Μελέτη διεγέρσεων στη χρήση μαγνητομέτρου SQUID με εφαρμογή σε μη καταστροφικούς ελέγχους

Abstract

The aim of this doctoral thesis is to study and examine the feasibility of magnetic field sensors and especially SQUID. Our goal is to evaluate the SQUID performance and compare it with other sensors (Hall) in detecting surface and sub-surface cracks in aluminum samples which are used in aerospace industry.As an overview: (i) we present theoretical and experimental investigation of excitations taking into account the frequency, the dimensions and excitation the coil shape, (ii) we provide quantitative magnetic field measurements in configurations involving aluminum plates, cracks and holes that simulate the inspection of fasteners in aircraft structures, (iii) we carry out reliable inspections of surface and subsurface discontinuities, (iv) we study an alternative portable eddy current instrument, based on the lock-in amplifier technique, able to adapt to every common magnetic field sensor in order to inspect a wide range of applications with eddy current technique and (v) we provide reference data for eddy current benchmark measurements. More specifically:In the second chapter, we mention the main characteristics of magnetic sensors, their applications, and their sensitivity. We mainly focus on SQUID magnetometer which is the basic magnetic sensor in our study.In the third chapter, we present the eddy current method which seems to be suitable for the detection of fastener hole defects. Conventional eddy current techniques can only locate defects up to a certain depth under the surface. In order to detect deep flaws in conductive materials, low excitation frequencies are required to achieve a sufficient penetration depth. Since the sensitivity of normal pick up coils is proportional to the excitation frequency, standard eddy current techniques are sometimes insufficient for subsurface flaw detection. In such cases it is advantageous to measure directly the magnetic field rather than its time rate of change (coil impedance change). Among the available magnetic field sensors, the Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) is by far the most sensitive, thus making it ideal for the measurement of weak magnetic field perturbations resulting from deep lying defects.In the fourth chapter, regarding modeling of our specific problem, we use the eddy current simulation module of CIVA software (which is based on semi-analytical186calculations). CIVA permits access to advanced sensors such as coils with various shapes, magnetic field sensors, as well as multi-element probes. The advantage of the CIVA solution method is the need to mesh/discretize only the defect area (in our case the hole and crack) and not the whole solution domain. Results are displayed with C-scan colored charts or conventional curves in the complex plane (real and imaginary parts of the signals). The experimental verification of numerical results verifies the reliability of CIVA computational model.In the fifth chapter, we present the complete measuring unit for experimental investigations with SQUID sensor. We analyze the SQUID magnetometers (single and double) which are integrated to a scanning unit, the aluminum plates that are investigated, the necessity of using “double-D” excitation coil, the scanning system which consists of a XY stage comprising two computer driven step motors and the total electronic layout. The analysis of the experimental layout is important since it is used in the next chapters for the experiments.In the sixth chapter, in order to optimize our experiments, we study various excitations with CIVA simulation model. Several types of excitation coils have been modeled in order to investigate the SQUID behavior in locating small but deep flaws in aluminum structures. Both theoretical simulations and experimental measurements are performed and useful conclusions are drawn regarding the excitation frequency as well as the coil shape and orientation. In this chapter, we perform measurements in our laboratory for a simplified version of the bolthole configuration, i.e. a borehole and a crack in a two plate system with the excitation coil and SQUID moving freely above the planar surface.In the seventh chapter, we present an alternative portable eddy current instrument, based on the lock-in amplifier technique, able to adapt to every common magnetic field sensor like Hall, GMR, fluxgate and of course SQUID. The main advantages of the proposed instrument, besides portability, are modularity, flexibility, rigidity, and user configurability thanks to its open code programming. The functionality of the modular instrument is tested on aluminum samples with surface and subsurface notches using Hall and SQUID sensors and its performance is compared to a standard commercial eddy current instrument. Moreover, the standard commercial eddy current instrument is compared with LCR meter on aluminum samples in order to investigate and compare the behavior of a commercial instrument with laboratory instruments with high accuracy. In this chapter we also carry out measurements to provide reference data for eddy current testing configurations involving Hall sensor as receiver, as they present some advantages in terms of resolution and sensitivity propose a solution to the 2014 eddy current testing benchmark (WFNDEC). Finally, we complete our study with measurements on a real aluminum sample (which is used in aerospace industry) in order to study how a fastener influences the signal of a crack adjacent to a fastener hole.

Το αντικείμενο της διατριβής είναι η Μελέτη διεγέρσεων στη χρήση μαγνητομέτρου SQUID με εφαρμογή σε Μη Καταστροφικούς Ελέγχους. O βασικός στόχος της διατριβής είναι η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση του μαγνητομέτρου SQUID με στόχο την αξιολόγηση της συμπεριφοράς του σε σχέση με τον εντοπισμό σφαλμάτων σε μεταλλικά δοκίμια παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται στην αεροπορική βιομηχανία (εφαρμογή ΜΚΕ). Στη διατριβή παρουσιάζονται οι γενικές εφαρμογές του μαγνητομέτρου SQUID και εστιάζεται η χρήση του στους Μη Καταστροφικούς Ελέγχους. Στο πρώτο μέρος της έρευνας παρουσιάζονται και αναλύονται οι πιο διαδεδομένοι μαγνητικοί αισθητήρες καθώς ο αισθητήρας SQUID ανήκει στην κατηγορία αυτή. Στον αισθητήρα SQUID η περιγραφή είναι πιο λεπτομερής σε σχέση με τους υπόλοιπους καθώς αποτελεί το βασικό αντικείμενο μελέτης και επομένως είναι σημαντικό να αναλυθεί η αρχή λειτουργίας του, τα βασικά χαρακτηριστικά και οι ιδιαιτερότητες του που τον καθιστούν τον πιο ευαίσθητο ανιχνευτή μαγνητικού πεδίου. Επίσης, επισημαίνεται η σημασία της μεθόδου των δινορρευμάτων στον έλεγχο αγώγιμων δοκιμίων αλλά και το μειονέκτημα των συμβατικών τεχνικών της καθώς λόγω του επιδερμικού φαινομένου χάνουν την ευαισθησία τους με τη μείωση της συχνότητας. Επίσης αναφέρονται οι πολλές εφαρμογές της μεθόδου δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στον έλεγχο αεροσκαφών διότι αυτή η μελέτη ερευνά προβλήματα που συναντώνται στις αεροπορικές δομές και ο έλεγχος αυτός απαιτεί χαμηλές συχνότητες. Το SQUID υπερέχει στην ανίχνευση τέτοιων δομών λόγω της διατήρησης της υψηλής του ευαισθησίας ακόμη και στις πολύ χαμηλές συχνότητες για τον εντοπισμό υπό-επιφανειακών ασυνεχειών. Επιπλέον, αναλύεται η επιλογή του λογισμικού προσομοίωσης CIVA το οποίο ήταν ιδανικό για την ανίχνευση επίπεδων πλακών αλουμινίου με οπή ή με οπή και ρωγμή όπως συναντώνται στους ήλους συναρμογής των αεροσκαφών. Με το λογισμικό διερευνήθηκε η επίδραση πολλών παραμέτρων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου και είναι τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του πηνίου, η απόσταση του πηνίου από το δοκίμιο, οι διαστάσεις του δοκιμίου, η συχνότητα του πηνίου διέγερσης και η τιμή της έντασης του ρεύματος. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση επαληθεύτηκαν στη συνέχεια από τα πειραματικά δεδομένα επιβεβαιώνοντας την αξιοπιστία του λογισμικού πακέτου CIVA.Στο δεύτερο κομμάτι της έρευνας περιγράφεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων με το SQUID και στη συνέχεια περιγράφονται τα εργαστηριακά πειράματα σε συνδυασμό με τις προσομοιώσεις που προηγήθηκαν ώστε να διασφαλιστούν οι βέλτιστες συνθήκες διεξαγωγής πειραμάτων. Έγινε λεπτομερής μελέτη διεγέρσεων τόσο θεωρητικά στο λογισμικό προσομοίωσης CIVA όσο και πειραματικά στο εργαστήριο. Πραγματοποιήθηκε διερεύνηση για τις διαστάσεις και τα σχήματα του πηνίου ώστε να επιλεγεί και να κατασκευαστεί στη συνέχεια το βέλτιστο πηνίο για τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Επίσης έγιναν πολλές προσομοιώσεις για τον εντοπισμό βέλτιστης συχνότητας σε μια σειρά περιπτώσεων (υπό-επιφανειακές, διαμπερείς και επιφανειακές ρωγμές, ρωγμές σε πολυστρωματικές δομές, ρωγμές με διαφορετική τοποθέτηση δίπλα στην οπή, ρωγμές με διαφορετικό μέγεθος, κ..α.). Η μελέτη των διεγέρσεων οδήγησε σε πολύ σημαντικά συμπεράσματα καθώς μέσα από τα αποτελέσματα των παραπάνω προσομοιώσεων διερευνήθηκε και αξιολογήθηκε η συμπεριφορά του SQUID στην ανίχνευση ρωγμών.Τα εργαστηριακά πειράματα συνεχίζονται με το μαγνητικό αισθητήρα Hall καθώς συγκρίνεται ένα βιομηχανικό όργανο δινορρευμάτων με ένα αρθρωτό όργανο PXI. Στο εργαστήριο αναπτύχθηκε σε περιβάλλον της γραφικής γλώσσας προγραμματισμού Labview η εφαρμογή του λογισμικού που ελέγχει το αρθρωτό όργανο. Έγινε σύγκριση της διακριτικής ικανότητας, της ταχύτητας σάρωσης και της ευαισθησίας των δύο οργάνων. Στη συνέχεια στο αρθρωτό όργανο προσαρμόστηκε το μαγνητόμετρο SQUID τονίζοντας το πλεονέκτημα της προσαρμοστικότητας των αρθρωτών οργάνων να δέχονται οποιοδήποτε μαγνητικό αισθητήρα. Έπειτα, το βιομηχανικό όργανο συγκρίνεται και με όργανο ακριβείας (LCR meter) πάνω στις πρότυπες πλάκες αλουμινίου για να υπάρχει μια ολοκληρωμένη εικόνα για την συμπεριφορά ενός βιομηχανικού οργάνου σε σχέση με τα όργανα ακριβείας που χρησιμοποιούνται κυρίως για ερευνητικούς σκοπούς. Τα πειράματα συνεχίζονται με μετρήσεις ακριβείας (Benchmark 2014) σε πρότυπες πλάκες αλουμινίου με σύστημα μέτρησης που αποτελείται από τον μαγνητικό αισθητήρα Hall τοποθετημένο μέσα σε κυλινδρικό πηνίο. Ο αισθητήρας αυτός έχει πολύ μικρότερο εύρος ευαισθησίας σε σχέση με το SQUID αλλά σε συνδυασμό με κατάλληλη διάταξη μελετάται η συμπεριφορά του για αξιόπιστα αποτελέσματα σε διάφορες περιπτώσεις που διερευνούμε όπως πλάκα με διαμπερή ρωγμή ή πλάκα με υπό-επιφανειακή ρωγμή μεγάλου σχετικά βάθους. Οι εργαστηριακές αυτές μετρήσεις συγκρίνονται με τα θεωρητικά αποτελέσματα που προέκυψαν από το CIVA και διεξάγονται κρίσιμα συμπεράσματα. Τέλος, τα πειράματα ολοκληρώνονται με μετρήσεις σε δοκίμιο αναφοράς (Reference Standard A310) που χρησιμοποιείται για τους ελέγχους που πραγματοποιούνται στην αεροπορική βιομηχανία και έχουν σαν στόχο να διερευνηθεί η επίδραση που έχει ο ήλος συναρμογής (πιρτσίνι) στο σήμα των ρωγμών.