飞机多层结构腐蚀缺陷检测系统的研究与实现

摘 要：本文通过对脉冲涡流检测技术进行研究，设计并实现了一套完整的脉冲涡流检测系统。在对检测信号进行分析处理的基础上，实现了对缺陷的定量检测，并通过进一步的实验对系统进行了验证。
关键词：脉冲涡流；定量检测；腐蚀缺陷；传感器；信号分析

引言
飞机的机身蒙皮和机翼壁板一般采用多层铝合金复合结构，而腐蚀缺陷通常出现在多层结构的第二层，因此很难被及时发现。脉冲涡流检测技术是一种新的无损检测方法，在对层间或次表面缺陷的定量检测和评估方面具有明显的优势。本文将脉冲涡流检测技术应用于飞机多层结构中的腐蚀缺陷检测，设计并实现了一套完整的脉冲涡流检测系统，并通过实验实现了对腐蚀缺陷的定量检测。

图1 脉冲涡流检测系统框图

图2 软件程序流程图

脉冲涡流检测基本理论分析
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。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(脉冲涡流)，此脉冲涡流向导体试件内部传播，又会感应出一个快速衰减的涡流磁场，随着涡流磁场的衰减，检测线圈上就会感应出随时间变化的电压。如果有缺陷存在，就会使感应磁场强度发生变化，最终使得检测线圈上的瞬态感应电压信号发生变化。

脉冲涡流检测系统的硬件结构
脉冲涡流检测系统主要由四个部分组成，即脉冲信号发生器、传感器(激励和检测线圈)、被测试件和数据采集与处理模块，其系统框图如图1所示。
本检测系统以单片机80C196KB和DDS芯片AD7008为核心，采用DDS技术来产生激励信号，然后通过电压比较器(LM339)进行整形滤波(六阶椭圆滤波器)后得到脉冲激励信号。
传感器模块
传感器模块包括激励线圈和检测线圈两部分，激励线圈用来在被测试件中产生涡流场，检测线圈位于激励线圈底面中心，用来对受缺陷扰动而产生的涡流磁场的垂直分量进行检测。
激励线圈采用能产生均匀强场的矩形线圈。由于激励线圈放置在试件表面时，其产生的激励磁场透入试件的深度约为线圈直径的1/4，而实验对象—飞机多层金属结构的厚度约为3~3.5mm。所以本系统中的矩形线圈几何尺寸设计为40mm×20mm×20mm(长×宽×高)，厚度为1mm，共绕了400匝，并在线圈中插入了磁芯，以增强磁场。
检测线圈应采用截面积小一些的空心圆柱形线圈，使得检测线圈内的磁场能看作是均匀的，从而测量的结果可作为点磁场值。但是当检测线圈的截面积太小时，又会降低检测的灵敏度。综合考虑以上情况，运用仿真与实验结合的方法，本文设计了一种圆柱形的感应线圈式磁传感器，其几何尺寸为内径1.5mm、外径3mm、高2mm，共绕800匝。
传感器扫描方式分为两种：实验室研究时，传感器的扫描方式是平行于缺陷长度方向进行扫描移动，这样可以使激励电流流向与缺陷垂直，使得检测信号的变化最大；实际工程应用中，传感器的扫描方式是保持传感器与被测试件平行。
被测试件模块
金属被测试件是一块几何尺寸为200mm×200mm×3mm的铝板，并加工了尺寸分别为：15mm×4mm×1.5mm、15mm×6mm×1.5mm、15mm×8mm×1.5mm、15mm×5mm×1mm、15mm×5mm×1.5mm、15mm×5mm×2mm的长方形平底槽来模拟缺陷，然后将几何尺寸为200mm×200mm×1mm的完好铝板和加工有缺陷的铝板紧密粘合在一起，来模拟飞机多层结构中出现在第二层的腐蚀缺陷(飞机多层金属结构的厚度约为3~3.5mm)。
数据采集与处理模块
本系统中采用内插式PCI数据采集卡进行数据采集，采样频率为100KHz，A/D分辨率为12位。由于检测线圈上的瞬态感应电压信号非常微弱，为了便于采集与信号处理，在采集之前首先对检测线圈上的感应电压信号进行放大和滤波。被采集的数据将实时存储到PC上。
脉冲涡流检测系统的工作流程
检测系统加电后，根据液晶显示屏上的提示信息，从键盘依次输入激励脉冲信号的幅值、频率、占空比，经确认后，检测系统开始工作。由于DDS芯片产生的是正弦波，因此将它通过电压比较器进行整形滤波后便可得到脉冲激励信号。但此时的激励电流很小，需由音频功率放大器集成芯片TDA2030对激励信号进行功率放大后再加到激励线圈两端。当传感器在被测试件表面扫描时，通过数据采集卡对检测线圈上的信号进行采集，并通过提取检测信号的峰值点形成实时扫描波形，对缺陷进行实时识别和定位(即为实时定性检测)；同时将采集的数据实时存储到上位机上，扫描结束以后，再对数据进行离线分析，提取瞬态感应电压信号的特征量以实现对腐蚀缺陷的定量检测(即为离线定量检测)。

脉冲涡流检测系统的软件平台
软件平台是脉冲涡流检测系统的另一核心部分，主要完成数据采集、特征量提取、实时图像显示、数据存盘、特征分析等功能。
软件程序流程
本系统采用VC++6.0开发，运用模块化结构，以方便编程体系和系统的进一步升级。软件程序流程图如图2所示。
在检测之前，首先对检测系统的硬件参数和数据处理方式进行设置。数据采集系统采用多线程工作方式。数据采集线程完成对数据的实时采集和存盘任务，绘图线程则完成对采集信号的实时显示。特征分析包括对时域、频域的特征分析，采用在VC++6.0开发环境下通过Matlab Engine调用Matlab工具箱对采集的数据进行分析处理。此外为了以后做进一步的分析和查询，本系统最后还对特征数据和图像进行了存盘处理。
缺陷的实时识别和定位
实验过程中，当传感器在被测试件上无缺陷的区域扫描时，瞬态感应电压信号的峰值保持不变，当传感器沿着缺陷长度方向进行扫描时，瞬态感应电压信号的峰值将出现连续变化。在检测线圈进入缺陷时刻，感应信号的峰值达到最大值。相反，在检测线圈离开缺陷时刻，感应信号的峰值出现最小值。基于以上特性，只要在传感器的扫描过程中，实时采集感应信号的峰值，并将所有的峰值点连接起来形成实时扫描波形，即可对缺陷进行实时识别和定位。此外，由波峰和波谷两个极值点的信息即可对缺陷的长度进行定量检测。其计算公式为：
L=×(t2-t1)
其中，L表示被测缺陷的长度，表示传感器的扫描速度，t1表示检测信号的峰值达到最大值的时刻，t2表示检测信号的峰值达到最小值的时刻。

实验分析与腐蚀缺陷定量检测
实验数据分析
实验分析发现，随着缺陷尺寸的改变，电压峰值和过零时间两个特征量也随之变化，它们表征了缺陷的各种信息。由于缺陷边缘位置的涡流密度是最大的，所以此时特征量的变化值也是最大的。通过对检测线圈处于无缺陷区和开始到达缺陷边缘位置的检测信号进行处理，求得其特征量，即可实现对缺陷的定量检测。
腐蚀缺陷深度的定量检测
通过对不同尺寸腐蚀缺陷的时域特征量进行分析，发现当腐蚀缺陷深度一定时，无论缺陷的宽度如何改变，瞬态感应电压信号的过零时间都不改变。并且缺陷出现的地方距离表面越深，过零时间越长。从而，就可以根据过零时间这一特征量对腐蚀缺陷的深度(即腐蚀深度)进行定量检测。
常规缺陷检测的定量方法需要一个庞大的模型试件数据库，这样实现起来比较繁琐。本文根据实验数据，采用最小二乘法拟合出腐蚀缺陷深度随过零时间变化的曲线，其关系式为：
d=0.0059×t-2.3975
其中，t表示过零时间，d表示腐蚀缺陷的深度。实际检测中，只要测得过零时间，就可计算出有关缺陷深度的定量信息。从而只需较少的缺陷试件模型，即可实现对缺陷的定量检测。
腐蚀缺陷体积的定量检测
通过对宽度不同深度相同缺陷的时域特征量进行分析发现，瞬态感应电压信号的峰值与缺陷的体积是密切相关的。腐蚀缺陷的体积越大，峰值越大；反之峰值越小。从而，可以根据峰值这一特征量对腐蚀缺陷的体积(即腐蚀程度)进行定量检测。根据实验数据，采用最小二乘法拟合出腐蚀缺陷体积随峰值变化的曲线，其关系式为：
v=0.00034×p2-0.5378×p+259.89
其中，p表示峰值，v表示腐蚀缺陷的体积。实际检测中，只要测得峰值，即可计算出有关缺陷体积的定量信息。

结语
本文将脉冲涡流检测技术应用于飞机多层结构中的腐蚀缺陷检测，设计了一套完整的脉冲涡流检测系统。对于腐蚀缺陷长度的定量检测，采用峰值扫描波形；对于腐蚀缺陷深度的定量检测，采用瞬态感应电压信号的过零时间；对于腐蚀缺陷体积的定量检测，采用瞬态感应电压信号的峰值。通过三种方法相结合，完成了对腐蚀缺陷的定量检测，对以后进一步的实验研究和实际工程应用具有一定的指导意义。