使用相位滞后方法对ECGMR输出进行缺陷分类.docx

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使用相位滞后方法对ECGMR输出进行缺陷分类

使用相位滞后方法对EC-GMR输出进行缺陷分类

PengGaoa,ChaoWang,YaZhi&YangLi

摘要：

涡流检测（ECT）是无损检测的重要方法。

缺陷分类是ECT一个具有挑战性的问题。

在本文中，我们提出在该相位滞后，采用的方法，以及为了检测深亚表面缺陷，巨磁阻传感器被选择为检测磁场的缺陷的影响。

磁场强度的相位被用于帮助缺陷分类。

结果从实验中进行了显示，该方法是有效的。

关键词：

涡流检测;缺陷检测;巨磁电阻;缺陷分类

1.介绍

涡流检测（ECT）是在非破坏性测试，它用于在许多行业中重要的方法之一。

[1]缺陷分类是ECT一个充满挑战和显著的问题，它总是进行下测试，以结构为经营决策，如维修和更换操作。

有许多类型的缺陷分类的并且它们进行根据不同的实际工业要求。

[2-5]的一个重要类别是准确的表面和亚表面缺陷区别开来。

[6,7]为了做到这一点，许多功能进行了研究，包括上升点，[8]频谱分割处，[9]峰值，高峰时间，[10,11]交叉时间和微分时间达到峰值。

[12]

其他数据为基础的特征提取方法是基于小波变换的主成分分析（PCA），[7]希尔伯特变换，[13]PCA，[10]独立成分分析[14]和核主成分分析。

[15]为了分类的目的，一些技术被使用，诸如支持向量机。

[15]田等人。

已经做了很多有益的工作表面和亚表面的分类。

[7,8,10,11,13,14]分类的准确度得到了提高，但许多功能无法通过物理意义解释。

本文的主要目的是基于谐波激励和巨磁电阻（GMR）传感器上的表面和亚表面缺陷进行分类。

为了检测的深缺陷的磁场，GMR传感器被采用。

[16-21]幅值和磁场强度的相位被用于表面和亚表面缺陷进行分类。

2.检测原理和方法

电流励磁线圈中产生感应电流的导体，即涡流（ECS）。

下的缺陷的情况下，内皮细胞被干扰和磁场是由有缺陷的的EC产生。

涡流巨磁电阻（EC-GMR）传感器和样本的示意图示于图1。

图1ECGMR传感器和试件示意图

图2.（a）表面缺陷的磁场;（b）内部缺陷的磁场

幅度和磁场强度的相位是因为缺陷的不同位置的不同。

两个主要因素影响的磁场强度。

首先，缺陷的深度影响EC。

其次，表面缺陷磁场拾取由传感器直接，但磁场的亚表面缺陷，在图2（b）所示，通过将厚度LH的，这会导致额外的相位滞后的导体。

因此，在使用磁场传感器诸如GMR传感器，缺陷可以通过测量磁场强度的振幅和相位进行分类。

GMR传感器垂直裂纹长度的检测轴总是用来定量检测缺陷。

[22]在检测过程中，GMR的感测轴线保持与探针的移动方向平行，并且在本文中，我们也使用这种扫描模式。

如图1中，在测量点的磁场是由欧共体所产生的磁场是由缺陷的干扰的总和。

由于GMR传感器方向性的[23]，仅在感测方向上的磁场可以被检测到，其示于图2，并在y轴的磁场被考虑在内。

在[24]，在y轴的磁场强度，可以从下面的等式得到：

没有处理的坐标（x,y,z）;Ÿ;ZTH代表观察点;在引坐标TH代表的来源;R表示从源到观察点中的任意点的距离;JX和JZ是电流密度在x和z方向，分别;和b是相位常数，其可以被计算为在良好的导体以下：

其中w是所述角频率，u是渗透性和

是导电性。

电流密度JZ，这降低了在幅度作为波传播到所述导体，由下式给出[25]

这里Jz0表示在表面Z方向的EC密度和

在检测过程中，GMR的感测轴线保持与探针的移动方向平行。

这导致一个事实，即GMR仅能够检测沿y方向的分量。

在x和z方向分量垂直于感测轴，这意味着它们对传感器的输出没有影响。

此外，由于该扁平线圈的对称性，在Jx的方向上的电流的幅度相同，但方向相反，从而在GMR输出Jx的地方没有影响。

表面缺陷，EC围绕缺陷变化的缺陷的增加的深度。

图3示出了用于表面缺陷的EC，其示于图2的坐标系。

图3.坐标系表面缺陷

根据公式

（1）中，在点（0,0,0），沿y轴的磁场强度是；

其中，L和b是EC区域的长度和宽度，分别与LD是EC区域的深度。

对于亚表面缺陷，周围的缺陷的EC生成能够由GMR传感器来检测磁场;然而，如图2（b）所示，GMR的感测轴线保持与探针的移动方向平行。

所以GMR是仅能够检测沿y方向的分量。

在x和z方向分量垂直于感测轴，这意味着它们对传感器的输出没有影响。

此外，由于该扁平线圈的对称性，在Jx的方向上的电流的幅度相同，但方向相反，从而在GMR输出Jx的地方没有影响。

图4示出了用于子表面缺陷内皮的坐标系。

在点（0,0,0），沿y轴的磁场强度是

图4.坐标系统对于表面缺陷

其中，L和b是长度和宽度ES区域分别;LH是表面和裂缝之间的距离;和LT是被测样品的厚度。

方程（4）和（5）使用的是数值积分来计算。

参数被给出如下：

和

图5.幅值曲线具有不同深度（f=500Hz,Al）

（一）的表面缺陷;

（二）亚表面缺陷。

图5.12示出了变化的幅度和相位与500，1000，1500和2000赫兹的不同的激发频率。

图7示出了具有不同深度使用1000Hz的激发频率的表面和亚表面缺陷的检测信号的幅度的变化。

的表面缺陷增大磁场强度的振幅作为表面缺陷变为更深。

对于亚表面缺陷，当缺陷靠近表面时，磁场强度的强度很大。

当亚表面缺陷远离表面，磁场强度的幅值变小。

因此它是难以归类表面和亚表面缺陷取决于振幅单独。

具有不同深度为1000赫兹的激发频率的表面和亚表面缺陷的相位的变化示于图8。

对于表面缺陷，相位滞后增强与增加的表面缺陷的深度。

对于亚表面缺陷，当缺陷是远离表面，相位滞后变大。

然而，存在的表面瑕疵相和亚表面缺陷相，其可以有助于在表面和次表面缺陷分类之间没有交集。

因此，表面和亚表面缺陷可以被分类，通过测量周围的缺陷的磁场。

从图5-12中，我们可以看到，随着频率的增大，从500至2000赫兹，表面缺陷和亚表面缺陷的增加之间的相位滞后，从0.053到0.082弧度。

放大激发频率可以放大表面缺陷和亚表面缺陷之间的相位滞后，因此提高了分类能力只要穿透深度不超过所述试样的厚度。

但是，从大的激励频率产生的趋肤效应降低了探测深度，这可能损害的地表下的效果的检测能力。

图6.相位曲线具有不同深度（f=500Hz,Al）

（一）的表面缺陷;

（二）亚表面缺陷。

图7.幅值曲线具有不同深度（f=1000Hz,Al）

（一）的表面缺陷;

（二）亚表面缺陷。

图8.相位曲线具有不同深度（f=1000Hz,Al）

（一）的表面缺陷;

（二）亚表面缺陷。

图9.幅值曲线具有不同深度（f=1500Hz,Al）

（一）的表面缺陷;

（二）亚表面缺陷。

图10.相位曲线具有不同深度（f=1500Hz,Al）

（一）的表面缺陷;

（二）亚表面缺陷。

图11.幅值曲线具有不同深度（f=2000Hz,Al）

（1）的表面缺陷;

（2）亚表面缺陷。

图12.相位曲线具有不同深度（f=2000Hz,Al）

（1）的表面缺陷;

（2）亚表面缺陷。

图13.幅值曲线具有不同深度（f=1000Hz,Cu）

（1）的表面缺陷;

（2）亚表面缺陷。

图14.相位曲线具有不同深度（f=1000Hz,Cu）

（1）的表面缺陷;

（2）亚表面缺陷。

参数如下给出，

和

图13和14示出了幅度和相位的曲线，分别比较图8与图14，我们可以看到，随着导电性的增加，所以不使用相位信息的分类能力。

的表面缺陷和亚表面缺陷之间的相位滞后上升从0.042到0.373的读取。

这对于材料的导电性大，使用相位信息的分类方法更适用。

3.实验

3.1实验系统

实验系统包括探头、ECT系统,运动平台和试件,如图15所示。

图15实验系统

图16.探头指示装配示意图

在测试探针的励磁线圈是一圆盘型线圈。

GMR传感器，NVEAA002-02，由NVE公司制造的（明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国）被用于与它的感测轴线垂直于线圈的初级场，这确保了GMR只能在由所产生的磁场由有缺陷的的EC。

为了确保该GMR传感器感测轴线完全位于线性区，一个永久磁铁被用作偏压（图16）。

该ECT系统基于XC3S400现场可编程门阵列（FPGA）上。

它包括在FPGA最小系统的，激励信号的电路，励磁电流测量电路中，感应电压测量电路，通信电路和电源电路。

的振幅相位，GMR传感器的输出部和虚部可以通过在FPGA中的数字解调算法来提取。

[26]在实验中，激励频率为1000Hz的。

3.2被测样品

被测样品是一种铝合金板与人造的裂缝。

其电导率为约2.61*107S/m。

裂缝的尺寸示于表1-4中。

裂缝的所有长度为20毫米，而差异是裂纹'的宽度和深度（图17）。

图17.尺寸标本：

（a）在不同宽度的裂缝;（b）与不同深度的裂缝

3.2.1表面裂纹

表面裂纹的尺寸示于表1和2。

3.2.2亚表面裂纹

亚表面裂纹的尺寸示于表4和5。

4.结果与讨论

在常规的ECT使用线圈检测的阻抗平面的分析来测量相位滞后，许多因素，诸如线圈本身的阻抗，所造成的剥离和缺陷的变化阻抗，都可以施加影响在输出检测上。

因此，通过使用阻抗平面分析的相位滞后的计算变得相当复杂和低的分辨率。

[27]由于放置在本文所在的GMR的感测轴线垂直于主场的GMR传感器的，传感器只能检测的磁场其由缺陷中断。

以这种方式，所述GMRS输出仅仅依赖于缺陷，导致直接计算相位滞后的。

在实验中，GMR移动沿缺陷的中心线，保持轴平行的感测与所述扫描方向。

对于当GMR传感器的灵敏轴垂直于裂纹长度的裂缝的GMR输出信号的典型复平面的轨迹示出图18点A的和B是两个点，其中最强的信号出现。

我们连接A和B，并使用线AB和实轴之间的角度来计算缺陷造成相位滞后。

图18.典型的在复平面GMR输出

图19示出了检测到的信号的裂缝1＃到12＃的振幅。

它可以看出，表面和次表面裂纹不能由GMR传感器单独输出的振幅来区分。

图20示出了检测到的信号的裂缝1＃到12＃的相位。

它可以看出，1＃-6＃表面缺陷相是上述7＃-12＃亚表面缺陷的阶段，并没有表面缺陷相和亚表面缺陷相之间没有交点，因此表面和亚表面缺陷可以进行分类。

5.结论

在本文中，我们通过分析GMR传感器输出的振幅和相位进行讨论的与谐波内皮表面和次表面裂纹的分类。

理论分析表明，在使用振幅表面和次表面裂纹的分类，与小LD和次表面裂纹大LH表面裂纹可具有相同的小幅度，其导致难以分类。

还表面大LD和次表面裂纹的小的LH裂缝可以具有相同的大振幅，这也导致难以分类。

第一阶段可以引进作为分类的另一种判断。

该实验进行了使用铝合金板与人造的裂缝，这表明在表面和次表面裂纹可以被分类。