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脉冲涡流阵列缺陷成像检测技术_王海涛

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基于A型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究

基于A型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究

收稿日期：２０２２－０８－０６基金项目：南京市建设系统科技计划项目（ＫＳ２１２７）引用格式：王海涛，程婧婷，黄德海．基于Ａ型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（５）：３７－４３．ＷＡＮＧＨＴ，ＣＨＥＮＧＪＴ，ＨＵＡＮＧＤＨ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｆｅｃｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＲａｉｌｗａｙＳｗｉｔｃｈＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＡ ＴｙｐｅＰｕｌｓｅＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（５）：３７－４３．基于Ａ型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究王海涛１，程婧婷１，黄德海２（１．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京　２１１１０６；２．南京华建检测技术有限公司，江苏南京　２１００４６）摘要：随着我国铁路行业的快速发展，铁道部电务系统对道岔转辙机零部件的检测要求越来越高。

目前，转辙机关键部件检测主要依靠人工目视检测，存在漏检风险。

因此，提出了一种基于Ａ型脉冲反射式超声探伤技术的裂纹定量检测方法。

首先，分析了金属材料力学性能，计算了道岔转辙机关键部件的临界裂纹理论长度，并以此为基础在与转辙机关键部件相同材料的试件上设计了刻槽缺陷模拟实际裂纹。

然后，基于无损检测专业仿真平台ＣＩＶＡ建立了试件模型，采用Ａ型脉冲反射式单晶直探头对试件进行检测，分析声场特点并选取最优探头参数。

最后，搭建了实验平台，通过对Ａ扫信号的分析处理获得了试件截面图，重构缺陷位置相对误差小于２％，验证了该方法的可行性。

该检测方法具有成本低、精度高的优点，为解决转辙机关键部件的缺陷检测提供参考。

关键词：道岔转辙机关键部件；直探头；超声波Ａ扫；缺陷重构中图分类号：ＴＰ２１６；ＴＧ１１５．２８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２３）０５－００３７－０７ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２２．０９．３０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｆｅｃｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＲａｉｌｗａｙＳｗｉｔｃｈＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＡ ＴｙｐｅＰｕｌｓｅＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷＡＮＧＨａｉｔａｏ１牞ＣＨＥＮＧＪｉｎｇｔｉｎｇ１牞ＨＵＡＮＧＤｅｈａｉ２牗１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ牞ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ牞Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１０６牞Ｃｈｉｎａ牷２．ＮａｎｊｉｎｇＨｕａｊｉａｎＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．牞Ｌｔｄ．牞Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４６牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶ＷｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａ ｓｒａｉｌｗａｙｉｎｄｕｓｔｒｙ牞ｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＲａｉｌｗａｙｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｈａｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｈｉｇｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ牞ｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｋｅｙｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅｍａｉｎｌｙｒｅｌｉｅｓｏｎｍａｎｕａｌｖｉｓｕａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅａｃｃｏｍｐａ ｎｉｅｄｂｙａｒｉｓｋｏｆｍｉｓｓｅｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ牞ａｃｒａｃｋｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＡ ｔｙｐｅｐｕｌｓｅｒｅ ｆｌｅｃｔｉｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｌａｗｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ牞ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃｒｉｔｉｃａｌｃｒａｃｋｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔ ｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓ牞ｔｈｅｎｏｔｃｈｄｅｆｅｃｔｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｃｔｕａｌｃｒａｃｋｓｏｎｔｈｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅｏｆｔｈｅｓａｍｅｍａｔｅｒｉ ａｌａｓｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｎ牞ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍＣＩＶＡ牞ａｓｐｅｃｉｍｅｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｔｅｓｔｅｄｗｉｔｈａｎＡ ｔｙｐｅｐｕｌｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒａｉｇｈｔｐｒｏｂｅ牞ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｂｅｐａｒａｍｅ ｔｅｒｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ牞ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔ牞ａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎａｌｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｏｂ ｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｔｈｅＡ ｓｃａｎｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｄｅｆｅｃｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ２％牞ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ牞ａｎｄａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｄｅｆｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｕｒｎｏｕｔｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅ牷ｓｔｒａｉｇｈｔｐｒｏｂｅ牷ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＡ ｓｃａｎ牷ｄｅｆｅｃｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 截止２０２１年４月，我国铁路营业总里程达到１４ ６３万公里，同比１９４９年增长了近６倍，其中高铁所占里程达３．９万公里，覆盖大约９９％的２０万人口及以上的城市［１］。

基于涡流脉冲热成像的压力容器壳体缺陷检测

基于涡流脉冲热成像的压力容器壳体缺陷检测

基于涡流脉冲热成像的压力容器壳体缺陷检测王彤，王峰（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，郑州450016）摘要：涡流脉冲热成像检测技术与传统的检测手段相比，具有检测效率高，且成本投入较少的优势。

文章通过涡流脉冲热成像技术的应用，借助温度分布的成像特点，辨别壳体是否存在细微缺陷。

通过压力容器的仿真实验，证实了涡流脉冲热成像检测技术的确能够检测出压力容器壳体存在的微小裂痕。

本文还研究了影响压力容器裂痕处温度分布的可能性因素，提出了借助温度升高的比例来探究裂痕深度的方法。

关键词：脉冲涡流热成像；压力容器；检测；壳体缺陷中图分类号：TH49；TP391.41文献标识码：A文章编号：1001-5922（2021）03-0137-05 Defect Detection of Pressure Vessel Shell Based on EddyCurrent Pulse Thermal ImagingWang Tong，Wang Feng（The Boiler&Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province,Zhengzhou450016,China）Abstract：compared with the traditional detection methods,eddy current pulse thermography has the advantages of high detection efficiency and low cost.In this paper,through the application of the eddy current pulse thermal im⁃aging technology,with the help of the imaging characteristics of temperature distribution,we can distinguish wheth⁃er there are subtle defects in the shell.In this paper,through the simulation experiment of pressure vessel,it is con⁃firmed that eddy current pulse thermography can detect the micro cracks in the shell of pressure vessel.This paper also studies the possible factors that affect the temperature distribution at the crack of pressure vessel,and puts for⁃ward a method to explore the crack depth with the help of the proportion of temperature rise.Key words：pulsed eddy current thermography;pressure vessel;inspection;shell defect压力容器是一种能够盛装大部分液体或者气体的密闭容器，它可以承载一定限度之内的压力，因此在需要高温或者高压作业的工业领域得到了广泛应用，通常一些易燃易爆的液体材料或者气体材料也可以通过该容器盛装。

脉冲涡流检测技术ppt课件

脉冲涡流检测技术ppt课件

脉冲涡流检测系统的结构

功 率 放大器 信 号 发生器
GMR
数 据 采集卡
激励线圈
PC机
试块
5.脉冲涡流典型时域波形图
Magnitude (mV)
Reference Signal
Defect Signal
Differential Signal
Time (us)
6.脉冲涡流典型时域特征参数
电压峰值Vp：与缺陷的金属损 耗量（缺陷的体积）密切相关 峰值时间T：与缺陷所 处的位置有关 过零时间△T：包含了 缺陷的深度信息
脉冲涡流检测技术
内容
第一章 涡流检测技术概述 第二章 脉冲涡流检测理论 第三章 脉冲涡流检测技术研究进展 第四章 展望

第一章 脉冲涡流检测技术概述
1.无损检测技术的定义 2.无损检测的作用 3.涡流检测的优点 4.涡流检测的缺点 5. 涡流检测的发展 6.脉冲涡流检测的优势

4、试块的设计
设计标准试块，主要是用于对检测系统的标定。 试块结构的设计：
（1）采用 LY12铝合金材料 （2）在平板上刻出不同深度，相同长度和宽度的槽5处 来模拟裂纹缺陷，同理，可固定其中两个量，改变其中一个 量各刻出5个来模拟不同类型的裂纹 （3）选取铝板厚度为7mm，这样可以在背向刻槽的一面 进行检测来模拟对亚表面缺陷的检测 （4）在刻槽表面再覆盖一层1mm厚的铝板，可模拟多层 导电结构第2层中的缺陷
3.提离效应减少技术


近年来，涡流检测技术有较快的发展，它不仅可以检 测金属材料的腐蚀、裂纹和其它缺陷,还可以进行无损 评价,这是因为许多材料的特性都与其固有的电磁特性 有关,一般说来观测材料电磁性能的变化要比观测其它 物理性能容易得多。但是,与其它检测技术相比,涡流检 测还未被充分开发,主要原因可能是: 由于涡流信号包含较复杂的变量关系,导致提取有用特 征信号困难,长期以来,阻碍了涡流检测技术的发展; 由于该技术对提离效应非常敏感,而提离效应易使涡流 信号发生畸变,从而可能会导致对缺陷信号的误判,或者 掩盖缺陷信号,也影响了涡流无损检测技术的发展。

基于涡流脉冲热成像的焊缝表面多缺陷检测

基于涡流脉冲热成像的焊缝表面多缺陷检测

基于涡流脉冲热成像的焊缝表面多缺陷检测
王传钊;姜秀海;晁永生;王永兵;王勇勇
【期刊名称】《红外技术》
【年(卷),期】2023(45)1
【摘要】焊缝表面气孔缺陷的存在减少了工件的有效截面积,降低了工件抵抗外载荷的能力,严重时会导致工件断裂,为此提出一种基于涡流脉冲热成像技术的焊缝表面多缺陷检测方法。

首先,采用一种新型电磁传感器结构,通过涡流脉冲热成像原理对不同直径和深度的碳钢缺陷进行检测,并分析了图像序列中缺陷区域与非缺陷区域的温度信号;为了提高该检测系统的灵敏度,采用主成分分析方法对图像序列进行图像重构,增强原始图像中缺陷特征。

最后,通过实验验证了该方法,实验结果表明该方法能够减小焊缝边缘效应的影响,实现对焊缝表面缺陷的大面积检测,并为红外热像仪提供一个开放的视野。

【总页数】7页(P84-90)
【作者】王传钊;姜秀海;晁永生;王永兵;王勇勇
【作者单位】新疆大学机械工程学院;新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院【正文语种】中文
【中图分类】TH811.2
【相关文献】
1.基于脉冲涡流热成像的金属结构焊缝表面裂纹识别方法
2.铝合金薄板不同走向焊缝缺陷的脉冲涡流热成像检测
3.金属表面缺陷的电涡流脉冲热成像检测
4.基于涡流脉冲热成像的角焊缝表面裂纹检测
5.焊缝表面缺陷的涡流红外热成像检测
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脉冲涡流检测技术研究及其应用的

脉冲涡流检测技术研究及其应用的
以降低检测灵敏度来提高涡流检测深度，或以减 小涡流透入深度来提高检测灵敏度，长期以来一直是 常规涡流检测应用中在二者之间权衡取舍的焦点。
脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展
1 前言 宽带脉冲信号可按傅立叶级数变换理论
分解为无限多低、中、高频的正弦波之和； 以重复的宽带脉冲（如方波）代替正弦
交变信号进行激励和检测的脉冲涡流响应信号 中包含有被检测对象被检测对象表面、近表面 和表层一定深度范围内的质量信息，较好地解 决了常规涡流所不能兼顾的检测灵敏度和检测 深度的矛盾；
脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展
3 脉冲涡流检测技术研究的近况
3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作 基于霍尔传感器具有小型化、可以实现对磁场的
直接测量，并且在较宽的低频范围内具有比检测线圈 更高灵敏度的特点，较多的研究试验[6,7,8,9]采用细的 铜漆包线绕制激励线圈、以霍尔传感器作为探测元件 而构成了另一类脉冲涡流检测用传感器。
（2）腐蚀缺陷的定量检测及扫描成像 文献[10]提出了利用峰值扫描波形对腐蚀缺陷长度的定量检
测，利用瞬态感应电压信号的过零时间对腐蚀缺陷深度的定量检 测，利用瞬态感应电压信号的峰值对腐蚀缺陷体积的定量检测。
文献[5]介绍了采用在激励线圈底部的正中央，按照电流的流 向对称的排列了8个检测线圈的涡流阵列线圈扫查加工有模拟腐 蚀缺陷试样时，对称位置上的两个检测线圈接收到涡流响应信号 最大峰值的比值之间存在的规律：对于不同的腐蚀深度,当探头 阵列完全经过腐蚀扫描时，比值都大于或等于0.5；当探头阵列 不完全经过腐蚀扫描时，比值都小于或等于0.2。因此，可以将 这个比值作为一个特征参数，来判断检测线圈是否经过腐蚀，对 于没有经过腐蚀的探头，在显示腐蚀图像的时候，其经过的扫描 路径将不会被显示出来，这样就可有效地消除图像的失真。

(无损检测新技术课件)脉冲涡流检测技术

(无损检测新技术课件)脉冲涡流检测技术
2.1 脉冲涡流检测技术
华中科技大学机械学院
1 脉冲涡流检测技术简介 2 脉冲涡流检测系统 3 脉冲涡流检测的理论基础 4 应用
http://www.hust,edu,cn
1
华中科技大学机械学院
http://www.hust,edu,cn
2
华中科技大学机械学院
http://www.hust,edu,cn
使脉冲涡流设备有一个
所能测量铁管的最小管
径参数。
http://www.hust,edu,cn
13
提离高度
华中科技大学机械学院
脉冲涡流方法的局限性
华中科技大学机械学院
全局壁厚损失 不均匀壁厚损失(如带包覆层管道腐蚀) 局部腐蚀(如坑,槽)
探头覆盖区域
平均壁厚 最小壁厚
平均壁厚 最小壁厚
平均壁厚 最小壁厚
参数变化对信号的影响，而无需更换探头或改变设置参数。
• 检测速度快，检测效率高。如对于同样含有多频谱分量的扫频测量法，
实现一次检测需要几分钟，而脉冲涡流检测仅耗时数秒脉冲涡流信号比
多频涡流信号响应更快，因为它同时运行一系列不同的电流频率。
• 信息的采集和处理容易，可以在很短的时间内获得大量的信息，有利于
华中科技大学机械学院
• 脉冲具有丰富的频谱内容包含从直流到甚至更高的频率分量，所以只需
一次扫描就可以实现对多层金属结构中不同位置不同深度下缺陷的检测，
检测信号便于在时域和频域同时进行数据分析和处理并且由于脉冲涡流
比单频涡流衰减得慢，所以瞬态感应电压信号中就包含了更多的有关缺
陷的信息。
• 对于厚度有变化的复杂多层结构的大面积扫描，可分辨结构变化和缺陷
3
1 脉冲涡流检测技术简介-特点

脉冲涡流检测中裂纹的深度定量及分类识别

脉冲涡流检测中裂纹的深度定量及分类识别作者：周德强， 张斌强， 田贵云， 王海涛， Zhou Deqiang， Zhang Binqiang， Tian Guiyun ， Wang Haitao作者单位：周德强,张斌强,王海涛,Zhou Deqiang,Zhang Binqiang,Wang Haitao(南京航空航天大学自动化学院,南京,210016,中国)， 田贵云,Tian Guiyun(南京航空航天大学自动化学院,南京,210016,中国;纽卡斯尔大学电子与计算机工程学院,NE1 7RU,美国)刊名：仪器仪表学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT年，卷(期)：2009,30(6)被引用次数：3次1.TIAN G Y;SOPHIAN A;TAYLOR D Pulsed eddy current system for dynamic inspection of defects[外文期刊] 2004(05)2.LEBRUN B;JAYET Y;BABOUX J C Pulsed eddy current signal analysis:application to the experimental detection and characterization of deep flaws in highly conduetive materials 1997(03)3.SOPHIAN A;TIAN G Y;TAYLOR D Design of a pulsed eddy current sensor for detection of defects inair-craft lap-joints[外文期刊] 2002(101)4.TIAN G Y;SOPHIAN A Defect classification using a new feature for pulsed eddy current sensors[外文期刊] 2005(38)5.CHENTL;TIAN GY;SOPHIAN A Feature extraction and selection for defect classification of pulsed eddy current NDT[外文期刊] 2008(02)6.唐磊;陈德智;盛剑霓涡流无损检测信号的一种分析方法 1998(10)7.边肇祺;张学工模式识别 20008.TIAN G Y;SOPHIAN A;TAYLOR D Waveletbased PCA defect classification and quantification for pulsed eddy current NDT[外文期刊] 2005(07)9.SOPHIAN A;TIAN G Y;TAYLOR D A feature extraction technique based on principal component analysis for pulsed eddy current NDT[外文期刊] 2003(01)10.杨宾峰;罗飞路;张玉华飞机多层结构中裂纹的定量检测及分类识别[期刊论文]-机械工程学报 2006(02)11.王春艳;陈铁群;张欣宇脉冲涡流检测技术的某些进展[期刊论文]-无损探伤 2005(08)12.徐君;姚恩涛;周克印InSb磁敏电阻脉冲涡流传感器的研究[期刊论文]-仪器仪表学报 2007(05)13.杨宾峰;罗飞路;张玉华脉冲涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究[期刊论文]-计量技术 2005(12)1.高军哲.潘孟春.罗飞路.陈棣湘谱分析型多频涡流检测的信号处理方法研究[期刊论文]-电子测量与仪器学报2011(1)2.何赟泽.罗飞路.胡祥超.刘波.高军哲矩形脉冲涡流传感器的三维磁场量与缺陷定量评估[期刊论文]-仪器仪表学报 2010(2)3.王帅.陈鹏.李志宇.李固.刘品基于RLC振荡电路EMAT激励研究[期刊论文]-电子测量技术 2010(5)。

脉冲涡流圆柱型探头参数的优化设计

对于轴对称问题，若求得某一轴对称截面上的电磁场分布，便可以得到整个分析区域的电磁场分布，同时，由于轴对称截面是一平面，这样就将3D空间模型转化为2D平面模型，极大地简化了问题分析计算的难度。考虑到圆柱型探头产生的电磁场属于稳交变场，这样可以将探头转化为轴对称的稳态交变电磁场问题。
试验中所构建探头的轴对称交变电磁场模型如图2所示。在有限元计算的条件变分问题中，存在有两类边界问题。第一类边界问题通常称为强边界条件，它需要作为明确的约束条件提出；第二类边界条件是模型中各种媒介之间的交界条件，通常称之为自然边界条件。对于第一类边界条件，在课题所设计的模型中，它所指的便是图示平面区域的周边，其代表了求解区域的范围。根据文献［8］可以认为在线圈外径10倍远之外的区域磁场强度已接近零，故需将周边磁位全取为零。而对于第二类边界条件，只需要将其边界之间设为连续变化，其条件就可以由泛函求极值自动满足。通过改变线圈参数（线圈内径R1、线圈外径R2、线圈高度H、激励信号等）、被测体与脉冲涡流探头之间的距离等条件，根据有限元仿真得到的信号，来确定影响传感器灵敏特性的因素，从而得到涡流探头工作在最佳状态的条件。
3.1 线圈几何参数的仿真
线圈的结构参数主要有线圈的高度、线圈的内径和外径以及缠绕线圈的漆包线的线径和匝数等。其中漆包线的线径和匝数直接对应于流过线圈横截面积的电流，即电流密度的大小。由于磁场强度的大小与流过线圈的电流成正比，因而它们影响的仅是激发磁场的大小，对磁场的空间分布情况的影响并不大。对于磁场分布影响较大的线圈的三个参数是高度、内径和外径，为了较为准确地定性分析出磁场和涡流分布随线圈参数变化的规律，在相同频率（100Hz）和大小的激励电流加载下，分别对三个参数采用了固定其中两个参数，不断变化另外一个参数的方式进行了对比试验研究，以便分析和总结出线圈周围磁场分布和涡流分布随着各个参数变化的影响规律。

基于小波变换的脉冲涡流信号除噪

务Ｉ 甸 似
基于小波变换的脉冲涡流信号除噪
Ｄｅ－ ｎｏｉ ｈｅ ｐｕｌ ｅｄ ｓｅ ｏｆｔ ｓ ｅｄｄｙ ｃｕｒ ｅｎｔｓｉ ｒ ｇｎａｌｂａｓ ｈｅ ｗ ａｖ ｅ ｒ ｅｄ ｏｎ ｔ ｅｌ ｔ ｔ ａｎｓ ｏｒ ｆ ｍ
王俊英 。 目成 ，朱
含 噪 声 信 号
图 ２ 小 波变 换 去 噪 框 网
１１ 小 波基 函数 的选 择 ．
对 于 每个基 本 小 波函数 （ ，信号 函数 ｆ（ ∈ ） 的小 波 变换 为 ：
，
＞
（，） ＜＿ ｆ， 口ｂ ＝ 厂 ） （
＝
＞
ｅ ） ）（
（ １ ）
其 中小 波 基 函数 （ 必 须 满 足 “ 许 条件 ” ｆ ） 允 ，
在 少数 小 波 系 数 上 ：小 波 系数 较 大 者 ，携 带 信 号 能 量 较 多 ；反之 ，小 波 系数 较 小 者 ，携 带 信 号 能
加 条件 反 映 在小 波 基 函数 及 小 波 因子 （， ）的选 ａｂ
择上 。
收稽 日期：２ １ —１－０ ００ ２ ７ 作者简介：王俊英 （９ ３ １７ 一） ，女 ，Ｉ ）１ ￣ １ １ 广安人 ，讲师 ，硕士研究生 ，丰要从事传感器与测试技术的研究工作。
动 、周边 电磁干 扰 等 ；另一类 是检 测仪器 工作 时存
量 较 少 。这 就 意 味 着 在 每 一 尺 度 因 子 下 可使 噪 声 的 小 波 系数 减 弱或 为 零 ，增 强 属 于 有 用信 号 的小
波 系数 。最 后 ，进 行 小 波 变 换 的 逆 变 换 ，重 构 出 去噪 后的 原始 信号 。
性 同 。此外两 小 波之 问还满 足以下 关 系 ：

脉冲涡流铁磁性材料缺陷检测系统设计


ｓ ｆ ｒ ｎ ａ ｄ ｒ ｔ ｅ ｈ ｒ ｗａ ｅ ｐ ｒ ｉ ｕ ｅ ｒｇ ｎ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ ａ ｑ ｉ ｔ ｎ ｏ ｉｎ ｌｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ａ ｔ ｓｕ ｅ ｏｔ ｅ ａ ｄ ｈ ｒ ｗａｅ， ａ ｄ ｒ ａ ｔ ｓ ｓ ｄ ｆ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｃ ｕ ｓ ｉ ｆｓｇ ａ ， ｏｔ ｅ ｐ ｒ ｉ ｓ ｄ ｗａ ｈ ｏ ｏ ｉｏ ｈ ｗａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｆｆａ — ｅ ｅ ｔｎ ｙ ｔ ｍ ｏ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｔｃ ｓｇ ｏ ｗ ｄ ｔ ｃ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｆ ｒ ｆ ｒ ｏ ｌ ｇ ｅ ｉ ｍ ａ ｅ ｉ ｌｂａ ｅ ｎ ｐｕ ｓ ｄ ｅ ｙ ｃ ｒ ｅ ｔ ｔ ｒａ ｓ ｄ ｏ ｌｅ ｄｄ ｕ ｒ ｎ
Ｚ Ｕ Ｄ —ｉｎ ， Ｕ ｉｏｆｎ Ｙ Ｕ Ｌ—ｕ Ｚ Ａ Ｇ Ｑ ｕｊ Ａ ｉ ｇｙ ｎ ＨＯ ｅｑａ ｇ， Ｚ Ｏ Ｘ ａ ． ｇ ， Ｏ ｉ ａ ， Ｈ Ｎ ｉ－ ，Ｙ Ｎ Ｘａ ．ａ ｇ ａ ｈ ｕ ｎ
（ ． ｃ ｏ ｌ ｆＭｅｈ ｎｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｊａ ｇ ａ ｉ ｒｉ ， ｕ ｉ １ １２， ｈｎ ； １ Ｓ ｈ ｏ ｃ ａ ｉ ｇｎ ｅｉ ， ｉｎ ｎ ｎＵｎｖ ｓ ｙ Ｗ ｘ ２ ４ ２ Ｃ ｉａ ｏ ａＥ ｎ ｅ ｔ ２ Ｗ ｕ ｉ ｒｃ ｉｎＴ ｏ Ｃ ｔ ， ｕ ｉ １ ０４ Ｃ ｉａ ． ｘ ＳＰ ｅｉｏ ｏｌ ｏＬ ｄ Ｗ ｘ ２ ４ ２ ， ｈｎ ） Ｇ ｓ
磁性 材料缺陷检测系统 。该 系统分 为软件 和硬件两部分 ， 硬件部分 主要 用于信号的发生和采集 ， 软件 部分
用于完成信号 的分析和处理 。通过对 时域 特征值分析 ， 出铁磁性 材料裂纹 缺陷 的深度 与对 应的差分 信 得
号的峰值特征值呈有规律 的一次线性 关系 ， 实现 了铁磁性材料 裂纹缺陷深度的尺寸量化 。 关键词 ：脉冲涡流 ； 磁性 材料 ； 铁 缺陷 ；信号采集 ；特征值 ； 尺寸量化 中图分类号 ：Ｔ ５ Ｇ１６ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ － ７７ ２ １ ）Ｏ０ ２ －４ ０ ０９ ８ （０ ２ ｌ－ １ １０ －
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ＷＡＮＧ Ｈａｉ－Ｔａｏ１，ＳＵＮ Ｈａｉ－Ｌｏｎｇ１，ＣＵＩ Ｌｉ－Ｄｏｎｇ１，ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇ１，ＺＨＥＮ Ｌｉ １，ＷＡＮＧ Ｐｉｎｇ１，ＴＩＡＮ Ｇｕｉ－Ｙｕｎ１，２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５０９０７０３２）；江 苏 省 科 技 厅资助项目（ＢＥ２００９１６２，ＢＺ２００９０５１）；南 京 航 空 航 天 大 学 研 究 生 创 新实验室基金支持项目
作者简介：王海涛（１９６８－），男，副 教 授，博 士，主 要 从 事 光 电 和 电磁无损检测的研究。
同时也进一步说明了仿真试验分析的正确性。
２ 试 验 系 统 组 成
图１１为系统 整 体 框 架 结 构 示 意 图。 系 统 硬 件 试验平台主要由脉冲 信 号 发 生 模 块、Ｈａｌｌ传 感 器 探 头 、被 检 试 件 、信 号 调 理 电 路 和 数 据 采 集 模 块 五 个 部 分组成。
５ ６０ ２０１０年 第３２卷 第８期
的电压。通过测量瞬态输出电压信号的变化大小， 就可以 得 到 有 关 缺 陷 的 尺 寸、类 型 和 结 构 参 数 等 信 息 。 ［４］
成像检测技术是现代无损检测技术的发展趋势 之一 。 ［５］ 成像检测技术的应用可以直观地观测到 被 检测物体的 缺 陷 位 置 及 缺 陷 的 大 小［６－７］，这 样 不 仅 提高了检测人员的 工 作 效 率，更 大 大 促 进 了 无 损 检 测技术的应用普及。设计了一套脉冲涡流阵列检测 系统，并对标准铝合 金 试 件 的 缺 陷 进 行 了 初 步 的 成 像处理。
探 头 分 别 放 置 在 试 件 的 缺 陷 、缺 陷 边 缘 和 无 缺 陷 处 。 试 件 缺 陷 宽２ ｍｍ，深 度 分 别 为２，４，６ 和８ ｍｍ。其 中 阵列探头中单元１ 放 置 在 了 缺 陷 处，单 元 ２ 放 置 在 了缺陷边 缘，单 元 ３ 放 置 在 了 无 缺 陷 处。 图 ３ 为 ３ 个单元差分信号时域 检 测 结 果 截 图，图 ４ 为 ３ 个 单 元差分信 号 频 域 检 测 结 果 截 图。 从 两 图 中 可 以 发 现 ，单 元 １ 能 很 好 地 检 测 到 缺 陷 变 化 的 情 况 ，而 处 在 缺陷边缘的单元２和处在无缺陷处的单元３所采集 的信号很难在时域 进 行 区 分；但 是 从 频 域 信 号 的 对 比来看，单元２在缺 陷 边 缘 处 采 集 的 信 号 频 谱 分 离 点要明显大于单元３的频谱分离点。
在３个检测单元线阵探头的基础上又制作了４ ×４ 面 阵 探 头 ，探 头 实 物 如 图 ５。 图 ６ 为 面 阵 探 头 在 无缺陷铝合金试 件 上 产 生 的 １６ 路 信 号。 从 中 发 现 检测 信 号 存 在 明 显 的 失 真，特 别 是 位 于 正 中 间 的 ４ 个 探 头 ，信 号 波 形 与 四 周 探 头 信 号 存 在 明 显 的 差 异 。 信号失真的原因是由于面阵探头排列使得探头和探 头之间的互感干扰比线阵探头要严重得多。信号由 于互感影响产生了 畸 变，严 重 影 响 了 检 测 的 精 确 度 和 准 确 度 ，所 以 必 须 消 除 探 头 之 间 互 感 的 影 响 。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ；Ａｒｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；Ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
脉冲涡 流（Ｐｕｌｓｅｄ Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ，简 称 ＰＥＣ）检 测技术是近十几年发展起来的一种新型的电磁无损 检测技术，是 涡 流 检 测 技 术 的 一 种 新 方 法 。 ［１－３］ 脉 冲涡流的激励电流 为 一 个 重 复 的 宽 带 脉 冲，通 常 为 具有一定占空比的方波。激励线圈中的脉冲电流感 生出一个快速衰减 的 脉 冲 磁 场，变 化 的 磁 场 在 导 体 试件中感应出瞬时 涡 流，此 脉 冲 涡 流 向 导 体 试 件 内 部 传 播 ，又 会 感 应 出 一 个 快 速 衰 减 的 涡 流 磁 场 ，随 着 涡流磁场的衰减，磁 传 感 器 上 就 会 输 出 随 时 间 变 化
１ 脉 冲 涡 流 阵 列 探 头 设 计
阵列探头中每个 单 元 的 结 构 如 图 １ 所 示，单 元 由 铁 氧 体 磁 芯 、激 励 线 圈 和 霍 尔 元 件 组 成 ，实 物 图 见
王 海 涛 等 ：脉 冲 涡 流 阵 列 缺 陷 成 像 检 测 技 术
图 ２。 为 了 验 证 探 头 的 可 靠 性 ，将 图 ２ 所 示 三 个 单 元
３ 阵 列 探 头 信 号 及 其 成 像 处 理
图１２为试验中 所 使 用 的 带 有 十 字 叉 缺 陷 的 铝 合金试件，图１３为 １６ 个 探 头 放 置 在 缺 陷 上 的 示 意 图 。 图 中 第 ３，６，７，８，１１ 探 头 放 置 在 了 缺 陷 上 ，其 他 探头处在试件的无缺陷处。
从图７和图８ 对 比 来 看，在 相 同 电 流 密 度 的 情 况下，带有屏蔽罩的 探 头 溢 出 探 头 的 磁 感 应 线 明 显 少于不带屏蔽罩的 探 头，并 且 带 有 屏 蔽 罩 的 探 头 产 生的磁感应强度远大于不带屏蔽罩的探头。由此可 知，当探头 加 有 屏 蔽 罩 时，可 以 削 弱 探 头 之 间 的 互 感 ，且 相 同 的 磁 场 强 度 可 由 更 小 电 流 密 度 获 得 ，减 少 了 线 圈 的 发 热 量 ，使 探 头 在 工 作 时 更 加 稳 定 。
ห้องสมุดไป่ตู้
图 １１ 系 统 整 体 框 架 结 构
其中每个脉冲涡流探头的外径为 １０ ｍｍ，内径 为５ｍｍ，激励线圈用０．２ｍｍ 的漆包线缠绕了 ２００ 圈 ，选 用 的 磁 敏 元 件 为 ３５０３ 霍 尔 元 件 。 试 验 中 使 用 的信号发生器型号为 ＤＦ１４４０，激励频率为 １００ Ｈｚ， 发射占 空 比 为 ５０％ 的 方 波。 功 率 放 大 器 为 Ｎｅｗ－ ｔｏｎｓ ＬＰＡ０５Ｂ，其频带范围可达到１Ｈｚ～１ ＭＨｚ，最 大输出功率为９０ Ｗ。放大电路由 ＤＡ６２０仪用放大 器组成。数据采集卡型号为 ＤＡＱ２０１０，其最高采样 频率可达２ ＭＨｚ。对于软件部分，前 期 静 态 试 验 采 用 Ｍａｔｌａｂ软件进行数据的采集以及分析处理，后期 实时扫描成像试验采用可并行处理的 ＬａｂＶＩＥＷ 软 件进行缺陷的实时成像处理。
２０１０年远东无损检测论坛论文精选
脉冲涡流阵列缺陷成像检测技术
王 海 涛１ ，孙 海 龙１ ，崔 利 东１ ，张 颖１ ，甄 理１ ，王 平１ ，田 贵 云１，２ （１．南京航空航天大学 自动化学院，南京 ２１００１６；２．Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｕｐｏｎ Ｔｙｎｅ，Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ，ＵＫ）
为了消除脉冲涡流阵列探头之间的互感影响， 考虑用高导磁材料制作屏蔽罩来屏蔽互感的影响。
为了验 证 这 种 方 法 的 可 靠 性，采 用 电 磁 仿 真 软 件 Ｃｏｍｓｏｌ进 行 了 仿 真 试 验 。
２０１０年 第３２卷 第８期 ５６１
王 海 涛 等 ：脉 冲 涡 流 阵 列 缺 陷 成 像 检 测 技 术
根据仿真试验 得 到 的 结 论，采 用 相 对 磁 导 率 达 到１０ ０００的工业纯铁制作了高导磁屏蔽罩，图 ９ 为 重 新 制 作 的 带 有 屏 蔽 罩 的 ４×４ 脉 冲 涡 流 阵 列 探 头 。 图 １０ 为 带 有 屏 蔽 罩 时 ４×４ 阵 列 探 头 产 生 的 真 实 信 号 。 从 图 ６ 和 图 １０ 的 对 比 中 可 以 看 出 ，在 加 入 屏 蔽 罩后，阵列探头每个 单 元 信 号 之 间 的 互 感 影 响 基 本 消失，每个单元产 生 的 波 形 趋 近 一 致。 可 见 屏 蔽 罩 的加入可使各单元的检测精度与灵敏度大大提高，
摘 要：脉冲涡流阵列系统具有大面积、快速检测的优点，可 用 于 金 属 表 面 裂 纹 的 自 动 在 线 检 测。在无损检测领域，应用成像技术可以直观地观测到被检测物体的缺陷位置及大小 ，提高检测人 员 的 工 作 效 率 ，促 进 无 损 检 测 技 术 的 应 用 普 及 。 设 计 了 一 套 脉 冲 涡 流 阵 列 检 测 系 统 ，包 括 脉 冲 涡 流 阵列探头。应用该系统对标准铝合金试件的缺陷进行了初步的成 像 处 理，给 出 了 标 准 铝 合 金 试 块 缺 陷 成 像 检 测 结 果 ，并 指 出 今 后 的 工 作 方 向 。
５ ６２ ２０１０年 第３２卷 第８期
对 于 采 集 到 的 １６ 个 探 头 信 号 ，首 先 利 用 数 字 滤 波对信号进行 了 降 噪 及 差 分 处 理［１］，并 使 用 神 经 网 络对缺陷信号和无 缺 陷 信 号 进 行 了 识 别，从 而 去 除
王 海 涛 等 ：脉 冲 涡 流 阵 列 缺 陷 成 像 检 测 技 术
了无缺陷 信 号 的 影 响，只 对 缺 陷 信 号 提 取 特 征 值。 图 １４ 为 处 理 之 后 的 脉 冲 涡 流 阵 列 差 分 信 号 ，提 取 差 分信号的峰值 作 ［２］ 为缺陷成像的特征值，图１５为 根 据提取的特征值对缺陷成像结果。
关 键 词 ：脉 冲 涡 流 检 测 ；阵 列 探 头 ；成 像 检 测 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５．２８ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－６６５６（２０１０）０８－０５６０－０４
Ｐｕｌｓｅｄ Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ａｒｒａｙ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ｄｅｆｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
２．Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｕｐｏｎ Ｔｙｎｅ，Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ ＵＫ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｒａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｒａｐｉｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｍｅｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒａｃｋ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒａｉｓｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＮＤＴ ｗｏｒｋ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｇｒｅａｔｌｙ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ＰＥＣ ａｒｒａｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｒａｙ ｐｒｏｂｅｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ａ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｓａｍｐｌｅ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ｔｈｅ ＮＤＴ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｓａｍｐｌｅ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ．