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基于场—路耦合模型的涡流探头设计及提离干扰抑制方法研究

张玉华  
【摘要】: 结合某国防预研项目,以飞机机身结构和发动机特殊部件涡流检测的应用研究为背景,论文深入研究了常规/脉冲涡流检测技术在涡流场-电路耦合问题上的理论建模、提离等主要检测干扰源的抑制方法及特殊待测件的探头设计等方面的问题,其主要内容及创新点如下: 以电磁场和电路理论为基础,导出了涡流线圈外接电压源和接入电桥电路两.种典型情况下三维涡流场-电路耦合问题的理论模型。针对复杂边界条件下三维涡流场-电路耦合问题,应用A-φ,A法描述涡流场定解问题必须满足的位函数方程和边界条件式,并结合外电路约束下涡流线圈所满足的电路方程,建立了基于线圈磁链的场-路直接耦合的数学模型。考虑采用数值法求解计算,用伽辽金加权余量法导出了涡流线圈接电压源和接入电桥电路两种典型情况下三维涡流场-路耦合问题的有限元方程组。给出了有限元仿真的基本步骤和实现方法,对其中一些关键性问题如涡流场开域问题的处理、离散网格的生成、网格密度的控制、节点自由度设置和边界条件设定等给出了解决方法。 研究小曲率半径弧面涡流检测中探头提离和倾斜效应,提出了利用相位旋转和信号增强相结合抑制干扰的方法。建立三类检测表面-凹面、平面和凸面所对应的三维涡流场-路耦合分析的有限元模型,计算分析了表面形状、曲率半径变化对导体内涡流分布及线圈阻抗的影响,结果表明试件形状和曲率半径大小仅改变线圈阻抗变化的值,并不影响其变化规律。进一步着重研究了三类试件上方线圈提离变化所形成的阻抗轨迹特征及其对缺陷检测的影响,其结果表明提离轨迹可近似为一条直线,随检测频率增大,缺陷信号绕提离轨迹顺时针旋转,存在一个频率点使两者之间的夹角为90°,并从物理层面解释了上述变化的本质。研究了线圈倾斜时与导体之间电磁耦合作用的变化特征,对比分析了线圈倾斜度和提离增大时的阻抗轨迹,结果表明当线圈倾斜角小于某一特定角度时(约69°),倾斜轨迹也可近似为直线,且它几乎与提离轨迹重合,这一现象说明抑制提离干扰的同时,也可抑制极大部分倾斜干扰。基于上述结论,提出了用相位旋转和信号增强相结合抑制提离和倾斜干扰源的方法,并分析了当线圈接入检测桥路后,桥路连接方式及参数变化对上述阻抗信号特征及抑制方法产生的影响。通过实验数据验证了数值结果及理论分析的正确性,表明所提出的方法确实可行。 针对盘孔裂纹检测问题,提出和设计了两种结构的涡流探头-单线圈绝对式探头(接入电桥电路)和三线圈差分式探头,并与一种双线圈正交式探头作了对比分析。根据盘孔几何结构和裂纹走向,选择探头插入式的检测方式,提出了两种不同结构形式的探头,并与另一种探头对比分析。针对三种探头对盘孔裂纹的检测,建立对应的三维涡流场-路耦合分析有限元模型,首先研究了探头中激励线圈的尺寸选取对检测灵敏度的改善,结果表明当激励线圈高度高于盘厚3.0mm时,探头具有最佳的检测灵敏度。然后根据三种探头自身的独特性,着重分析了其特定参数变化对检测灵敏度和裂纹信号的影响,结果表明绝对式探头内、外径增大均能提高检测灵敏度,但内径增大同时也会减小桥路输出信号的绝对变化量;差分式探头中激励线圈和检测线圈匝数比小于1有利于提高检测灵敏度和增强裂纹信号;减小正交式探头中检测线圈的长径比可增强裂纹信号,但这种探头的检测具有方向性,即它只对与检测线圈中轴线平行走向的裂纹最灵敏,对其它走向的裂纹,其检测灵敏度迅速下降,甚至为零。从检测特征及灵敏度上对比分析了三种探头的优、缺点。最后,用实际制作的涡流探头对某型飞机发动机篦齿盘标准件进行检测,其结果表明所提出的两种探头能够很好地实现盘孔周边微小裂纹的检测,其中差分式探头比绝对式探头具有更高的检测灵敏度,但同时它对两检测线圈的结构和位置对称性的要求严格;两种探头均可消除正交式探头的检测方向性问题。 研究多层金属结构脉冲涡流检测中探头的提离效应,提出了利用“相位跳变点”从提离干扰中识别缺陷的方法。飞机机身多层胶(铆)接金属结构脉冲涡流检测中,探头提离变化极易对表面下缺陷信号造成干扰,使有效识别缺陷变得极为困难。为解决这一问题,建立对应的三维瞬态涡流场-路耦合分析的有限元模型,首先研究了仅有提离、仅有缺陷及提离和缺陷同时存在时三类检测信号Δξl、Δξc和Δξl+c的时域响应和时频域能量分布特征,结果表明随缺陷所处位置越深,Δξc的峰值越小,起始时间也越晚,整个信号的能量分布出现沿频率轴往下压缩,沿时间轴向右扩展的现象,从导体内瞬态感应场的渗透特性解释了上述变化的本质。提离信号Δξl的时域响应无延迟,且随探头提离增大其峰值增大;当提离变化较大时,信号能量分布沿频率轴轻微移动,主要表现在较高频部分,时间轴上则无明显变化。由此看出,Δξl和Δξc两者区别明显,但一旦缺陷信号中混杂进提离干扰,不论时域还是时频域,Δξl+c与Δξl,极其相似,无法判断是否存在缺陷。进一步地,根据信号波形的改变,着重分析了提离和缺陷所引起各频率成分的相位变化发现:提离增大导致幅值明显减小,但相位变化甚微,而缺陷则会使到达其所处位置的频率分量发生明显相变。基于这一特征,用相位信息从提离干扰中识别缺陷,并找到一种有效的分析工具-双复数小波变换,提取信号在时间-尺度平面上的相位,结果发现上述三类信号的相位曲线均存在一个非常明显的“相位跳变点”,在这一时间点小波系数的相位从“负”跳变到“正”。提离改变,其“相位跳变点”的位置几乎不变;缺陷信号则明显后移,且随缺陷位置越深,其“相位跳变点”越后;当提离和缺陷同时存在时,其跳变点介于上述两者之间。因此,提出了用“相位跳变点”从混杂了提离干扰的检测信号中识别缺陷的方法,通过实验验证了上述结论及理论分析的正确性,表明所提出的方法行之有效。


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