铝蜂窝结构腐蚀的脉冲涡流检测研究

XX大学毕业设计（论文）题 目： 铝蜂窝结构腐蚀的脉冲涡流检测研究学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六 月 铝蜂窝结构腐蚀的脉冲涡流检测研究摘要： 脉冲涡流检测技术是近些年新发展起来的一种无损检测技术,主要用来定量检测裂纹和腐蚀等缺陷。与传统的涡流技术相比，脉冲涡流信号激励使得响应信号中包含了更丰富的缺陷信息。在某些应用场合，这种因素使得脉冲涡流检测比传统的涡流检测技术更有优势。常规涡流检测技术在检测表面缺陷非常灵敏，但是很难检测到深层的缺陷。设计了TMR圆柱形传感器和TMR斜角式传感器对铝蜂窝结构进行了腐蚀缺陷检测。获取高功率检测探头的差分信号，对铝蜂窝板的大腐蚀缺陷和小腐蚀缺陷进行检测。实验结果表明，设计的脉冲涡流探头能够较好的检测出铝蜂窝结构中的大小腐蚀缺陷。关键词： 脉冲涡流 差分信号 TMR 铝蜂窝板Study on pulsed eddy current detection of aluminum honeycomb structure corrosionAbstract:Pulsed eddy current is an innovative and nondestructive technology developing in the recent years and it is mainly used for quantitative testing in crack and corrosion. Compared with the traditional eddy current technology, the excitation brought about by the pulse eddy signal makes the responsive signal contain richer information on defect in some application occasions, whose factors bring more advantages to pulsed eddy current testing over traditional eddy current.Conventional eddy current testing technology is very sensitive in the surface defects detection, but it is difficult to detect the deep defects. The structure of aluminum honeycomb was detected by TMR column sensor and TMR bevel sensor. The differential signal of the high power detector is acquired and the deep corrosion is detected. The sensing signal of linear array probe is divided into time slice, the instantaneous amplitude matrix of signal is obtained, and the structure corrosion of aluminum honeycomb is imaged and scanned. The experimental results show that the pulsed eddy current high power probe can detect the deep corrosion in the aluminum honeycomb structure. The linear array probe can scan the corrosion imaging.Keywords:Pulsed Eddy Current Differential signal TMR Aluminum honeycomb board目 录1. 前言1.1 选题依据及意义11.2 铝蜂窝复合板的国内外应用21.3 研究内容及实验方案41.3.1 实验内容41.3.2 实验方案41.3.3 主要特色52. 脉冲涡流检测技术2.1 脉冲涡流检测原理62.2 脉冲涡流检测优点73. 检测系统的设计3.1 总框图83.2 检测系统各部件介绍83.2.1 激励源BP461083.2.2数据采集卡USB635693.2.3 Matlab93.2.4 LabVIEW104. 探头设计及试块制作4.1 检测探头设计的影响因素134.1.1 磁感应强度134.1.2 脉冲涡流磁感应强度的计算134.1.3 电涡流的渗透深度144.2 TMR简介154.3 试块的制作184.3.1 大缺陷试块的制作184.3.2 小缺陷试块的制作184.4 圆柱形探头和斜角式探头设计194.4.1 圆柱形探头设计194.4.2 斜角式探头设计215. 实验结果及分析5.1 铝蜂窝板大腐蚀缺陷数据分析235.2 铝蜂窝板小腐蚀缺陷数据分析246.总结28参考文献29致谢30铝蜂窝结构腐蚀的脉冲涡流检测研究1.前言1.1 选题依据及意义铝蜂窝复合板属于一种的新型复合材料，用途十分广泛，如应用于航空、航天方面。其由上下两层铝板通过胶粘剂或胶膜与铝蜂窝芯复合成的，见图1.1。胶和铝面板铝蜂窝芯 图1.1 铝蜂窝复合板结构示意图铝蜂窝结构材料具有以下优点：1） 比重轻、强度高、刚度大、结构稳定、高抗风压性。2） 隔音、隔热、降噪性能突出。3） 耐久不老化。4） 阻燃性好。5） 安装方便、快捷、牢固。因此铝蜂窝结构广泛用于航空飞行器，对于航空航天的发展有重要作用，但是因为铝蜂窝板的制造工艺的瑕疵或者服役载荷作用下，铝蜂窝板材料容易形成腐蚀缺陷，这些腐蚀缺陷严重影响铝蜂窝结构材料的安全性，因此，对铝蜂窝板结构材料进行脉冲涡流无损检测的腐蚀研究非常重要1。脉冲涡流检测技术（PEC）是近几年发展起来的一种新的无损检测方法。脉冲涡流与传统涡流不同,脉冲涡流通过测量磁场最大值出现的时间来确定缺陷的位置。但是与涡流检测一样都是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，脉冲涡流检测对于检测导体的腐蚀缺陷有着更高的灵敏度，采集的信息更加丰富，所以本文采用脉冲涡流检测技术来检测铝蜂窝结构的腐蚀缺陷。脉冲涡流的激励信号为具有一定占空比的方波 ,施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播，假如有腐蚀缺陷存在，势必使得磁感应度发生变化，由于脉冲包含很宽的频谱，磁感应强度变化量会包含很多的缺陷重要信息。所以本实验采用脉冲涡流来检测铝蜂窝板的腐蚀缺陷。1.2铝蜂窝复合板的国内外应用世界上的第一块蜂窝板是在1930年由Posco公司和Hanlim&C公司联合生产，在之后的5060年代，铝蜂窝材料在美国、日本等国家有着突飞猛进的发展和应用，主要应用于航空航天和铁道方面。这些铝蜂窝夹层结构的使用，大大加固了其稳定性和安全性。例如日本制造的STA21车，在其侧墙和车顶部分就是使用了钎焊蜂窝铝板材料。1943年，英国是第一个将铝合金结构胶接技术应用到飞机结构中，进而开创了金属胶结技术。20世纪50年代初，美国人发明了胶结夹层结构，并将其广泛应用于飞机行业之中。在其几年之后，美国人发明了铝蜂窝夹芯结构，并将其广泛应用于F-111、F-14等飞机上。飞机表面有70%以上是使用了铝蜂窝夹芯结构，主要作用在受力面上，抵抗压力。我国在20世纪60年代中期有几家飞机制造厂率先将铝蜂窝板胶接技术应用到飞机结构中。美国在20世纪70年代初期把铝蜂窝板胶接技术应用于民用领域，在建筑装饰行业应用更加广泛。之后在20世纪90年代初期，才将复合材料技术应用于航空技术，从而慢慢的发展起来。相比于国外，我国在铝蜂窝复合板的研究和使用上处在落后地位。我国在20世纪60年代开始生产金属蜂窝板，但是由于技术和生产力的限制，工艺落后，生产的复合夹层结构材料不尽人意，规格单一。伴随科学技术的发展，轻钢结构在工业、民用建筑中的应用和发展带动了多功能新兴复合板材的发展。近些年来，铝蜂窝板的发展尤为迅速，在铝蜂窝板方面取得了巨大进步，经过科学家们的努力，我国发明了胶粘玻璃钢蜂窝板、胶粘铝蜂窝板和钎焊铝蜂窝板和胶粘Nomex铝蜂窝板、，并将其广泛应用于我国的航天和铁道事业，比如大型运载火箭、地铁列车等诸多行业2。铝蜂窝复合板有着许多的优越性能，质量轻、强度高，因此在建筑领域上得到了广泛应用，铝蜂窝板在近些年来广受欢迎。如今，我国多地的著名建筑的幕墙都几乎采用的是蜂窝铝幕墙板，不仅外表光鲜，而且有着更高的卓越性。随便铝蜂窝板的不断发展，为了使用安全性着想，对于铝蜂窝板材料的产品进行缺陷检测和质量评级等重要性不言而喻。而对于铝蜂窝板材料进行无损检测，现已成为国内外研究的重要内容。无损检测技术对于材料的缺陷检测是一种非常有效的技术，国内外已有很多工作者用不同的无损检测方法来对铝蜂窝板材料进行缺陷检测，并且取得了一定的成果。自 70 年代以来，国外的研究工作者针对复合材料缺陷检测开展和进行了全方位的无损检测方法技术研究。最早时期主要是采用一般金属材料的一些无损检测方法，对复合材料进行无损检测技术的初步探索。随着研究工作的深入，人们对铝蜂窝板复合材料的缺陷检测有了更深的认识，一般常规金属材料无损检测的方法并不能适用于解决铝蜂窝板复合材料的无损检测问题。从80 年代后，铝蜂窝板复合材料的无损检测才慢慢的有所发展起来，许多研究工作者研究并且提出了许多无损检测新技术和新方法来检测铝蜂窝板复合材料。从而为解决铝蜂窝板复合材料的无损检测发挥了重要作用，从而进一步的推进了复合材料的应用。在国内，无损检测技术对于复合材料的研究虽然不晚，但是没有太多目光投入其中，投资方面不足，与国外相比，国内对于铝蜂窝板复合材料的检测略显不足。从而造成了铝蜂窝板复合材料开发还有应用的障碍。材料优越性不足，严重地影响我国航空航天等产品的技术水平和竞争能力。当前对于铝蜂窝结构的复合材料的无损检测中存在许多问题，其缺陷检测和质量评级往往需要多种无损检测方法相结合才能完成，还需进一步完善缺陷的定量研究工作等等。目前，国内外常用的复合材料无损检测方法有超声检测技术、X 射线实时成像法、红外热成像、声阻法等。2003年，刘松平等利用超声波在橡胶-钢胶接界面的折/反射过程中的能量进行了多次分配，通过分析声波在胶接界面和胶接结构中传播的相应时间的变换关系对胶层缺陷进行质量评估。实验结果显示可以检测出空隙脱粘、正常胶接和粘接不良区等缺陷。2004年，郭广平等利用自行研制的激光错位散斑无损检测系统对铝蜂窝结构复合材料进行无损检测，得到了较好的散斑干涉图。2006 年，姜益军等利用激光电子剪切散斑干涉成像技术，采用热加载方式对玻璃纤维蜂窝夹芯结构的缺陷进行了检测，实验结果表面此类方法可以确定损伤面积和损伤位置。魏勤等指出，凝聚物和裂痕铝蜂窝复合材料中的缺陷通常，通过超声波 C 扫描装置可以直观地显示复合材料中的这些缺陷，然后再根据缺陷图形中的所在位置可确定试件中相对应的缺陷位置。Th.ZweschPer等人采用同步热成像法对 CFRP 航天器构件进行了无损检测，进一步的，他们采用了超声波同步热成像法检测复合材料的缺陷，提高了复杂结构中的缺陷检测灵敏度。1991 年Billson 等采用超声脉冲回波法，通过计算机建模分析检测出粘接不良区。Papadakis 等在 1992 年开展薄板胶接结构的定量无损检测方法研究，通过采用统计分析技术和建模，认为可以从中得到有关胶接强度的信息4。随着科学技术的发展，对于新型复合材料的检测技术和方法不断涌现和更新，但是，对于结构复杂多变的、缺陷种类繁多的复合材料无损检测技术至今还没有成型。经过近些年来对铝蜂窝板材料的检测，普遍得出结论，对于胶接结构类的缺陷，如钢-橡胶的胶接结构，声学检测是一种非常高效的方法。至于超声检测技术，通常用于检测复合材料内部构件。大量实验结果表明，超声检测技术是目前国内外对于复合材料无损检测最成熟、最高效的无损检测技术，它能精准的检测出铝蜂窝复合材料中的缺陷。这些问题都是有待于克服的。1.3研究内容及实验方案1.3.1实验内容（1）设计、制作脉冲涡流探头及铝蜂窝板缺陷。（2）使用脉冲涡流传感器对铝锋窝结构腐蚀缺陷进行检测。（3）对脉冲涡流检测差分信号进行分析。1.3.2实验方案（1）查找铝蜂窝板缺陷检测资料。（2）设计并制作脉冲涡流检测探头，大缺陷用TMR圆柱形探头检测，小缺陷用斜角式探头检测。（3）利用labview设计编写采集程序。（4）铝蜂窝板检测实验。（5）数据分析。1.3.3主要特色脉冲涡流无损检测具有表面无需清理和无接触式检测的优点，检测时不需要任何的耦合填充介质，采用的是具有一定占空比的方波作为激励信号，脉冲涡流无损检测对感应电压信号进行时域的瞬态分析，经过观察之后提取相应的信号特征量，进而分析缺陷的类型、尺寸和结构参数等，对缺陷进行定量评估。脉冲涡流具有丰富的频谱内容，只需要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；检测速度快，效率高；信号的采集和处理容易；脉冲涡流检测仪器的设备成本与多频涡流法相对较低。本课题的主要特点是：在理论分析的基础上对铝锋窝结构腐蚀的脉冲涡流进行试验并对其检测方法进行研究。在国内，利用脉冲涡流检测铝蜂窝板的腐蚀缺陷还没普及，所以此次的实验属于探索性类的实验，对铝蜂窝板的腐蚀缺陷检测有着重大意义。2. 脉冲涡流检测技术2.1脉冲涡流检测原理脉冲涡流检测采用具有一定占空比的方波输入激励线圈，使用傅里叶级数展开一定占空比的方波，可以得到无限多个谐波分量，所以脉冲激励信号有很宽的频谱，包含的信息会更多11。脉冲涡流检测系统按激励方式的不同，可分为电压激励和电流激励。一般来说，电流激励要优越于电压激励，因为感应磁场主要是与线圈中的电流成正比，而不是与激励电压成正比。在本实验中，采用的是占空比为1:1的电流激励作为激励信号。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，涡流场效应分布如图2.1所示，图2.1 涡流场效应图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，感应出的脉冲涡流向导体试件表面及内部传播，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的电压，当涡流磁场经过被测试件的缺陷时，传感器上的感应电压会发生些许变化。通过测量瞬态输出电压信号的变化大小就可以得到金属试块缺陷的尺寸、类型等信息。图2.2是脉冲涡流检测的一般流程。图2.2 脉冲涡流检测的一般流程。2.2脉冲涡流检测优点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，可以适用于高温高速条件下进行检测，工艺简单，操作容易，检测速度快。与传统涡流检测方法相比，脉冲涡流检测具有诸多优点，在传统涡流测量中，是用线圈的阻抗变化来反映缺陷的信息，而脉冲涡流激励频率因为范围很宽，可以从时域或频域上来对检测信号进行分析，从而识别并对缺陷进行定位和定量12。传统涡流检测是对感应磁场进行稳态分析，而脉冲涡流是对感应磁场进行时域的瞬态分析。脉冲涡流检测可以对测量后的数据进行处理和补偿，这也是脉冲涡流检测的一大优势。至于成本造价方面，脉冲涡流检测系统的成本远远低于多频涡流检测系统的成本。利用脉冲涡流检测时，检测元件可以用霍尔传感器或者隧道磁电阻传感器来代替检测线圈，从而检测灵敏度更高，故脉冲涡流检测有着更深的渗透深度。3. 检测系统的设计3.1总框图脉冲涡流检测系统主要由脉冲信号发生器、检测电路、数据采集电路和信息分析模块四部分组成13。如图3.1所示。图3.1 脉冲涡流检测系统结构框图由脉冲信号发生器BP4610发出激励信号到激励线圈，激励线圈作用于铝蜂窝板产生涡流磁场，然后由TMR传感器接收试件信号到数据采集卡USB6356，最后使用LabVIEW的采集电路进行存储。实验数据用matlab进行处理。3.2检测系统各部件介绍3.2.1 激励源BP4610 BP4610是日本NF公司生产的可编程电源，作用十分广泛。BP4610特点如下：（1） 内置255步骤的时序信号源（2） （2）电压/电流4象限输出（3） 大功率60V（可切换）（4） BP461010A（30Ap-p）（5） 宽频带DC150kHZ（6） 可选择恒定电压（CV）/恒定电流（CC）运行（7） 响应校正功能（8） 电压/电流限幅器、测量显示功能（9） USB接口、外部模拟输入。BP4610配备了内置的时序信号源。本实验主要利用BP4610编写程序发出激励信号，产生不同频率和不同电流的占空比为1:1的方波电流激励信号，并作用于激励线圈。3.2.2数据采集卡USB6356该脉冲涡流检测系统中，采用的是USB6356数据采集卡采集数据。USB6356是美国NI公司生产的一种采集卡，具有如下特点：1）可选配BNC连接和OEM选件。2）8路同步模拟输入, 每通道1.25 MS/s，16位分辨率; 10 MS/s AI总吞吐量。3）高容量板载内存 (32 MS或64 MS)，可确保即使在超高USB流量下也可进行有限采集。4）2路模拟输出, 3.33 MS/s, 16位分辨率, 10 V。5）24条数字I/O线 (其中8条为1 MHZ硬件定时线)。6）4路32位计数器/定时器, 针对PWM、编码器、频率、事件计数等功能。7） 可实现高级定时和触发。本实验主要使用USB6356的两个输入脚与TMR的输出信号端相接，采集接收信号。3.2.3 MatlabMATLAB （矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是由美国The MathWorks公司生产的一款商业数学软件。Matlab的功能应用十分强大，不仅可以用于矩阵运算，数据图像处理，而且还可以进行编程语言。Matlab 如今广泛应用于不同领域。因为MATLAB具有高效的图形处理功能,，所以本实验设计中用matlab来对采集的数据进行滤波和相应的处理，得到数据曲线图像直观显示实验结果。3.2.4 LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。对于labview来说一个最重要的特点就是VI的存在，VI的意思是指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。一个完整的labview程序包括了前面板和程序板，前面板主要放置图标和相应的连线，程序板主要用于程序的编写。如今labview这款软件广泛应用于各个行业，功能十分强大。本实验设计使用labview的DAQmx函数编写数据采集程序，对数据进行保存和者相应处理14。下面介绍一些常用的DAQmx函数。1）NI-DAQmx触发图3.2 NI-DAQmx触发“NI- DAQmx触发”函数可用于对触发进行配置来执行指定操作。当接触到相应的指令，触发函数就会开始相应的程序走向。2）NI-DAQmx定时图3.3 NI- DAQmx定时“NI- DAQmx定时”函数主要用于对硬件的数据采集的定时功能，这个函数可用于设置采样速率和采样时钟源，采样时钟源可以是内部触发的脉冲信号源，也可以是外部硬件搭建的脉冲信号源。采样时钟的改变能够控制采集或生成样本的速率。每个时钟脉冲将启动任务中每个虚拟通道的样本采集或生成。3）NI-DAQmx开始任务图3.4 NI-DAQmx开始任务“NI- DAQmx开始任务”函数可以将一个任务显式转换成运行状态。在运行状态下，任务将进行指定的采集和生成。这个函数不是一定需要的，比如当所做的任务有硬件定时功能时，最好使用“NI- DAQmx开始任务”函数来进行显式启动。当所搭建的任务需要多次执行其他任务函数时，应当使用“NI-DAQmx 开始任务”函数，否则任务会由于不断重复开始和停止，影响程序执行率。4）NI-DAQmx读取图3.5 NI-DAQmx读取“NI-DAQmx 读取”函数功能是从指定的采集任务中读取样本。针对不同的函数 例程可选择不同的采集类型（模拟、数字、或计数器）、虚拟通道数量、采样数量和数据类型。指定的采样数量从DAQ板卡上的FIFO传输到RAM中的PC 缓存后，“NI- DAQmx读取”函数再将样本从PC缓存转移到应用程序开发环境（ADE）内存中。5）NI-DAQmx写入图3.6 NI-DAQmx写入“NI- DAQmx写入”函数用于将样本写入指定的生成任务中。针对不同的函数例程可选择不同的生成类型（模拟或数字）、虚拟通道数量、采样数量和数据类型。“NI-DAQmx 写入”函数将样本从应用程序开发环境（ADE）写入到 PC缓存中。然后这些样本从PC缓存传输到DAQ板卡 FIFO以进行生成。6）NI-DAQmx结束前等待图3.7 NI-DAQmx结束前等待“NI-DAQmx 结束前等待”函数用于等待数据采集完毕后结束任务。该函数 可确保指定的采集或生成完成后任务才停止。大多数情况下，“NI-DAQmx 结束前等待”函数用于有限操作的情况。一旦该函数执行完毕，则表示有限采集或生成已完成，任务可在不影响操作的情况下停止。此外，超时输入可用于指定最长等待时间。如果采集任务或生成任务没有在规定时间内完成，则函数将退出并报错。7）NI-DAQmx任务清除图3.8 NI-DAQmx任务清除“NI-DAQmx 任务清除”函数用于清除指定的任务。如果任务正在运行，则函数将先停止任务，然后释放任务所有的资源。一旦任务被清除后，除非再次创建，否者该任务无法再使用。所以，如果需要再次使用任务，则应使用“NI- DAQmx停止任务”函数来停止任务，而不是将其清除。对于连续操作，应使用“NI- DAQmx任务清除”函数来停止实际的采集或生成。4. 探头设计及试块制作4.1 检测探头设计的影响因素电涡流式传感器的结构主要是一个无骨架的扁平线圈或安装在骨架中的线圈，所以设计问题主要是线圈的设计。设计任何传感器时灵敏度越高越好，工作线性范围越大越好。在电涡流式传感器中，其灵敏度和线性度主要是受线圈产生的磁场分布情况的影响15。磁场沿径向分布范围大时，则线性范围就大，磁场沿轴向梯度大，则灵敏度就高，这些性能指标与传感器线圈的形状、尺寸、匝数等因素有关。根据这种关系就可确定线圈的形状和尺寸，而线圈的形状和尺寸与磁感应强度B值有关，下面进行量值讨论。4.1.1 磁感应强度单个线圈磁感应强度的计算公式，根据毕奥-沙伐-拉普拉斯定律有 （4.1）式中真空磁导率，=；线圈中激励磁电流；园线圈半径；轴线上某点到线圈平面的距离。当=常数时，令，则 （4.2）设计时，可利用式4.2分析各种半径对曲线的影响。4.1.2 脉冲涡流磁感应强度的计算脉冲涡流的激励信号为具有一定占空比的方波 ,施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播 ,假如有裂纹缺陷存在 ,势必使得磁感应度 B 发生变化,由于脉冲包含很宽的频谱,磁感应强度变化量就包含有关裂纹的重要信息16。被测试中的电导率为 1 ,磁导率为1 ,位于试件表面的裂纹的长度为 l ,检测线圈的内径为 r1 ,线圈与试件表面的距离为 h。对于线性媒质,在轴对称的情况下,如果激励的脉冲电流表示为 I u ( t ) ,以矢量磁位 A 表示的 Maxwell 微分方程为： （4.3）边界条件为： （4.4） （4.5）磁感应强度为： （4.6）4.1.3 电涡流的渗透深度当直流电通过导线时，横截面上的电流密度是均匀且相同的。当交变电流通过导线传输时，导线周围变化的磁场会在导线中产生感应电流，从而会使沿导线截面的电流分布不均匀，表面的电流密度较大，越往中心处越小，按负指数规律衰减，尤其是当频率较高时，电流几乎是在导线表面附近的薄层中流动，这种电流主要集中在导体表面附近的现象，称为集肤效应现象。涡流渗入导体的距离称为渗入深度。定义涡流密度衰减到其表面值1/e时的渗入深度称为标准渗入深度，也称集肤深度，它表征涡流在导体中的集肤程度，用符号表示，单位是米。由半无限大导体中电磁场的麦克斯韦方程可以到处距离导体表面深度处的涡流密度为 （4.7）式中半无限大导体表面的涡流密度，单位是；交流电流的频率，单位是；材料的磁导率，单位是；材料的电导率，单位是。则标准渗入深度为 （4.8）从公式4.8中我们可以看出，频率越高、导电性能越好或导磁性能越好的材料，集肤效应越显著。图4.1 导体中感应涡流密度图图4.1是导体中感应电流涡流密度图，可以看出越往试件内部传输，涡流密度越小，到了一定深度后为0，这就和标准深入深度有关。标准透入深度是一个重要的数据，当涡流渗透到2.6h时，涡流密度一般已经衰减了约90%，几乎很小。此时的渗透深度称为有效渗透深度3。4.2 TMR简介MMLH45FTMR芯片是江苏多维科技有限公司设计的产品，芯片内部采用了一个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR（隧道磁电阻）传感元件。当外加磁场沿平行于传感器敏感方向变化时，因为四个TMR芯片的磁场不同，使得惠斯通全桥提供差分电压输出，并且该输出具有良好的温度稳定性。MMLH45F 封装采用的是SOP8 封装形式。本实验采用了MMLH45F芯片代替了接收线圈来检测试件上的涡流场，是基于TMR具有小型化、低功耗和易集成的特点，可以实现直接对磁场的测量，并且在较宽的低频范围内，具有比检测线圈更高的检测灵敏度。图4.2为TMR芯片。图4.2 TMR芯片图4.3和4.4列出了 MMLH45F 传感器输出随外加磁场强度变化（外加磁场15Oe、 200Oe, 工作电源 1 V）的典型曲线。图4.3 输出曲线图4.4 输出曲线图4.5是MMLH45F芯片的引脚图，表4.1是芯片的引脚功能表。其中6脚为电源正极，3脚为电源负极，4脚和5脚为信号接收引脚，接入USB6356采集卡中，其余脚为空脚。图中所示的敏感方向表示的是磁场的方向，当磁场方向与敏感方向一致时，TMR芯片的检测灵敏度最高。图4.5 引脚图表4.1 引脚功能表引脚号符号引脚描述3GND地4V-模拟差分输出25V+模拟差分输出16Vcc电源1、2、7、8N/A空脚此类的TMR芯片具有以下优点：1）极高的灵敏度 2）宽动态范围 3) 低功耗 4) 优越的温度稳定性 5) 宽工作电压范围 6) 极低的磁滞 由于组成电桥电路的四个TMR电阻灵敏度极高，其输出信号峰-峰值可达工作电压的80%，所以此优点大大的降低了外部信号放大电路的复杂度，在部分应用甚至不需要进行放大，减小了传感器体积和整体成本。 当用TMR芯片检测试件时，与激励源相接的激励线圈产生交变磁场，在被测试件表面产生感应涡流场，感应出的涡流是变换的，势必也会产生相应的磁场。TMR传感器位于磁场的中心对称位置，所感受的磁场强度恒定，但是当探测头经过有缺陷的位置时，缺陷改变了涡流的分布，根据由此引起的磁场变化，可推知试件中涡流的大小和相位变化，进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或缺陷存在等信息5。4.3试块的制作4.3.1大缺陷试块的制作设计铝蜂窝结构腐蚀缺陷，缺陷设计在铝蜂窝板的一块区域的铝蜂窝芯。缺陷为长宽都约为3.5cm的正方形区域，缺陷深度为2.3cm。如图4.6为大缺陷俯视图，图4.7为大缺陷剖面图。图4.6 大缺陷俯视图图4.7 大缺陷剖面图（深度为2.3cm）4.3.2小缺陷试块的制作设计铝蜂窝结构腐蚀缺陷，缺陷设计在铝蜂窝芯侧壁的部位7。缺陷深度分别为0.4cm，0.7cm，1.1cm，1.6cm。如图4.8为小缺陷俯视图，图4.9为小缺陷剖面图。1.1cm0.4cm0.7cm1.6cm图4.8 小缺陷俯视图图4.9 小缺陷剖面图（分别为1.6cm、1.1cm、0.7cm、0.4cm）4.4 圆柱形探头和斜角式探头设计4.4.1圆柱形探头设计上一节介绍了实验设计的铝蜂窝板大小腐蚀缺陷，在设计过程中，先是需要将大腐蚀缺陷检测出来。在国内，周德强对脉冲涡流圆柱形探头进行了参数优化设计，实验表明，在圆柱形探头的绕制中，加入铁氧体磁芯，可以大大加强探头的聚磁能力，提高检测灵敏度。表明圆柱形探头产生的磁通量可以很好的渗透到被测试件的内部，有利于提高探测灵敏度。所以本实验采用圆柱形探头来检测铝蜂窝板的大腐蚀缺陷。探头线圈绕制在温度系数小的酚醛骨架上，然后将骨架放置于锰锌铁氧体磁芯内，探头内径为11mm，外径为27mm，高度为11mm，漆包线直径为0.41mm，绕制的两个线圈的匝数为150匝和200匝。然后将TMR芯片垂直置放于骨架中间，使得磁场方向和TMR芯片的敏感方向一致，此处磁场强度经过铁氧体磁芯聚磁后检测效果更好。图4.10 圆柱形探头设计图用单个探头进行检测主要运用差分信号检测原理，探头在试件上移动，在没有缺陷的部位采集一个参考信号，再在有缺陷的部位采集相应的缺陷信号，两个信号进行差分处理，得到差分信号。如图4.11所示。图4.11 脉冲涡流差分检测输出信号实验中绕制了两个圆柱形探头，一个线圈绕了150匝，一个绕了200匝，对铝蜂窝板的大腐蚀缺陷进行检测，激励频率为10HZ，激励电流0.7A。检测结果如下表4.2。表4.2 两个探头实验数据对比线圈匝数差分信号幅值1501.5mv2002.3mv其中差分信号是缺陷信号与参考信号的差分值。从表4.13可以看出，在绕制的两个圆柱形探头中，线圈匝数为200匝的探头灵敏度明显高于150匝的探头，所以接下来的实验用200匝的圆柱形探头来检测铝蜂窝板的大腐蚀缺陷9。4.4.2斜角式探头设计在进行实验时，用圆柱形探头检测检测铝蜂窝板的小缺陷，发现检测效果并不是很好，检测灵敏度不高，所以针对铝蜂窝板小腐蚀缺陷，需要查找相应资料，绕制一个精度较高的探头来进行检测。在国内，杨宾峰，罗飞路对斜角式探头进行了理论分析和验证，文中提出了一种新型的斜角式传感器结构,斜角式传感器的检测线圈与激励线圈的底面之间有一个夹角,通过实验证明,斜角式传感器探头使得采集的信号的波形发生了根本性的变化，脉冲涡流瞬态感应信号在峰值处不再出现震荡现象,特征值的提取变得非常的简单。这篇文献证实了斜角式传感器具有很高的检测精度,对于腐蚀类缺陷的脉冲涡流检测灵敏度高。图4.12 斜角式传感器磁场分析示意图。如图4.12所示，激励磁场入射角度与试件平面角度呈角，检测线圈与激励线圈呈角，磁场分布为： （4.9） （4.10）式4.9为激励场，式4.10为扰动场，线圈中的总磁场为激励场和扰动场的叠加。由2式可以看出，对于斜角式探头，穿过检测线圈的激励磁场分量得到了增强，扰动场有所减少。在实验过程中，适当调整角的大小，使得传感器探测灵敏度最高。所以对于铝蜂窝板的小腐蚀缺陷，本实验采用斜角式探头来进行检测。对于斜角式探头的制作，邹国辉等人对其进行了参数优化设计，实验表明，当激励线圈匝数为180匝。角为60度时，斜角式探头的检测灵敏度最高，所以设计了一个斜角式探头，匝数为180匝，角为60度。为了进一步提高斜角探头的检测灵敏度，设计斜角探头时，激励线圈不是和圆柱形探头激励线圈一样缠绕在铁氧体上，而是缠绕在铁基非晶合金上，因为铁基非晶合金比铁氧体有着更高的饱和磁感应强度，并且磁导率、激磁电流和铁损都优于铁氧体材料，聚集磁场的能力更强，从而检测灵敏度更高，更易于检测。每个非晶合金上线圈匝数为90匝，总共180匝，漆包线直径为0.41mm10。如图4.13和图4.14是斜角探头的设计图。塑料板非晶态合金TMR传感器图4.13 斜角探头设计图俯视图激励线圈非晶态合金图4.14 斜角探头设计图平视图在检测的时候，同样用的是差分信号检测原理。探头在试件上移动，在没有缺陷的部位采集一个参考信号，再分别在缺陷深度为0.4cm、0.7cm、1.1cm和1.7cm部位采集相应的缺陷信号，两个信号分别进行差分处理，得到差分信号。5. 实验结果及分析5.1 铝蜂窝板大腐蚀缺陷数据分析图5.1 0.7A差分信号图5.1是圆柱形探头激励电流为0.7A时候各频率的差分信号幅值，其差分信号幅值是不同频率下，缺陷信号与参考信号做差分的结果。图5.2 0.9A差分信号图5.2是圆柱形探头激励电流为0.9A时候各频率的差分信号幅值，和图5.1差分信号含义一致。将以上数据绘制表5.1。表5.1 圆柱形探头实验结果表1HZ5HZ10HZ50HZ100HZ0.7A2.3mv2.2mv2.3mv2.75mv1.8mv0.9A2.1mv1.4mv2.4mv1.8mv2.5mv本实验数据分析采用缺陷信号与参考信号的差分信号最大幅值作为探头的检测灵敏度。由表5.1可以看出，当圆柱形探头的激励频率为50HZ，激励电流为0.7A时，缺陷信号与参考信号的差分信号最大，说明此时的参数检测铝蜂窝板大腐蚀缺陷的灵敏度最高，当激励频率为5HZ，激励电流为0.9A的时候，检测灵敏度最低。当激励电流为0.7A时，激励频率为1HZ、5HZ和10HZ的差分信号幅值大致相等，说明此时参数的检测灵敏度大致一样，而激励频率为100HZ的检测灵敏度最低。当激励电流为0.9A时，为了使检测灵敏度最大，可以选择10HZ或者100HZ的激励频率，激励频率为5HZ的时候检测灵敏度最低。5.2 铝蜂窝板小腐蚀缺陷数据分析在检测铝蜂窝板小缺陷的时候，是将探头放置于无缺陷的位置取参考信号，从理论上分析，缺陷越深的差分信号幅值应该越大。激励电流为0.7A。图5.3 1HZ各缺陷差分信号图5.3是斜角式探头激励电流为0.7A，激励频率为1HZ的时候各个缺陷的差分信号幅值。图5.4 5HZ各缺陷差分信号图5.4是斜角式探头激励电流为0.7A，激励频率为5HZ的时候各个缺陷的差分信号幅值。图5.5 10HZ各缺陷差分信号图5.5是斜角式探头激励电流为0.7A，激励频率为10HZ的时候各个缺陷的差分信号幅值。图5.6 50HZ各缺陷差分信号图5.6是斜角式探头激励电流为0.7A，激励频率为50HZ的时候各个缺陷的差分信号幅值。图5.7 100HZ各缺陷差分信号图5.7是斜角式探头激励电流为0.7A，激励频率为100HZ的时候各个缺陷的差分信号幅值。将以上数据绘制表5.2。表5.2 斜角式探头实验结果表1HZ5HZ10HZ50HZ100HZ0.4cm-3-3.2-3.5-2-1.40.7cm-3.8-4.2-3.5-3-1.1cm-4.6-4.85-4.2-3.2-2.71.6cm-4.8-4.9-4.2-3.6-2.8由表5.2可以看出，激励电流为0.7A，用斜角式探头检测铝蜂窝板小腐蚀缺陷时，激励频率为5HZ的时候检测灵敏度最高，并且能将各个缺陷的深度大小区分开来。虽然激励频率为100HZ的时候大致可以区分不同深度大小的腐蚀缺陷，但是其缺陷信号和参考信号的差分信号幅值相对于其他频率比较小，灵敏度略显不高。激励频率为10HZ的时候，不能很好的将深度为0.4cm和0.7cm、1.1和1.6cm的腐蚀缺陷区分开来。所以检测铝蜂窝板小腐蚀缺陷时，可以采用5HZ的激励频率。比较同缺陷深度不用频率的差分信号幅值可以看出，低频率的激励信号检测缺陷的差分信号幅值大，说明检测铝蜂窝板的小腐蚀缺陷时低频率的激励信号有更高的检测灵敏度。说明检测此类缺陷的时候，低频率检测灵敏度高于高频率的检测灵敏度，其中频率为5HZ的时候效果最佳。综上所述，用圆柱形探头检测铝蜂窝板大腐蚀缺陷时，采用激励频率为50HZ，激励电流为0.7A，检测灵敏度最高。用斜角式探头检测铝蜂窝板小腐蚀缺陷，当激励电流为0.7A时，低频率的检测灵敏度高于高频率的检测灵敏度，频率为5HZ的时候检测灵敏度最佳。6. 总结在本次毕业设计中，根据脉冲涡流检测原理，搭建了一个脉冲涡流检测检测系统，包括硬件信号采集模块和软件信号分析及处理模块。设计并绕制了TMR圆柱形探头，改变激励条件，对铝蜂窝板的大缺陷腐蚀进行检测。对传感器采集信号进行处理，将探头采集的无缺陷参考信号和有缺陷的信号做差分分析，提取差分信号的峰值进行分析。实验表明，修改探头的激励参数能够检测出铝蜂窝结构中的腐蚀缺陷。在单个探头的基础上，绕制了一个TMR斜角传感器探头，采用该探头对铝蜂窝板的小缺陷腐蚀进行检测，实验表明改变激励参数可以检测出铝蜂窝板的不同深度的腐蚀缺陷。本实验对于脉冲涡流检测铝蜂窝板的腐蚀检测实验只是初步的研究，要进一步的对铝蜂窝板的腐蚀缺陷检测，还需要进一步完善探头的结构参数和线圈参数等优化制作。参考文献1 曲亚林等. 蜂窝夹芯结构的无损检测技术J. 航空制造技术, 2011, 2(6): 78-81.2 章令晖. 蜂窝夹层结构常见制造缺陷分析J. 航天返回与遥感, 2006, 3(9): 57-61.3 杨宾峰等. 斜角式脉冲涡流传感器理论分析及试验验证J. 测量与设备, 2007, 7(5): 37-39.4 周克印等. 蜂窝结构缺陷类型识别的研究J. 数据采集与处理, 2004, 3(6): 115-118.5 邹国辉等. 飞机多层结构铆钉周围裂纹脉冲涡流检测传感器参数优化J. 失效分析与预防, 2015, 2(8): 11-14.6 周德强等. 脉冲涡流圆柱型探头参数的优化设计J. 无损检测, 2012, 9(6): 7-11.7 董婕等. 铝蜂窝粘接缺陷检测方法实验研究J. 2004年第九届全国无损检测