Page 68 - 无损检测2021年第十期

王安泉, 等:

基于功率谱密度峰值的大提离下脉冲涡流测厚方法

测厚问题, 脉冲涡流检测领域提出了不少有研究前
景的信号特征量。 PARK 等 [ 10 ] 提出将功率谱密度

作为特征量, 对带有6mm 厚包覆层的1~5mm 厚

钢板进行测量, 得出了功率谱密度能够反映钢板厚
度变化的结论, 但并未研究该特征量反映厚度变化
的内在机理。柯海等 [ 12 ] 提出将脉冲涡流信号晚期

斜率作为特征量, 对10~50mm 厚的钢板进行测量, 图1 脉冲涡流检测仿真模型

能够在20mm 提离范围内不受提离变化的影响; 徐 中, 一次磁场由脉冲激励信号通入线圈瞬间感生而
志远 [ 13 ] 提出将差分信号的峰值时间作为检测壁厚特 成, 二次磁场由待测试件的涡流感生而成, 因此二次

征量, 对4~18mm 厚的钢管和3.5~13.5mm 厚的 磁场中包含了待测试件的特征信息。在初期, 一次

钢板进行了测量, 但在大提离下, 检测信号中的有效 磁场和二次磁场相互叠加, 二次磁场难以被单独提
信息容易被噪声淹没。 ANGANI等 [ 14 ] 提出将频域 取; 在后期, 当脉冲电流降为零后, 一次磁场消失, 仅

提离交叉点作为特征量, 在提离值为0~2mm 时提 剩余涡流产生的二次磁场信号。
取出0.8~4mm 厚度对应的频域提离交叉点用于

厚度测量, 但仅适用于检测厚度较薄的试件。 WEB
等 [ 15 ] 提出将二次差分提离交叉点用于铁磁性材料

的厚度测量, 但也仅对厚度小于1mm 的钢板进行
了试验分析。
由于油气管道的厚度较厚, 且在包覆层带来的
大提离影响下, 脉冲涡流检测在油气管道测厚应用
中仍存在困难。针对此问题, 笔者对脉冲涡流差分
信号的功率谱密度峰值测厚方法进行了仿真和原理
图2 脉冲涡流检测原理示意
分析, 提取出功率谱密度峰值作为特征量进行厚度
进一步从检测电压信号中提取出有效信息, 再对

测量, 最后在大提离条件下, 在厚度为4.5~12mm
截断后的信号进行差分处理。仿真试验中, 原始壁厚
的阶梯管道试件上进行了试验验证。

为12mm , 以原始壁厚信号作为参考信号, 与检测信
1 脉冲涡流测厚仿真试验分析 号做差分。通过差分处理, 不仅基本去除了激励线
1.1 脉冲涡流仿真模型的建立 圈产生的一次磁场影响, 还去除了两种信号二次磁
首 先, 为 了 开 展 脉 冲 涡 流 测 厚 研 究, 使 用 场中的相同部分, 使差分信号包含更多的有效信息。
COMSOL软件建立脉冲涡流有限元分析模型( 见 1.3 仿真结果分析

图1 )。脉冲涡流传感器包括激励线圈和接收线圈, 脉冲涡流测厚的本质是检测电压信号的能量

激励线圈外径为0.8mm , 匝数为800 ; 接收线圈外 随待测试件厚度的变化而变化, 为了从能量角度

径为0.13mm , 匝数为1200 ; 待测试件为磁导率为 观察 信 号 变 化 规 律, 使 用 MATLAB 软 件 中 的

400H · m , 电导率为7.14×10 S · m 的 Q235钢 p welch函数, 对仿真处理得到的脉冲涡流后期差
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板, 厚度分别为 4.5 , 6 , 7.5 , 9 , 10.5 , 12mm ; 传感器 分信号求功率谱密度。在不同提离值下, 后期差
与待测试件之间的距离为提离值, 分别设定为 0 , 分信号的功率谱密度峰值随着试件厚度的变化呈

20 , 40 , 60 , 80mm 。 现出一定规律: 随着待测试件厚度的增加, 脉冲涡
1.2 脉冲涡流信号仿真处理 流后期差分信号的功率谱密度峰值下降; 随着提
使用 COMSOL 仿真软件在激励线圈上加载幅 离值的增加, 脉冲涡流差分信号的功率谱密度峰

值为20V , 占空比为50% , 频率为1Hz的方波激励 值也呈现下降趋势, 提离值对特征量变化带来的

信号; 分别改变钢板厚度和传感器提离值, 对接收线 影响同样不可忽略。
圈采集到的感应电压信号进行处理和分析。 为了进一步研究功率谱密度峰值随试件厚度变
接收线圈能够检测到的磁场为一次磁场和二次 化的内在机理, 从能量角度对脉冲涡流测厚原理展
磁场的叠加场, 脉冲涡流检测原理如图2所示。其 开了分析。
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2021年 第43卷 第10期

无损检测