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一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统,检测系统采用固定频率的低频脉冲信号作为激励信号,通过特殊设计的欠阻尼状态脉冲涡流传感器,保证系统输出响应信号为振幅衰减的正弦波信号,该信号的首个波峰处于过冲状态,有效放大了缺陷信号;系统的激励频率保持不变,只需更换不同参数的欠阻尼状态脉冲涡流传感器,就能够在激励线圈中产生不同频率的正弦波信号,从而获得与多频涡流检测近似的检测效果,使得脉冲涡流检测系统也能够如正弦波激励的涡流检测系统一样,通过频率的调节抑制干扰信号,提高信噪比。该系统的电路复杂性大大降低;振幅衰减的正弦波信号携带更丰富的信息,方便采用时频分析的方法提取特征量,实现缺陷的定量检测。

Description

一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统
技术领域
本发明涉及一种脉冲涡流检测技术,尤其涉及欠阻尼状态下脉冲涡流的信号特征与缺陷间具有更为明确的对应关系,具体为一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统。
背景技术
脉冲涡流检测技术,简称PEC,是近些年快速发展的新型无损检测技术之一,传统涡流检测中使用单一频率正弦信号作为激励,通过分析检测信号的电压值及相位角来判别缺陷,而脉冲涡流选择具有一定占空比的方波信号为激励信号,通过对瞬态感应磁场时域响应的分析来确定缺陷相关信息,其中多以磁场最大值及其出现的时间点、信号过零时间点等时域信息作为特征量来表征缺陷的性质及大小。
脉冲涡流可以提供某段区域内的连续多频激励信号,在理论上脉冲涡流会比传统涡流提供出更多的信息,而固定频率的正弦波涡流衰减速度又明显快于方波激励信号,所以脉冲涡流就可以检测到深度较大的深层缺陷。
虽然脉冲涡流无损检测技术拥有多项优势,也表现出了很广的应用前景,但也存在技术的局限性,具体表现为:无法摆脱涡流检测中提离效应对检测结果带来的影响;理论基础虽然已建立,但仍然没有足够全面而系统的评估体系,缺陷和特征量之间的映射关系仍然不够完备,这限制了脉冲涡流检测在一些特定环境下的使用率。除此之外因为脉冲涡流检测时通过对瞬态感应磁场时域响应的分析来确定缺陷相关信息,而缺陷所引起的瞬态响应信号的变化往往非常微小,因此脉冲涡流检测对信号的质量需求很高,而外界环境往往会导致信号的紊乱或产生杂波,为了保障检测的精度,不仅必须对信号进行消噪等预处理,也给整个检测系统带来了更为严苛的需求,导致整个检测系统变得繁杂,整体检测体系尚不完善。
针对以上亟待解决的问题,本发明通过欠阻尼状态的脉冲涡流传感器使检测系统处于二阶欠阻尼状态,其响应信号具有过冲量的幅值衰减的正弦波信号,使整个系统复杂程度降低,用过冲量这一时域信号特征量和频谱分析中最大值这一频域信号特征结合,能有效检测腐蚀的深度和宽度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统,欠阻尼状态的脉冲涡流传感器,有效抑制提离效应的影响,放大信号变化,提高信噪比,使检测系统的复杂性降低,采用时频分析的方法提取特征量,实现缺陷的定量检测。
本发明是这样来实现的,一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统,它包括脉冲信号发生器和功率放大器构成的激励信号源、欠阻尼状态脉冲涡流传感器、检测信号放大调理电路、A/D转换电路、计算机,系统原理框图如图1所示;其特征是:脉冲信号发生器产生低频脉冲信号经功率放大器放大后输出到欠阻尼状态脉冲涡流传感器,欠阻尼状态脉冲涡流传感器输出的检测信号经放大调理电路完成信号调理,再经由A/D转换电路转换为数字信号送至计算机,在计算机中完成信号分析和特征提取;该系统包含特殊设计的欠阻尼状态脉冲涡流传感器,藉此传感器使系统构成二阶欠阻尼系统,在脉冲信号激励下,其响应为振幅衰减的正弦波信号,该信号包含材质不连续等缺陷的相关信息,通过时频分析方法提取特征量,实现缺陷的定量检测。
所述欠阻尼状态脉冲涡流传感器,由两个检测线圈和分别与之并联的电容构成,其中线圈的绕行方向相反,按反向串接方式连接,与限流电阻构成电桥,电路原理如图2所示。所述传感器由外至内依次为外壳体、磁屏蔽层和线圈外层骨架,线圈外层骨架内部布置检测线圈A、B,检测线圈A、B由在磁芯上绕制漆包线构成,A、B线圈绕行方向相反,磁芯采用高透磁率、低铁耗大仰角、高饱和磁通密度、高磁通密度等特殊性能的铁基非晶合金材料FeCuNbSiB;两线圈分别并联电容,并与限流电阻构成电桥电路,线圈和电容参数需要配合选择,以保证系统处于二阶欠阻尼状态。
欠阻尼状态脉冲涡流的检测方法,具体为:固定频率的脉冲信号经过功率放大作用于欠阻尼状态脉冲涡流传感器,由于传感器中线圈和电容参数配合设计保证其等效电路处于二阶欠阻尼状态,因此脉冲激励信号作用下,传感器的检测线圈中将产出振幅衰减的正弦波响应信号,该信号在周围建立起变化的磁场,导电工件在变化的磁场中产生同频率的涡流,工件的材质、形状、缺陷等因素都将影响涡流的大小及分布,该涡流在周围建立起磁场并反作用于线圈,使经过传感器线圈的磁链路发生改变,从而影响了线圈的等效电感和电阻,由于传感器中A、B线圈反接,在同一因素影响下,A、B线圈的电感变化正好相反,传感器电路构成差动电桥电路,其输出的信号即反映了工件的材质、形状、缺陷的变化,由于传感器设计保证其等效电路处于二阶欠阻尼状态,在脉冲信号激励下系统产生幅值衰减的正弦波信号响应,正是该响应信号具备比普通的脉冲涡流响应信号更丰富的信号特征,通过时频分析方法确定的特征量与工件缺陷大小深度成线性对应关系,从而实现缺陷的定量检测,改变传感器的参数即能改变响应信号的频率以适应不同材质、形状工件的检测需求。只需更换不同参数的欠阻尼状态脉冲涡流传感器,就能够产生不同的频率的正弦波变化的磁场,从而获得与多频涡流检测近似的检测效果,使得脉冲涡流也能够像采用正弦波激励的涡流检测系统一样通过频率的调节抑制干扰信号,提高信噪比。
传统的脉冲涡流系统是一阶系统,本系统通过传感器中电感线圈和电容的配合,构成欠阻尼状态的二阶系统,传感器由绕行方向相反的两个线圈及并联的电容构成,连接成电桥形式,电桥电路输出信号经放大后通过A/D转换电路转换为数字量信号进入计算机,经频谱分析得到信号幅度特征量,该信号特征与缺陷的大小及深度有线性关系,可以实现缺陷的定量检测。
本发明的优点是:通过特殊设计的二阶欠阻尼状态脉冲涡流传感器,使脉冲涡流检测系统处于二阶欠阻尼状态,其对脉冲激励的瞬态响应会出现振幅衰减的正弦波震荡现象,且第一个波峰信号会出现过冲现象,有效放大了缺陷信号,欠阻尼状态的瞬态响应的震荡频率及衰减系数均与线圈的阻抗有关,而缺陷将引起涡流的变化从而反作用于线圈,引起传感器线圈阻抗的变化,因此该传感器检测信号比普通脉冲涡流检测信号具备更为丰富的缺陷信息,经后期信号分析及特征提取具备定量的检测材料缺陷的能力。
传感器中两个线圈完全对称布置,由于是先后经过缺陷,位于缺陷上方的线圈阻抗发生变化,而位于正常位置的线圈阻抗不变,电桥电路失去平衡,输出电压,该电压与两线圈阻抗变化成正比,缺陷得以检测出来;而如果出现传感器提离,由于两线圈同时离开工件表面,阻抗变化相同,这时电桥输出信号为零,有效抑制了提离对检测的干扰。
通过传感器参数的调整即能够改变响应信号的频率,从而获得与多频涡流检测近似的检测效果,使得脉冲涡流也能够像采用正弦波激励的涡流检测系统一样通过频率的调节抑制干扰信号,提高信噪比。
附图说明
图1为本发明的欠阻尼脉冲涡流检测系统原理框图。
图2为本发明的欠阻尼状态脉冲涡流传感器原理图。
图3为本发明的包含人工缺陷的试块示意图。
图4为本发明的欠阻尼状态脉冲涡流检测系统在不同缺陷下的瞬态响应图。
图5为传统脉冲涡流检测系统响应图
图6为本发明的传感器阻尼比为0.9时的系统响应图
图7为本发明的传感器阻尼比为0.8时的系统响应图
图8为本发明的传感器阻尼比为0.2时的系统响应图
图9为本发明的检测信号的频谱分析示意图。
图10为本发明的缺陷深度与频谱幅值的关系示意图。
图11为本发明的缺陷直径与频谱幅值的关系示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示,本发明是这样来实现的:脉冲激励信号经功率放大后作用于传感器,该传感器包含两个线圈,既作为激励线圈也作为拾取信号的检测线圈,其电感量分别为L1、L2,两线圈分别并联电容C,串联电阻R起限流作用,传感器电路连接如图2所示,则此电路满足如下方程:
Figure BDA0001463904580000051
Figure BDA0001463904580000052
Figure BDA0001463904580000053
Ui为脉冲信号,当ui信号由低电平转为高电平时,求解此二阶微分方程即可得到传感器线圈上的电流及电压的解析解,分析可知只有在欠阻尼状态下,电路发生衰减震荡,即
0<ζ<1
Figure BDA0001463904580000061
Figure BDA0001463904580000062
Figure BDA0001463904580000063
Figure BDA0001463904580000064
Figure BDA0001463904580000065
同理,可计算出电桥中电压U2
则UO=U1-U2
传感器中的线圈与工件共同构成磁回路,线圈中电流如图2所示,该变化电流在周围建立变化磁场,在金属工件内部产生涡流,涡流产生磁场反作用于线圈,当涡流发变化时,通过线圈的磁通量也发生变化,由于
Figure BDA0001463904580000066
因此涡流的变化可以等效为电感的变化。
当传感器放在没有缺陷的工件上时,由于线圈相同,电路对称,两电感L1L2相同,电压U1=U2,电桥输出电压UO=0,当传感器经过缺陷时,由于线圈L1、L2将先后经过缺陷,缺陷造成涡流的变化,引起L1变化,而L2不变,此时U1随之发生变化而U2不变,因此UO≠0,输出的电压将与电感L1变化有关,从而检测出工件的缺陷。将传感器放在图3所示加工了人工缺陷的试块上,匀速通过各缺陷时,电桥输出实测电压如图4所示,可见不同缺陷信号的差异。
当选择不同线圈及电容,则可以构成不同阻尼比的二阶系统,为定量确定缺陷的大小和深度,选取合适的阻尼比有利于提高传感器的检测灵敏度。不同阻尼比时的响应信号如图6、图7、图8所示,当阻尼比为0.2-0.7时,经过缺陷时,输出信号的幅值及频率变化均远大于传统脉冲信号的响应(图5)。
欠阻尼状态的脉冲涡流传感器检测信号的时域特征——信号幅值与缺陷的深度及直径的关系如表1所示,由表可见信号的时域特征与缺陷深度及直径的关系不是线性的。
表1传感器各缺陷信号的时域幅值
Figure BDA0001463904580000071
将该检测信号进行频谱分析,结果如图9所示,频谱最大幅值与缺陷深度和直径的关系如图10、11所示,由图可见该特征量与缺陷缺陷深度及直径分别具备单调的近线性关系,能够反映缺陷的当量大小。
该欠阻尼脉状态冲涡流检测系统特点:
1、激励信号简单,使用低频方波信号作为激励信号;
2、无需改变激励信号频率,只需要通过线圈及电容参数的配合即可以获取类似普通涡流检测的不同频率的正弦波信号,即不用改变检测仪器参数,只需使用不同参数的传感器即可实现多频涡流检测;
3、信号拾取及调理电路简单,无需普通涡流的正交分解电路、脉冲涡流的微弱信号提取电路,即可获得可分辨的缺陷信号;
4、通过时频分析获取频域信号作为特征量,该特征与表面缺陷的直径和深度有接近线性的关系,可以实现缺陷的定量判定。

Claims (2)

1.一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统,包括脉冲信号发生器和功率放大器构成的激励信号源、欠阻尼状态脉冲涡流传感器、检测信号放大调理电路、A/D转换电路、计算机,其特征是:脉冲信号发生器产生低频脉冲信号经功率放大器放大后输出到欠阻尼状态脉冲涡流传感器,欠阻尼状态脉冲涡流传感器输出的检测信号经放大调理电路完成信号调理,再经由A/D转换电路转换为数字信号送至计算机,在计算机中完成信号分析和特征提取;该系统包含欠阻尼状态脉冲涡流传感器,该传感器由两个检测线圈和分别与之并联的电容构成,其中线圈的绕行方向相反,按反向串接方式连接,所述传感器由外至内依次为外壳体、磁屏蔽层和线圈外层骨架,线圈外层骨架内部布置检测线圈A、B,检测线圈A、B由在磁芯上绕制漆包线构成,A、B线圈绕行方向相反,磁芯采用高透磁率、低铁耗大仰角、高饱和磁通密度、高磁通密度特殊性能的铁基非晶合金材料FeCuNbSiB;两线圈分别并联电容,并与限流电阻构成电桥电路,线圈和电容参数需要配合选择,应满足的条件,以保证系统处于二阶欠阻尼状态,在脉冲信号激励下,传感器的响应为振幅衰减的正弦波信号,该正弦波信号包含材质不连续缺陷的相关信息,通过时频分析方法提取特征量,实现缺陷的定量检测。
2.根据权利要求1所述的一种欠阻尼状态脉冲涡流检测系统,其特征是:欠阻尼状态脉冲涡流的检测方法,具体为:
固定频率的脉冲信号经过功率放大作用于欠阻尼状态脉冲涡流传感器,由于传感器中线圈和电容参数配合设计保证其等效电路处于二阶欠阻尼状态,因此脉冲激励信号作用下,传感器的检测线圈中将产出振幅衰减的正弦波响应信号,该正弦波响应信号在周围建立起变化的磁场,导电工件在变化的磁场中产生同频率的涡流,工件的材质、形状、缺陷因素都将影响涡流的大小及分布,该涡流在周围建立起磁场并反作用于线圈,使经过传感器线圈的磁链路发生改变,从而影响了线圈的等效电感和电阻,由于传感器中A、B线圈反接,在同一因素影响下,A、B 线圈的电感变化正好相反,传感器电路构成差动电桥电路,其输出的信号即反映了工件的材质、形状、缺陷的变化,由于传感器设计保证其等效电路处于二阶欠阻尼状态,在脉冲信号激励下系统产生幅值衰减的正弦波响应信号,正是该正弦波响应信号具备比普通的脉冲涡流响应信号更丰富的信号特征,通过时频分析方法确定的特征量与工件缺陷大小深度成线性对应关系,从而实现缺陷的定量检测,改变传感器的参数即能改变响应信号的频率以适应不同材质、形状工件的检测需求。
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