基于参考电压相量法的涡流检测提离效应抑制

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孙振国 ¹ , 蔡栋 ¹ , 李东 ^1,2 , 张文增 ¹ , 陈强 ¹
1.清华大学机械工程系, 北京 100084;
2.深圳大学光电工程学院, 深圳 518060

收稿日期: 2015-06-11
基金项目: 铁道部科技开发计划项目(2009J016)
作者简介: 孙振国(1971-）, 男, 副教授。E-mail: sunzhg@tsinghua.edu.cn

摘要：为了有效抑制涡流检测的提离效应对缺陷信号的干扰, 在分析提离效应对探头线圈电压影响的基础上, 提出并实现了一种基于参考电压相量法的提离效应抑制电路, 并采用移相和幅值放大电路以实现相位和幅值的解耦调整, 使相位和幅值的调整相互独立, 从而提高参考点的调整效率, 并设计试块对该提离效应抑制方法进行实验验证。实验结果表明: 提离效应经过参考电压相量法抑制后, 缺陷信号幅值可达到提离信号的20倍, 可忽略提离效应对缺陷信号的影响。
关键词：涡流检测提离效应参考电压解耦调整
Suppressing the lift-off effect in eddy current testing by adjusting the reference voltage
SUN Zhenguo¹, CAI Dong¹, LI Dong^1,2, ZHANG Wenzeng¹, CHEN Qiang¹
1.Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.College of Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China

Abstract:Lift-off affects the signal in eddy current testing. A circuit designed to reduce the lift-off effect adjusts the reference voltage based on an analysis of the influence of the lift-off effect on the probe coil voltage. A dephasing and amplification circuit is used to decouple the phase and amplitude to separate the phase and amplitude adjustments to improve the reference voltage adjustment efficiency. A test specimen is designed to validate the feasibility of the method. Tests indicate that the defect signal amplitude with this method is 20 times larger than the signal from the lift-off effect. The influence of lift- off effect on the defect signal can then be ignored with this circuit.
Key words: eddy current testinglift-off effectreference voltagedecoupling adjustment
涡流检测是材料无损评价和检测领域中一种重要的检测方法,在铁路机车车辆^[1]、石油化工管道^[2-3]、航空航天^[4-5]领域得到广泛应用和发展。涡流检测能实现现场实时非接触式检测,但由于受工件表面粗糙不均和凹凸不平所引起的提离效应的影响,涡流检测对实际缺陷信号的真实性难以辨识。近些年来,对于如何抑制提离效应的研究一直是涡流检测领域的热点。研究者们从探头设计、信号处理和检测策略等角度出发,提出了多种抑制提离效应、提高检测精度的方法。
Hoshikawa 等^[6]设计了一种由圆柱形激励线圈和矩形检测线圈构成的涡流探头,检测线圈与激励线圈的中心轴相互垂直,这种设计使提离信号不会引起信号输出,但缺陷信号可正常输出。Li 等^[7]提出了一种两阶段差分探头,包含4个检测线圈,两两构成差分输出,将两路输出再作差分获得最终输出信号,从而在一定程度上抑制提离效应。
除了上述从探头优化角度进行提离效应抑制的方法外,不少研究者从信号处理方面开展涡流检测提离效应抑制的研究。张玉华^[8]结合相位旋转和信号增强,研究了适用于绝对式线圈探头的消除提离干扰的方法。Hou 等^[9]提出了一种提离不变性转换方法,定义了2个不同的不变性转换特征以完成转换过程。Yu等^[10]提出了针对缺陷深度测量的提离抑制方法,对于同一未知深度的缺陷,测量4次提离距离不同的情况,并获得相应的差分信号,通过拟合获得斜率值,最后可通过斜率和深度的关系获得被测缺陷的深度。文^[11]给出了一个可直接描述涡流探头电感的简单模型,该模型适用于非铁磁性金属板,能够成功分离板材特性和提离效应。吴少文等^[12]提出了一种基于差分信号二阶微分零时刻值匹配补偿的方法,在建立相应的提离参考数据库的前提下,通过索引二阶微分零时刻值匹配提离参考信号,计算补偿比,借助补偿公式对提离效应进行抑制。此外,也有研究者从参考信号归一化角度进行提离效应抑制^[13-14]。
本文在分析提离效应对探头线圈电压影响的基础上,提出并实现了一种基于参考电压相量法的提离效应抑制电路,并设计实验验证所提方法在抑制提离效应方面的效果。
1 提离效应对线圈电压的影响在涡流检测中,阻抗的变化是通过电压表现出来的,涡流检测的简化电路如图 1所示。图 1中：Z₁为电路串联阻抗,为常数; Z₂代表探头的初始阻抗值,为常数; ΔZ为探头阻抗的变化量;${{\dot{U}}_{e}}$为电压源电压; ${{\dot{U}}_{o}}$为探头两端输出电压。

图 1 涡流检测简化电路

图选项

由电路原理有

$\frac{{{{\dot{U}}}_{e}}-{{{\dot{U}}}_{o}}}{{{{\dot{U}}}_{o}}}=\frac{{{Z}_{1}}}{{{Z}_{2}}+\Delta Z}$

(1)

根据式(1)可得

$\frac{{{{\dot{U}}}_{o}}-{{{\dot{U}}}_{e}}\frac{{{Z}_{2}}}{{{Z}_{1}}+{{Z}_{2}}}}{{{{\dot{U}}}_{e}}-{{{\dot{U}}}_{o}}}=\frac{\Delta Z}{{{Z}_{1}}+{{Z}_{2}}}.$

(2)

令

${{{\dot{U}}}_{p}}={{{\dot{U}}}_{e}}\frac{{{Z}_{2}}}{{{Z}_{1}}+{{Z}_{2}}}.$

(3)

由于${{{\dot{U}}}_{e}}$、 Z₁、 Z₂为常数,故${{{\dot{U}}}_{p}}$为常数。
根据相位运算法则,

$\arg \left( {{{\dot{U}}}_{o}}-{{{\dot{U}}}_{p}} \right)-\arg \left( {{{\dot{U}}}_{e}}-{{{\dot{U}}}_{o}} \right)=\arg \left( \frac{\Delta Z}{{{Z}_{1}}+{{Z}_{2}}} \right)$

(4)

$\arg \left( \frac{\Delta Z}{{{Z}_{1}}+{{Z}_{2}}} \right)$为常数,即$\left( {{{\dot{U}}}_{o}}-{{{\dot{U}}}_{e}} \right)与\left( {{{\dot{U}}}_{o}}-{{{\dot{U}}}_{e}} \right)$的夹角θ为常数。在相量复平面图上标示${{{\dot{U}}}_{e}}、{{{\dot{U}}}_{o}}、{{{\dot{U}}}_{p}}$,如图 2所示。

图 2 复平面相量图

图选项

${{{\dot{U}}}_{e}}、{{{\dot{U}}}_{p}}$均为定点,θ为常数,根据几何学知识可知,${{{\dot{U}}}_{e}}、{{{\dot{U}}}_{o1}}、{{{\dot{U}}}_{o2}}、{{{\dot{U}}}_{p}}$4点共圆。其中：${{{\dot{U}}}_{o1}}、{{{\dot{U}}}_{o2}}$为提离变化时探头输出的任意2个电压。可见,${{{\dot{U}}}_{o}}$的轨迹为一圆弧,即提离引起的探头电压沿一圆弧变化。
2 有限元模拟计算本文通过基于场路耦合的有限元模型^[15]进行提离效应的数值仿真验证。
模型的设置如图 3所示。探头线圈参数的内径为2 mm,外径4 mm,高4 mm,匝数为100匝,激励频率为5 000 Hz。通过设定不同的提离高度进行仿真,分别计算其对应的探头线圈电压。

图 3 提离效应有限元仿真模型

图选项

不同提离高度下线圈电压如图 4所示。对其进行圆曲线拟合,得到如图 5所示的拟合结果。拟合曲线为一圆,该圆过相量${{{\dot{U}}}_{e}}和{{{\dot{U}}}_{p}}$。其中：${{{\dot{U}}}_{e}}$为点(3,0),${{{\dot{U}}}_{p}}$为提离为无穷大时探头输出电压。拟合结果与第1节得出的提离效应引起的探头电压${{{\dot{U}}}_{o}}$的轨迹为一圆弧且与${{{\dot{U}}}_{e}}、{{{\dot{U}}}_{p}}$共圆的结论相吻合。

图 4 提离引起的探头电压在复平面的变化

图选项

图 5 提离引起的探头电压圆曲线拟合

图选项

3 提离效应抑制方法根据上述分析结果,在提离效应的作用下,线圈两端的电压在复平面上为一圆弧。如果以该圆弧圆心为参考点,则输出电压幅值将不受提离的影响,即在该情况下,可完全抑制提离效应。
图 6给出了本文所提出的不平衡电桥电路,右臂电路提供了一参考电压(参考点)。其中,C₁与探头并联,以满足对提离区域两端的两点抑制,将提离控制在一定的范围。电桥右臂的C₂、 R₂、 R₃ 用于调整参考电压。该电路可使参考电压在相量复平面内调整到任一合适的参考点。

图 6 采用不平衡电桥抑制提离效应的原理图

图选项

调整过程如图 7所示。图 7中：A、 B两点分别为需要抑制提离区域的两端; 相量$\overrightarrow{OA}和\overrightarrow{OB}$分别表示此时探头输出电压,其长度代表了电压的幅值。相量$\overrightarrow{OO'}$为参考电压,O'点为待寻找的参考点。为了寻找O'点,则先确定O'点所在的直线。

图 7 参考电压调节过程示意图

图选项

调节步骤如下：调节电容C₁,使探头输出电压A点移动到A',B点移动到B',并有$\left| \overrightarrow{OA'} \right|=\left| \overrightarrow{OB'} \right|$, 则待寻找的参考点O'($\overset{\frown }{\mathop{A'B'}}\,$的圆心)必在线OP上。在确定O'点时,使参考电压相量沿OP运动,即保持相位角不变,只改变幅值大小来进行调整。调节R₃,使R₃两端电压${{{\dot{U}}}_{r}}$(即相量$\overrightarrow{OP}$满足$\left| \overrightarrow{A'P} \right|=\left| \overrightarrow{B'P} \right|$ 即${{{\dot{U}}}_{r}}$为A'B'垂直平分线方向。在圆弧任取一点C,调整R₂,使参考点O'在OP上移动,找到使$\left| \overrightarrow{A'O} \right|=\left| \overrightarrow{B'O} \right|=\left| \overrightarrow{C'O} \right|$的点,即圆弧$\overset{\frown }{\mathop{A'B'}}\,$的圆心O'点。
由于调整R₂和R₃时会对参考电压的相位和幅值都产生影响,即相位和幅值的调整不是完全独立的,需要不断调整逼近,实际操作繁琐。针对这种情况,本文采用移相和幅值放大电路以实现相位和幅值的解耦调整,原理如图 8所示。设计的移相电路和幅值控制电路如图 9所示。

图 8 采用移相和幅值放大电路的不平衡电桥原理图

图选项

图 9 移相电路和幅值控制电路原理图

图选项

图 9中,移相电路为滞后网络,即${{{\dot{U}}}_{I}}$滞后于${{{\dot{U}}}_{e}}$,且$\left| {{{\dot{U}}}_{I}} \right|=\left| {{{\dot{U}}}_{e}} \right|,$即移相电路只调整相位,不影响电压的幅值。幅值控制电路是由阻性元件组成的负反馈网络,该电路只调整输出电压幅值,不影响相位。因此,可通过电阻R₃和R₅分别调整参考电压${{{\dot{U}}}_{r}}$的相位和幅值,且两者互不影响。
4 提离效应抑制实验为验证本文提离效应抑制方法的有效性,进行了实验测试。在铝板上加工一个宽为0.2 mm、深 2 mm 的人工裂纹,在0~6 mm的范围内研究提离和裂纹对输出电压的影响。探头采用直径为3 mm、高为12 mm的圆柱铁氧体磁芯绕制,所制作的绝对式探头线圈匝数为40,电阻为1.52 Ω,电感为 72 μH,探头的激励频率为10 kHz。
将该探头按图 8所示的电路在不同提离效应抑制方式下进行实验,得到实验结果如表 1所示。
表 1 提离效应抑制的实验结果

提离抑制方式	提离的影响		裂纹的影响		ΔU_liftoff
提离抑制方式	ΔU_liftoff/mV	U/mV	ΔU_crack/mV	U/mV	ΔU_crack
无提离抑制	21	190	10	190	2.1
参考电压抑制	6	2000	120	2000	0.05

表选项

表 1中：ΔU_liftoff表示在整个提离范围内输出电压由于提离的影响而产生的最大的电压幅值变化,ΔU_crack表示的是裂纹引起输出电压的变化量,U表示输出电压幅值的平均值。
根据提离和裂纹引起输出电压变化量所占的百分比,可以验证本文所提方法抑制提离的效果。表 1中最后1列为二者引起的电压变化量之比,结果表明：如果不经抑制,提离高度变化(0~6 mm)引起的信号是裂纹信号的2.1倍,此时提离噪声将淹没裂纹信号,无法有效检出裂纹; 而提离效应经过参考电压相量法抑制后,裂纹信号幅值可达到提离信号的20倍,即提离效应对裂纹的检测基本无影响。由此可见,采用参考电压相量法对提离效应进行抑制是有效可行的。
5 结论为有效抑制涡流检测中提离效应对缺陷信号的干扰,本文分析了提离效应对探头线圈电压的影响,提出并实现了基于参考电压相量法的提离效应抑制电路,采用移相和幅值放大电路对提离效应抑制电路进行优化。实验测试结果表明：本文提出的提离抑制方法可使缺陷信号幅值达到提离信号的20倍,可以有效地实现对提离效应的抑制。

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