脈沖壓縮技術在高溫鍛件電磁超聲檢測中的應用

汪樹民,石文澤,盧 超,張 琦,程進杰,吳 健

(1.江西省檢驗檢測認證總院 特種設備檢驗檢測研究院 景德鎮檢測分院,江西景德鎮 333000;2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330038;3.江西省檢驗檢測認證總院 特種設備檢驗檢測研究院,南昌 330200;4.江西省檢驗檢測認證總院 特種設備檢驗檢測研究院 上饒分院,江西上饒 334000)

0 引言

大型鑄鍛件是電力、冶金、石化、造船、鐵路、礦山、航空航天、軍工等國家重大技術裝備和重大工程建設所必需的關鍵基礎部件,大型鑄鍛件制造業也是關系到國家安全和國家經濟命脈不可或缺的戰略性產業[1]。金屬鍛件的鍛造溫度通常在850 ℃以上,直接對鍛造過程中的高溫鍛件進行缺陷無損檢測,有利于在制造初期發現、修復和抑制缺陷,及時剔除缺陷超標殘次品。因此,在高溫鍛造過程中實現缺陷的實時無損檢測、控制和抑制,有利于提高鍛件的鍛造質量、經濟水平和成品率[2-3]。

實現超高溫鑄鍛件在線無損檢測的關鍵在于耐高溫傳感器技術。常用高溫檢測技術有:壓電超聲、高溫云紋干涉、電磁超聲、激光超聲、空氣耦合超聲等。由于電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)具有無需耦合劑、對待測金屬表面粗糙度要求不高、易激發各種超聲波、可檢測較厚金屬工件、成本低等優點,因此,電磁超聲技術被國內外學者一致認為最適合而且已經被應用于高溫鑄鍛件無損檢測的關鍵性技術[4-11]。

通過增加EMAT探頭提離、探頭前端設置隔熱材料[12]、采用水/油/空氣冷卻[13-14]、使用高居里溫度的電磁鐵[15-16]可以實現瞬態高溫檢測。然而,現有高溫EMAT普遍存在高溫耐受能力差、信噪比低、同步平均次數多等問題,很難應用于超高溫大型鑄鍛件在線快速檢測。

基于脈沖壓縮技術的EMAT檢測方法具有增強信噪比和空間分辨率的效果,已經成為國內外學者關注的熱點。例如,HO等[17]引入脈沖壓縮技術,實現了薄鋁板在線快速厚度測量和成像檢測;RICCI等[18]將脈沖壓縮技術應用于高衰減的鍛件超聲檢測,信噪比明顯提高;LIZUKA等[19]將脈沖壓縮技術應用于1 000 ℃以上高溫鑄坯液芯末端快速檢測,取得較好的效果,但是技術細節尚不清楚;ISLA等[20]提出基于編碼脈沖壓縮技術的EMAT檢測技術,在信噪比相同時,將激勵電壓由1 200 V降為4.5 V。

截止目前,脈沖壓縮比最高可達1/20。由于超聲回波的信噪比與激勵脈寬平方根成正比,因此通過延長脈沖激勵持續時間可以增強信噪比,還可以實現快速、大提離檢測,從而提高EMAT高溫耐受能力。

常見的編碼形式有偽隨機M序列、巴克(Barker)碼、格雷(Golay)碼等相位碼,以及偽線性調頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號、LFM信號和非線性調頻(Non-Linear Frequency Modulation,NLFM)信號。最常用的Barker碼的長度為13位,為了降低旁瓣水平,有必要對碼元信號進行設計。若設計不當將可能導致該碼元信號與EMAT作用后,發生明顯的波形失真和帶寬損失,信噪比和空間分辨率均遭受損失。鑒于此,本研究以提高高溫鍛件平底孔缺陷螺旋線圈電磁超聲檢測回波的信噪比和分辨率為研究目標,建立電磁超聲檢測過程的場路耦合分析有限元模型,通過數值計算和試驗驗證相結合,分析和比較LFM,Barker,LFM+Barker復合調制和調幅線性調頻(Amplitude Modulation Linear Frequency Modulation,AMLFM)+Barker復合調制共4種調制信號的脈沖壓縮技術的應用效果和優缺點。

1 螺旋線圈EMAT檢測過程場路耦合有限元建模

1.1 螺旋線圈EMAT換能機理

基于洛倫茲力的螺旋線圈EMAT換能機理如圖 1所示。在鐵磁性金屬材料中,洛倫茲力機理和磁致伸縮機理同時存在。圓柱形永磁體可以提供z向的靜態偏置磁場,螺旋線圈主要提供r向動態磁場,因此螺旋線圈EMAT以洛倫茲力換能機理為主?；诼鍌惼澚C理的超聲波接收與發射過程互為逆過程,螺旋線圈EMAT檢測過程有限元建模的控制方程見文獻[21-22]。

1.2 EMAT激勵等效電路模型

圖 2為EMAT激勵等效電路模型,主要由3部分構成:脈沖功率放大器、L型阻抗匹配、激勵EMAT線圈等效阻抗。脈沖功率放大器可簡化為阻抗為Zi=Ri+jXi、電壓為U0的電壓源,阻抗匹配網絡為阻抗jXa和jXb的電容和電感組合,激勵EMAT線圈可等效為ZE=RE+jXE。當調換功率放大器和EMAT線圈的位置,對應為阻抗匹配方式Ⅲ,Ⅳ。

選用阻抗匹配方式Ⅰ,Ⅱ且EMAT激勵等效電路滿足共軛匹配條件(阻抗Ri=RE,Xi=-XE)時,對應的阻抗匹配網絡參數Xa,Xb可由下式求得:

(1)

其中:

(2)

式中,Q為阻抗匹配品質因數。

通常情況下,射頻功率放大器部分的阻抗可視為Ri=50 Ω,Xi=0,故由式(2)可得當線圈內阻RE<50 Ω時,Q值才會存在,且此時阻抗匹配方式Ⅰ,Ⅱ分別對應Q值取“+”“-”。當相互對調射頻功率放大器和EMAT的位置且Q值存在時,則Q>0和Q<0時,分別對應阻抗匹配方式Ⅲ和Ⅳ。

(a)阻抗匹配網絡Ⅰ(Q>0),Ⅱ(Q<0)

1.3 場路耦合有限元建模流程

基于復合編碼信號激勵的EMAT檢測過程場路耦合有限元建模流程主要分為兩部分。第一部分是建立EMAT激勵等效電路模型,獲得EMAT的瞬態激勵電流i(t)。以LFM信號為例,其函數表達式為:

(3)

式中,fc為LFM信號的中心頻率;Bw為LFM信號的頻帶寬度;μ為頻率變化斜率,μ=Bw/Pw;Pw為LFM信號的脈沖寬度。

將等效阻抗ZE(f)轉變為時間t的擬合函數:ZE(f)=RE(t)+jXE(t);同時,根據圖2給出的激勵EMAT等效電路模型,由式(1)(2)可計算出不同阻抗匹配方式下的匹配元件參數(Xa和Xb)。采用幅值為U0的線性調頻信號st(t)作為EMAT的激勵電壓代入等效電路模型,即可得到EMAT的瞬態激勵電流i(t)?？梢詫FM,Barker,LFM+Barker復合調制和基于幅度加權的AMLFM+Barker復合調制信號作為EMAT的激勵電壓。

(b)阻抗匹配網絡Ⅲ(Q>0),Ⅳ(Q>0)

第二部分是建立螺旋線圈EMAT的超聲激勵及傳播過程有限元模型,求解超聲波位移信號x(t)。模型輸入信號為第一部分計算獲得的瞬態激勵電流i(t),通過多物理場耦合及超聲振動位移傳播和信號接收的模擬,計算超聲波位移信號x(t)。最后,將瞬態超聲位移信號x(t)與瞬態激勵電流i(t)進行卷積,即可獲得脈沖壓縮信號y(t)。

1.4 螺旋線圈EMAT設計參數及有限元模型

螺旋線圈EMAT設計參數示意圖如圖3所示。其主要由圓柱形永磁體、螺旋線圈、含缺陷的碳鋼試樣等組成,各參數取值如表 1所示。其中,碳鋼試樣下方的ld線為缺陷處超聲位移接收區域,與平底孔半徑一致。

表1 螺旋線圈EMAT設計參數及其取值

圖3 螺旋線圈EMAT設計參數示意

在螺旋線圈EMAT有限元模型中,永磁體及含平底孔缺陷的碳鋼試樣選用映射網格,螺旋線圈及空氣域選用三角形網絡。同時,螺旋線圈導線邊界及碳鋼試樣上邊界的換能區域采用邊界層網絡進行細化。有限元模型中的永磁體、碳鋼試樣、銅導線及銅背板的電磁學參數如下:永磁體、碳鋼試樣、銅導線、銅背板的相對磁導率分別為1.04,100,1.0,1.0,電導率分別為7.14×105,4.03×106,6.00×107,6.00×107S/m。

2 4種編碼信號脈沖壓縮技術在螺旋線圈電磁超聲檢測中的仿真研究

2.1 4種調制信號對應的激勵電流

在激勵EMAT等效模型中,由阻抗匹配方式Ⅰ獲得的阻抗匹配參數,采用幅值為U0的LFM信號激勵時,獲得的4種調制信號激勵電流見圖4。其中,LFM+Barker信號、AMLFM+Barker信號的帶寬與LFM信號帶寬保證一致。

(a)LFM信號

(b)Barker信號

(c)LFM+Barker信號

(d)AMLFM+Barker信號

2.2 4種調制信號的脈沖壓縮效果對比

將瞬態激勵電流i(t)代入建立的螺旋線圈EMAT超聲激勵及傳播過程有限元模型,采用瞬態求解計算可得缺陷處ld拾取的超聲振動位移信號x(t),如圖5所示?？梢钥闯?缺陷處橫波透射波信號與電流激勵信號的波形差異主要是因為螺旋線圈EMAT的聲場特性隨著激勵頻率而變化。

(a)LFM信號

(b)Barker信號

(c)LFM+Barker信號

(d)AMLFM+Barker信號

此外,AMLFM+Barker信號由于子脈沖LFM信號加窗的影響,拾取的缺陷處超聲位移信號幅值明顯小于其他三者。

將計算獲得的缺陷處瞬態超聲位移信號x(t)與瞬態激勵電流i(t)進行卷積即可獲得脈沖壓縮信號y(t),不同調制信號激勵時匹配濾波器輸出的脈壓信號如圖 6所示?？梢钥闯?采用LFM+Barker信號或AMLFM+Barker信號激勵時獲得的脈壓信號的主瓣和旁瓣形狀與Barker信號激勵的脈壓信號形狀一致,均為主瓣兩側均勻分布著6個旁瓣。此時,脈壓信號主瓣幅值大小為:Barker(1.92×10-17m)> LFM+Barker(1.50×10-17m)> LFM(1.44×10-17m)>AMLFM+Barker(0.58×10-17m)。取缺陷處脈壓信號的上包絡曲線,分別進行歸一化,由-6 dB法獲得的主瓣寬度大小為:Barker(2.83 μs)>LFM+Barker(2.62 μs)>AMLFM+Barker(2.15 μs)>LFM(1.82 μs)。

(a)LFM信號 (b)Barker信號

(c)LFM+Barker信號

3 試驗驗證

3.1 試驗系統

鍛件螺旋線圈EMAT檢測試驗系統如圖7所示。試驗采用的4種調制信號可由任意信號發生器AFG-2022B產生,經RITEC-4000功率放大器進行功率放大,輸出信號經阻抗匹配作用于EMAT上。接收到的微弱超聲回波信號經過帶通濾波器和前置放大器完成濾波放大功能,再經過數據采集卡完成模數轉換,最終數據在安裝有LabVIEW軟件界面完成存儲與分析。

圖7 鍛件螺旋線圈EMAT檢測試驗系統

圖8 高溫鍛件與螺旋線圈EMAT探頭

(d)AMLFM+Barker信號

高溫鍛件與螺旋線圈EMAT探頭如圖 8所示。激勵信號分別選用中心頻率1.6 MHz的LFM信號、Barker信號、LFM+Barker信號及AMLFM+Barker信號,選用的調制信號時寬統一設置為32.5 μs。高溫鍛件的長、寬、高分別為160,160,100 mm,底面預制有直徑?8 mm平底孔缺陷,埋深為80 mm。

3.2 高溫檢測結果分析

選用中心頻率1.6 MHz的LFM信號、Barker信號、LFM+Barker復合調制信號及AMLFM+Barker復合調制信號作為激勵信號,獲得650 ℃高溫鍛件內部缺陷對應的超聲回波信號如圖 9所示。當高溫鍛件溫度為650 ℃,4種調制信號對應的缺陷波信噪比分別為15.8,17.9,16.1,17.7 dB。

表2列出450～650 ℃高溫鍛件的缺陷波的信噪比?？梢钥闯?4種調制信號激勵時獲得的缺陷波信噪比隨溫度非線性變化,大致呈現先緩慢增加、再降低的趨勢。在LFM,Barker,LFM+Barker,AMLFM+Barker這4種調制信號中,LFM調制信號對應的信噪比總體較差;Barker和LFM+Barker兩種調制信號對應的信噪比大體接近;AMLFM+Barker調制信號在鍛件溫度≤550 ℃時,保持較高的信噪比,但當鍛件溫度>550 ℃時,信噪比下降明顯。

表2 4種調制信號對應的缺陷波信噪比

(a)LFM信號 (b)Barker信號

(c)LFM+Barker信號

表3列出450～650 ℃高溫鍛件的缺陷波主瓣寬度?？梢钥闯?LFM+Barker信號激勵時獲得的缺陷波主瓣寬度最小,其均值約為2.0 μs,空間分辨率最高;AMLFM+Barker信號由于子脈沖(LFM信號)加窗的影響,故主瓣寬度有所增加;Barker信號激勵獲得的缺陷波主瓣寬度均值約3.50 μs,其空間分辨率最差,這與仿真結果相一致。除LFM調制信號以外,Barker,LFM+Barker,AMLFM+Barker三種調制信號對應的信噪比區別不大,關鍵的區別在于LFM+Barker調制信號對應主瓣寬度總體上最小,因此基于LFM+Barker復合調制信號的脈沖壓縮技術兼具高主瓣信噪比和高空間分辨率的優點。與傳統單脈沖激勵方式相比,將脈沖壓縮技術應用于高溫鍛件平底孔檢測,可以顯著提高信噪比和空間分辨率。提高信噪比有利于增強缺陷檢測靈敏度。減小主瓣寬度有利于提高缺陷檢測分辨率,也就對應著相鄰多個缺陷或缺陷與底面距離較近時的空間分辨能力。

表3 4種調制信號對應的缺陷波主瓣寬度

4 結論

(1)針對脈沖壓縮技術應用于電磁超聲檢測時,檢測系統頻譜特性與復合編碼信號帶寬不匹配,導致脈沖壓縮效果下降的問題,通過數值仿真和試驗驗證相結合,分析和比較了LFM,Barker,LFM+Barker復合調制和基于幅度加權的AMLFM+Barker復合調制共4種調制信號的脈沖壓縮技術的應用效果和優缺點。

(2)本研究通過仿真分析和試驗驗證發現:LFM+Barker復合調制脈沖壓縮技術兼具高信噪比和高分辨率的優點,將該技術應用于高溫環境下鑄鍛件超聲檢測,有助于進一步提高小缺陷的檢測能力和缺陷檢測的分辨率。