矢位法，建立了脉冲涡流磁场梯度检测多层金属结构层间腐蚀缺陷三维有限元模型，仿真分析了脉冲涡流磁场梯度检测方法在多层金属结构层间腐蚀缺陷成像中的有效性和优势性。

2)搭建了脉冲涡流磁场梯度检测试验系统，通过试验，进一步验证了仿真结论。仿真和试验研究结果表明：与传统脉冲涡流检测方法相比，脉冲涡流磁场梯度检测方法有效提升了多层金属结构层间腐蚀缺陷边缘识别灵敏度，具有较高的缺陷成像精度。

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