Characterization of defects by eddy current image constructions

Dario Jerónimo Loureiro Pasadas

Key information

Authors:

Dario Jerónimo Loureiro Pasadas (Dario Jerónimo Loureiro Pasadas)

Supervisors:

Artur Fernando Delgado Lopes Ribeiro (Artur Fernando Delgado Lopes Ribeiro); Helena Maria dos Santos Geirinhas Ramos (Helena Maria Dos Santos Geirinhas Ramos)

Published in

05/08/2017

Abstract

Os ensaios não destrutivos representam um conjunto amplo de técnicas que são muito utilizadas para a inspecção da integridade dos materiais, potencialmente defeituosos/danificados, sem lhes causar qualquer dano. Estas técnicas servem para obter informações sobre a presença/ausência, tamanho e localização de defeitos nos materiais inspeccionados. Os ensaios não destrutivos são normalmente realizados por uma pessoa qualificada. Seja qual for o método utilizado, o modo de visualização dos resultados é muito importante para fazer um bom julgamento do estado do material. Nalguns casos, a detecção de um defeito é suficiente para avaliar o estado do material e solicitar a substituição do material danificado. Nos restantes casos, a avaliação das características dos defeitos é necessária de modo a determinar a longevidade do material. A avaliação do estado do material com defeitos continua a ser um problema bastante complexo, e por isso, novos métodos de avaliação continuam a ser investigados para melhorar a caracterização actual dos defeitos. O trabalho apresentado nesta tese associa várias áreas de conhecimento, abrangendo o electromagnetismo, a electrónica, o processamento de sinal, os métodos de inversão e de reconstrução de imagem para avaliar fissuras em materiais condutores não-ferromagnéticos. Os ensaios foram realizados em placas de alumínio e tubos de aço inoxidável. Na avaliação de defeitos em placas de alumínio, o fenómeno electromagnético envolvido é baseado na indução de correntes de Foucault no material em teste, explorando a invariância do campo primário aplicado para pequenas translações espaciais. Simulações e ensaios experimentais foram realizados para investigar a resposta do campo magnético na proximidade de uma estrutura metálica assim como, as correntes de Foucault induzidas no material. Foram investigadas novas sondas com bobinas planares e sensores magnéticos a fim de melhorar a medição do campo magnético perturbado na proximidade de uma fissura. A arquitectura das bobinas planares foi especialmente desenhada para criar um campo magnético uniforme em torno de um sensor magnético posicionado no centro da região uniforme. Os sensores utilizados neste trabalho para a medição do campo magnético foram as magneto-resistências gigantes e as magneto-resistências anisotrópicas. Estes sensores foram escolhidos por possuírem uma alta sensibilidade à variação de campo magnético que não depende da frequência. As perturbações ocorridas no campo magnético medido na proximidade de uma fissura foram utilizadas como ponto de partida da investigação apresentada nesta tese. O sistema de medida, a electrónica implementada e os métodos de processamento de sinal implementados para a realização dos testes experimentais estão explicados em detalhe neste documento. Foram realizadas simulações e testes experimentais para a determinação das profundidades das fissuras a partir da medição do campo magnético perturbado aplicando uma campo de excitação com distribuição uniforme. Para a caracterização da forma geométrica da fissura, foi resolvido o problema de inversão do campo magnético medido, de forma a determinar a configuração espacial das linhas de corrente no material. A transformação de Fourier discreta, assim como as regularizações por Tikhonov e por variação total foram usadas para ajudar na resolução do problema inverso. O desempenho dos dois métodos de regularização foi comparado. Devido às exigências dos métodos de regularização necessários no processo de inversão, a escolha apropriada do parâmetro de regularização foi necessário para obter uma solução estável nos dados reconstruídos. Dois métodos foram implementados para estimar automaticamente o valor do parâmetro de regularização. A avaliação da caracterização da forma geométrica dos defeitos a partir dos dados reconstruidos foi demonstrada. Uma sonda optimizada foi construída para induzir correntes uniformes com diferentes orientações sobre a superfície metálica sem rodar a sonda durante o teste, a fim de melhorar a caracterização da forma geométrica das fissuras mais complexas. Por fim, foram realizadas simulações e testes experimentais em tubos de aço inoxidável. Nesse caso, o método de ensaio de corrente de Foucault de campo remoto foi utilizado para realizar os ensaios. Este método é baseado no acoplamento indirecto existente na parede do tubo que permite a difusão do campo com a mesma intensidade tanto na parede de dentro como na parede de fora do tubo. Duas sondas foram construídas para testar o desempenho das magneto-resistências gigantes e das magneto-resistências anisotrópicas na detecção de defeitos longitudinais e transversais em tubos. Os resultados obtidos são apresentados e os desempenhos das duas sondas são comparados. Non-destructive testing (NDT) and evaluation (NDE) techniques are often employed for the inspection and evaluation of the material condition without impairing its future usefulness. The main purpose of this kind of technique is to provide information about the presence/absence, size and location of cracks in the inspected specimen. The tests are usually performed by skilled personnel. Whatever the method is used, the data presentations are very important to make a good judgement of the material state. Sometimes the detection of a crack is enough to substitute the material. In other cases, defect characterizations are required to evaluate the defect state to decide if the material must be substituted or not. The defect characterization is not easy to obtain, hence, defect features evaluation methods are still in investigation. The work presented in this thesis combines several areas of knowledge, including electromagnetism, electronics, signal processing, inverse problems and image reconstruction methods to evaluate cracks in non-ferromagnetic conductive materials. The tests were performed in aluminium plates and stainless still tubes. In the evaluation of cracks on aluminium plates, the involved electromagnetic phenomenon is based on the induction of eddy currents in metallic specimens, exploring the invariance of the primary excitation field for small spatial translations. Simulation and experimental tests were performed to investigate the magnetic field response and the eddy currents paths in the proximity of a metallic structure. New eddy current probes with planar coils and magnetic sensors were explored with the aim of improving the measurement of the perturbed magnetic field in the proximity of cracks. The planar coils architectures were designed to provide the uniform magnetic field in the magnetic sensor surroundings. The sensors used to measure the magnetic field were giant magneto-resistors (GMR)’s and anisotropic magneto-resistors (AMR)’s with high sensitivity to the magnetic field perturbations and wide frequency bandwidth response. The perturbations occurring in the measured magnetic field in the vicinity of a crack were used as the starting point of the investigation presented in this work. The setups, the implemented electronics, and the implemented signal processing methods that were used to perform the experimental tests are explained in detail. The determination of surface and subsurface crack’s depths applying a uniform magnetic field distribution was studied. The work contains several simulation and experimental results which illustrate our main ideas. For the characterization of the cracks shape, an inversion problem algorithm was implemented to the measured magnetic field to obtain the path of the eddy currents surrounding the defect that provide relevant information about the defect geometry. The main idea was the achievement of the geometric profile of cracks using the path of eddy currents surrounding the crack, when the sinusoidal excitation field with uniform magnetic field distribution was applied. Discrete Fourier Transform (DFT), Tikhonov and Total Variation (TV) regularizations were used to help in the application of the inverse problem solution. For our implemented inverse problem solution, the performance of the Tikhonov and Total variation regularizations were compared. The choice of an adequate regularization parameter value was required in order to obtain a stable solution in the reconstructed data. Two methods were applied and compared to estimate automatically the regularization parameter value. The feasibility of the implemented inverse problem solution in the evaluation of geometric defect characterization was demonstrated. An optimized probe was constructed to induce uniform currents with different orientations on the metallic surface without rotating the probe during the scan in order to improve the characterization of cracks with arbitrary geometric profiles. Finally, simulations and experimental results were performed for the detection of cracks in stainless steel tubes. In that case, the remote field eddy current testing method was used to perform the tube tests. This method is based on the through-wall indirect coupling that allows the diffusion of the field both inside and outside the tube. Two remote field eddy current probes were built to compare detection and characterization capabilities in standard defects like longitudinal and transverse defects. The performance of GMR and AMR sensors for remote field eddy current testing in stainless steel tubes was compared.