基于脉冲涡流/电磁超声复合检测方法的复杂缺陷检测

田明明，解社娟，肖 盼，裴翠祥，李 勇，陈振茂

(西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室 陕西省无损检测结构完整性评价工程技术中心，西安 710049)

表1 模型主要参数



基于脉冲涡流/电磁超声复合检测方法的复杂缺陷检测

田明明，解社娟，肖 盼，裴翠祥，李 勇，陈振茂

(西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室 陕西省无损检测结构完整性评价工程技术中心，西安 710049)

相比于电磁超声检测方法，脉冲涡流检测方法对于近表面缺陷具有较高检测灵敏度。而电磁超声信号本身包含脉冲涡流信号部分，基于此特点，开发了电磁超声/脉冲涡流的复合无损检测方法。首先，基于有限元理论开发了电磁超声/脉冲涡流复合信号的数值模拟方法；其次，提出了基于频谱分析、滤波等策略对混合检出信号进行信号分离提取的方法，并结合试验验证了所提方法的有效性；最后，基于复合检测方法对铝板中的三种类型缺陷(表面缺陷、底部减薄缺陷、复合缺陷)同时成功地进行了检测，验证了所开发复合检测方法的优越性。

脉冲涡流/电磁超声；复合无损检测；信号分离提取；复杂缺陷

电磁超声与传统压电超声同属于超声范畴。与传统的压电超声相比，电磁超声由于无需媒介且不与被测物体接触，具有可灵活产生各类波形，对检测工件表面质量要求不高和检测速度快等特点，可提高检测效率，且可扩展应用于高温、高速和在线检测中[1]。然而由于电磁超声有一个近表面盲区，即当缺陷在近表面(1～2 mm)时，回波信号会与激励信号几乎重叠而很难区分。相比于电磁超声检测，脉冲涡流检测方法对于近表面缺陷有较高的精度；但是由于趋肤深度的限制，其无法准确地对更深的地方进行检测。研究发现，电磁超声信号本身含有脉冲涡流信号的部分。如果能够将两种检测信号进行分离提取和结果融合，开发脉冲涡流/电磁超声复合检测方法，将可使两种方法优缺互补，从而得到更加可信的无损评价结果。相比于压电超声与涡流复合无损检测方法，此复合检测方法具有探头简单，工作范围广，适应复杂环境等优点[2]。

1 方法论述

1.1 复合检测方法的基本原理

电磁超声检测原理示意如图1所示，线圈中通入瞬态激励电流，导电试件中由于电磁感应会产生涡流，该涡流被定义为脉冲涡流。同时，线圈正上方的永磁铁会产生很强的静磁场，静磁场和试件中的脉冲涡流相互作用产生洛伦兹力，从而引起试件振动，试件振动切割磁感线，又会产生新的涡流(定义为超声涡流)。检出线圈会同时检测到这两种涡流信号；而常规电磁超声检测方法只关注超声涡流的结果，忽略了脉冲涡流信号部分。笔者全面分析了混合涡流信号，包括两种涡流信号的特征，以及如何分离提取脉冲涡流信号和超声涡流信号，提出了脉冲涡流/电磁超声复合检测(PECT/EMAT)方法。复合检测方法的原理如图2所示。

图1 电磁超声检测原理示意

图2 复合检测方法的原理示意

1.2 数值模拟与信号分析脉冲涡流检测和电磁超声检测的信号计算已有很多学者开发了各种不同的方法[3-9]。笔者基于有限元理论开发了电磁超声/脉冲涡流复合信号的数值模拟方法，其计算模型如图3所示，试件为长方体板，表1列出了模型主要参数。激励线圈中通入半个周期的脉冲正弦激励电流I=sin(2πF0t)(F为激励频率，t为时间)，频率为2 MHz。

表1 模型主要参数

类型参数类型参数长度/mm50密度/(kg·m3)8．9×103宽度/mm50杨氏模量/Pa1．1×1011厚度/mm10磁导率/(H·m-1)0．37节点418241电导率/(S·m-1)5．714×107

图3 计算模型示意

长方体板试件的脉冲涡流与超声涡流检出信号如图4所示。对时域信号进行频谱分析，结果如图5所示。可以发现，脉冲涡流信号的频谱能量主要集中在低频区域(0～1 MHz)；而超声涡流信号的能量则相对分散。基于此特点，使用滤波对两种信号进行分离的策略具备一定的可行性。

图4 长方体板试件的脉冲涡流与超声涡流检出信号

图5 长方体板试件的脉冲涡流与超声涡流信号频谱图

1.3 滤波策略的实现

对于电磁超声信号，由于笔者主要考虑线性超声，当激励频率为2 MHz时，响应谐波成分应该分布在2 MHz附近；此外，考虑到频谱图中脉冲涡流信号在0～1 MHz间的能量较大，因此超声信号的提取需要排除该区域脉冲涡流信号的干扰。对于脉冲涡流信号，从频谱分布可以看到大部分的信号谐波成分处于低频区间(0～1 MHz)内。

通过数值计算得出两种涡流耦合之后产生的混合信号的结果，如图6所示。对其进行滤波处理，由于是数值信号，故采用数值滤波的方法，首先对时域信号做傅里叶变换，得到特定频域下的频谱结果，选取需要保留的滤波区间，其余谐波成分置零；然后再做反傅里叶变换将频域信号还原为时域信号[10]。

图6 混合涡流数值信号

图7 1～5 MHz,1～3 MHz滤波结果(获得超声信号)

首先尝试通过滤波得到超声信号。通过频谱分析，考虑线性超声和脉冲涡流干扰，滤波应该从1 MHz 开始，因此分别采用1～5 MHz，1～3 MHz进行尝试滤波，得到图7所示结果。此次数值模拟试件本身没有内部缺陷，所以以一次回波作为特征信号来观察滤波结果，分析发现1～3 MHz滤波结果信噪比更高。

图8 0～1 MHz, 0～5 MHz滤波结果(获得脉冲涡流信号)

其次尝试通过滤波得到脉冲涡流信号。通过频谱分析发现，脉冲涡流信号中低频部分能量较高，于是分别采用0～1 MHz，0～5 MHz进行尝试滤波，得到图8所示结果。此次脉冲涡流信号没有明显的特征，所以以数值模拟得到单纯的脉冲涡流信号(见图9)做参考来观察滤波结果，可见0～5 MHz滤波结果与原始脉冲涡流信号保持了更高的相似度和细节信息。

图9 脉冲涡流参考信号

2 脉冲涡流/电磁超声检测试验

笔者搭建了如图10所示的脉冲涡流/电磁超声试验系统。电磁超声仪器为RITEC-RAM 5000。试件为四个不同厚度的铝板，厚度分别为7.76，10.06，12.14，25.05 mm。

2.1 有效性验证

2.1.1 超声信号滤波

对检出信号通过NF-FV628滤波器进行1～3 MHz带通滤波，滤波结果如图11所示。根据四个不同板厚试件的滤波结果可以看出，对混合信号进行上述滤波得到的超声信号比较理想，可以很好地表征不同厚度板的特征，同时也很好地验证了上述提出的对混合信号进行1～3 MHz滤波处理的合理性。

图10 脉冲涡流/电磁超声复合检测试验系统

图11 不同厚度铝板的1～3 MHz带通滤波结果

2.1.2 脉冲涡流信号滤波

由于脉冲涡流信号没有明显的特征信号，所以以去除磁铁(去除电磁超声信号)，滤波器处于关闭状态，即不进行滤波的纯脉冲涡流信号(见图12(a))作为参考脉冲涡流信号。对混合检出信号通过NF-FV628滤波器进行0～5 MHz带通滤波，滤波结果如图12(b)所示。可见，滤波结果与参考脉冲涡流信号具有很高的相似性，幅值大小也很相近，证明了上述滤波策略的合理性。

2.2 基于PECT/EMAT复合检测方法的复杂缺陷检测笔者制作了带有三种缺陷类型(表面缺陷、底部减薄缺陷、复合缺陷)的铝板试件(见图13)。铝板上表面刻了7个长度宽度相同、深度不同的槽，模拟不同深度的表面缺陷；铝板底部右端制作了4个不同厚度的台阶状的减薄缺陷；中间的两组复合缺陷既包含表面缺陷又包含底部减薄缺陷。同时用复合信号中的脉冲涡流成分和超声涡流成分进行检测，检测结果如图14,15所示。可以看出，复合信号不仅有效地检出了单一的表面缺陷和底部减薄，也检测出了中间的复合缺陷，进一步证明了滤波策略的正确性以及复合方法的优越性。

图12 不同厚度铝板的脉冲涡流信号(参考信号)及混合检出信号滤波结果

图13 带缺陷的铝板试件

图14 含不同缺陷铝板检出信号的0～5 MHz(脉冲涡流成分)滤波结果

3 结语

首先,基于有限元理论开发了电磁超声/脉冲涡流信号的复合数值模拟方法，通过数值模拟计算出了试验中难以测得的单纯的脉冲涡流信号和超声信号，并且对两种信号进行了频域的分析和比较；其次，提出了基于频谱分析、滤波等策略对混合检出信号进行信号分离提取的方法，并结合试验结果验证了所提方法的有效性；最后，基于复合检测方法对铝板中的三种类型缺陷(表面缺陷、底部减薄缺陷、复合缺陷)同时进行了检测，验证了所开发的PECT/EMAT复合检测方法的优越性和高效性。

图15 含不同缺陷铝板检出信号的1～3 MHz(超声涡流成分)滤波结果

[1] 王新平. 电磁超声技术在无损检测中的应用[J]. 中国学术期刊网, 2004, 26(6):275-279.

[2] 张清华. 基于超声和涡流的复合式无损检测技术[D].广州：华南理工大学, 2010:12-96.

[3] 周乐柱. 边棱元法——一种模拟和分析电磁场的新型计算方法[J]. 电子学报，1994, 22(12):1-6.

[4] XIE She-juan,CHEN Zhen-mao, TAKAGI T, et al. Efficient numerical solver for simulation of pulsed eddy current testing signals[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47:4582-4591.

[5] XIE She-juan,CHEN Zhen-mao,TAKAGI T, et al. Quantitative non-destructive evaluation of wall thinning defect in double-layer pipe of nuclear power plants using pulsed ECT method[J]. NDT&E International, 2015, 75:87-95.

[6] LI Yong,YAN Bei,LI Da, et al. Gradient-field pulsed eddy current probes for imaging of hidden corrosion in conductive structures[J]. Sensors & Actuators: A Physical, 2016, 238:251-265.

[7] 周海强,李勇,陈振茂. 铁磁材料电磁超声无损检测数值模拟[J]. 无损检测, 2012, 34(11):21-24.

[8] PEI Cui-xiang, DEMACHI K, FUKUCHI T, et al. Development of a fiber-phased array laser-EMAT system for defect inspection[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013, 113:163101/1-7.

[9] XIAO Pan,PEI Cui-xiang,YANG Gui-cai, et al. A phased-array EMAT for detection of delamination defect in a tube of multilayer structure[J]. Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, 2016, 41:163-170.

[10] HUANG N E. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J]. Proceedings of the Royal Society A,1998,454:903-995.

Complicated Defects Detection Based on Hybrid NDT Methods of PECT and EMAT

TIAN Ming-ming, XIE She-juan, XIAO Pan, PEI Cui-xiang, LI Yong, CHEN Zhen-mao

(State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,Shanxi Engineering Research Center for NDT and Structural Integrity, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) testing method is of the inherent disadvantage of the near surface blind area. On the other hand, the pulsed eddy current testing (PECT) method has higher inspection sensitivity for near surface defects. After analysis, we find that actually the EMAT testing signal itself contains the PECT part. Based on the backgrounds above, the purpose of this study is to propose a hybrid NDT method which is to combine PECT with the EMAT together. The contents of this paper are as follows: firstly, a numerical code is developed for the simulation of hybrid EMAT/PECT signals based on finite element method; then, signal separation and extraction methods are proposed on the basis of the spectral analysis and filtering strategies for signals of the hybrid EMAT/PECT method and investigated by experiment. Finally, the three types of defects (surface defects, bottom thinning defects, composite defects) in aluminum plate are successfully detected at the same time based on the developed hybrid NDT method, which validates the superiority of the developed hybrid PECT/EMAT NDT methods.

PECT/EMAT; Hybrid NDT method; Signal separation and extraction; Complicated defect

2016-06-22

国家磁约束聚变资助项目(2013GB113005)；国家自然科学基金资助项目(51407132, 51277139, 51577139);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

田明明(1992-)，男，硕士研究生，主要从事电磁无损检测方法研究。E-mail: tianmingming@stu.xjtu.edu.cn。

解社娟，E-mail: xiesj2014@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201612003

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0009-06