脈沖渦流金屬厚度檢測(cè)信號(hào)及其特征提取

周德強(qiáng) 李 勇 張秋菊 尤麗華

1.江南大學(xué)，無(wú)錫，214122 2.無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司，無(wú)錫，214024 3.西安交通大學(xué)，西安，710049

0 引言

脈沖渦流檢測(cè)方法是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［1－3］。傳統(tǒng)的電渦流檢測(cè)將正弦電流作為激勵(lì)，而脈沖渦流的激勵(lì)電流為具有一定占空比的方波，因此，具有頻域?qū)?、信?hào)穿透能力強(qiáng)、精確度高以及無(wú)接觸、檢測(cè)成本低、對(duì)人身無(wú)害、對(duì)環(huán)境無(wú)污染及檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可準(zhǔn)確測(cè)量出距離和厚度［4］。脈沖渦流厚度檢測(cè)的關(guān)鍵工作是脈沖渦流信號(hào)特征的提取。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)作為一種時(shí)域分析方法，包含有豐富的頻譜信息。在脈沖渦流缺陷檢測(cè)中，常采用峰值、峰值時(shí)間、上升時(shí)間三個(gè)特征量對(duì)缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)與分類(lèi)識(shí)別［5－7］。文獻(xiàn)［8－9］采用脈沖渦流時(shí)域信號(hào)峰值、過(guò)零時(shí)間、上升時(shí)間等特征量實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷的定量檢測(cè)與分類(lèi)識(shí)別，并在頻域里對(duì)脈沖渦流信號(hào)展開(kāi)了研究，主要研究對(duì)象為缺陷的分類(lèi)識(shí)別。文獻(xiàn)［10］對(duì)脈沖渦流缺陷信號(hào)進(jìn)行了頻域特征提取，研究了各次諧波分量的頻譜幅值，提出基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測(cè)深層缺陷的結(jié)論。Park等［11］提出了功率譜幅度特征量，并證實(shí)了該特征量在厚度檢測(cè)的可行性。本文的主要工作是采用脈沖渦流檢測(cè)裝置在鋁合金板上進(jìn)行厚度實(shí)驗(yàn)，針對(duì)目前脈沖渦流信號(hào)所提取的信號(hào)特征進(jìn)行了靈敏度與線性度分析，給出了最合適的特征值。

1 脈沖渦流厚度檢測(cè)裝置

1.1 脈沖渦流厚度檢測(cè)原理

脈沖渦流將一個(gè)重復(fù)的脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后加載在激勵(lì)線圈兩端，激勵(lì)線圈就會(huì)產(chǎn)生脈沖電流。激勵(lì)線圈中的脈沖電流感生出一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流（脈沖渦流）。此脈沖渦流向?qū)w試件內(nèi)部傳播，又會(huì)感應(yīng)出一個(gè)快速衰減的渦流磁場(chǎng)，隨著渦流磁場(chǎng)的衰減，檢測(cè)線圈上就會(huì)感應(yīng)出隨時(shí)間變化的電壓。當(dāng)被測(cè)試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，該變化勢(shì)必對(duì)渦流分布產(chǎn)生影響，從而影響到磁場(chǎng)分布，檢測(cè)線圈或霍爾傳感器就會(huì)檢測(cè)到感應(yīng)出的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)包含很重要的材質(zhì)信息。所以通過(guò)測(cè)量瞬態(tài)電壓信號(hào)，就可以得到有關(guān)試件的厚度、尺寸、類(lèi)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息。

1.2 試驗(yàn)裝置

脈沖渦流厚度檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由探頭（激勵(lì)線圈和檢測(cè)傳感器）、TRECSCAN系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集卡組成。激勵(lì)信號(hào)由MATLAB產(chǎn)生并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡NI PCI－6255轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出信號(hào)。電壓輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)TRECSCAN系統(tǒng)輸出激勵(lì)電流，激勵(lì)信號(hào)的復(fù)頻率為200Hz，占空比為50%，時(shí)間常數(shù)為100μs。TRECSAN系統(tǒng)的輸出激勵(lì)電流兩端與激勵(lì)線圈兩端相接。激勵(lì)線圈采用圓柱形磁芯。脈沖渦流探頭內(nèi)徑為10mm，外徑為20mm，由線徑0.31mm的漆包線繞制而成（共繞了500匝）。檢測(cè)傳感器采用霍爾傳感器UGN3503，霍爾傳感器位于激勵(lì)線圈的底部中心，用來(lái)對(duì)受缺損擾動(dòng)而產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)的垂直分量進(jìn)行檢測(cè)?；魻杺鞲衅餍盘?hào)經(jīng)過(guò)TRECSACN系統(tǒng)放大，并被數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率設(shè)置為500kHz。實(shí)驗(yàn)將階梯狀鋁合金作為試塊材料，試驗(yàn)試塊厚度為10mm，長(zhǎng)度為400mm，寬度為30mm，如圖2所示。

圖1 脈沖渦流厚度檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 試塊示意圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 時(shí)域信號(hào)特征提取

脈沖渦流信號(hào)分析主要在時(shí)域中進(jìn)行。在脈沖渦流缺陷檢測(cè)中，通常采用脈沖渦流差分信號(hào)進(jìn)行信號(hào)特征的提取。脈沖渦流差分信號(hào)為有缺陷的脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)與無(wú)缺陷的脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的差值。所提取的特征主要為脈沖渦流差分信號(hào)的峰值、峰值時(shí)間等。在脈沖渦流厚度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)采用脈沖渦流厚度檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)，數(shù)據(jù)處理工作主要是對(duì)該脈沖渦流厚度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行特征提取，圖3所示為1mm厚的鋁合金脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)。圖4所示為本文所提取的峰值特征結(jié)果。從圖4可以看出，脈沖渦流信號(hào)峰值特征隨著鋁合金厚度的增加而減小。根據(jù)脈沖渦流檢測(cè)原理可得

式中，Jeddy（z）為距離試件表面z處的渦流密度；z為渦流滲透深度；J0為試件表面的渦流密度；ω為激勵(lì)角頻率，ω＝2πf；f為激勵(lì)脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率；σ為被測(cè)導(dǎo)體電導(dǎo)率；μ為被測(cè)導(dǎo)體磁導(dǎo)率。

圖3 脈沖渦流1mm厚鋁合金響應(yīng)信號(hào)

圖4 峰值與金屬厚度的關(guān)系

由式（1）可知，被測(cè)導(dǎo)體中感應(yīng)的渦流密度隨著金屬厚度的加大而呈指數(shù)下降。霍爾傳感器所測(cè)量的磁場(chǎng)由激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)與渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)組成。因此，脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的峰值特征隨著金屬厚度的增加而減小。然而，在脈沖渦流檢測(cè)金屬厚度為2mm處，時(shí)域噪聲影響了檢測(cè)結(jié)果。

2.2 頻域特征提取

脈沖渦流將一個(gè)重復(fù)的寬帶脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)公式，一個(gè)脈沖信號(hào)可以展開(kāi)成含有基波和許多諧波成分的組合：

式中，A、ω0、t分別為激勵(lì)脈沖信號(hào)的幅值、角頻率和時(shí)間。

根據(jù)式（1）、式（2）可知，激勵(lì)信號(hào)中的不同頻率成分引起的渦流滲透深度不同。筆者對(duì)脈沖渦流缺陷信號(hào)進(jìn)行了頻域特征提取技術(shù)的研究，研究了各個(gè)諧波分量的頻譜幅值，提出脈沖渦流差分信號(hào)基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測(cè)深層缺陷的結(jié)論。本文采用快速傅里葉變換對(duì)脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析。圖5所示為1mm厚度的脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的快速傅里葉變換，從圖5以看出，脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的頻譜信號(hào)非常豐富。根據(jù)以前研究結(jié)果［10］，基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測(cè)深層缺陷，為此，本文提取了基頻分量的頻譜幅值。從圖6可以看出，基頻分量的頻譜幅值隨著金屬厚度的增加而減小，當(dāng)金屬厚度增加到9mm時(shí)，基頻分量的頻譜幅值近似保持常值，這與渦流滲透原理相一致。比較圖4與圖6可知，基頻分量的頻譜幅值與時(shí)域峰值均顯示出隨著金屬厚度的增加而減小的趨勢(shì)。然而，基頻分量的頻譜幅值能夠有效消除噪聲信號(hào)的影響。

圖5 脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的FFT變換

圖6 頻譜幅值與金屬厚度的關(guān)系

2.3 功率譜幅值特征提取

文獻(xiàn)［12］通過(guò)對(duì)激勵(lì)脈沖的頻譜分析，解釋了激勵(lì)脈沖在不同頻段的能量分布，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)激勵(lì)脈沖的能量與脈沖渦流的滲透深度密切相關(guān)。功率譜幅值作為一種新型脈沖渦流信號(hào)提取方法，不同于以上時(shí)域峰值與頻譜幅值在脈沖渦流厚度檢測(cè)中應(yīng)用，可以提高脈沖渦流厚度檢測(cè)的可靠性。Park等［11］提出了功率譜幅值特征量，指出脈沖渦流信號(hào)能量與金屬厚度相關(guān)，并證實(shí)該特征量在厚度檢測(cè)的可行性。本文采用該方法提取了脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的功率譜幅值并將其作為特征值。從圖7可以看出，功率譜幅值隨著金屬厚度的增加而減小，其變化趨勢(shì)與基頻分量的頻譜幅值相同，功率譜幅值也能有效消除噪聲信號(hào)的影響。

2.4 特征值歸一化分析

圖7 功率譜幅值與金屬厚度的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析與比較上述特征值對(duì)金屬厚度變化的靈敏度與線性度，選擇最合適的脈沖渦流厚度響應(yīng)信號(hào)的特征值。本文對(duì)提取的3個(gè)特征值（脈沖渦流厚度響應(yīng)信號(hào)的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值）進(jìn)行了歸一化處理。從圖8可以看出，功率譜幅值在3個(gè)特征值中對(duì)厚度變化的靈敏度最高，其次是頻譜幅值。從特征值與金屬厚度的線性度上分析，可以看出功率譜幅值在金屬厚度為1mm到7mm時(shí)線性度良好。功率譜幅值比頻譜幅值靈敏度高，這是因?yàn)楣β首V幅值與頻譜幅值滿(mǎn)足如下關(guān)系：

式中，Sf（ω）、F（ω）、N分別為脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的功率譜幅值、頻譜幅值和采樣點(diǎn)數(shù)。

圖8 歸一化特征值

根據(jù)式（3）可以得出，功率譜幅值與頻譜幅值都能表示脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)。然而，脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的功率譜幅值為脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)頻譜幅值的平方，有利于突出脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的高幅值成分。因此，功率譜幅值在脈沖渦流金屬厚度檢測(cè)中最有效。

3 結(jié)論

（1）脈沖渦流厚度響應(yīng)信號(hào)的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值均隨著金屬厚度的增加而減小，但時(shí)域峰值易受噪聲影響。

（2）比較脈沖渦流厚度響應(yīng)信號(hào)的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值的靈敏度與線性度可知，功率譜幅值在脈沖渦流厚度檢測(cè)中靈敏度最高，在金屬厚度為1mm到7mm線性度良好。

［1］楊賓峰，張輝，趙玉峰，等.基于新型脈沖渦流傳感器的裂紋定量檢測(cè)技術(shù)［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，12（1）：73－77.

［2］鄭崗，趙亮.金屬厚度的脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（4）：35－40.

［3］Sophian Ali，Tian Guiyun，Taylor D，et al.A Feature Extraction Technique Based on Principal Component Analysis for Pulsed Eddy Current NDT［J］.NDT ＆ E International，2003，36（1）：37－41.

［4］Tian G Y，Sophian A，Taylor D，et al.Multiple Sensors on Pulsed Eddy－current Detection for 3－D Subsurface Crack Assessment［J］.Sensors Journal，2005，5（1）：90－96.

［5］Lebrun B，Jayet Y，Baboux J C.Pulsed Eddy Current Application to the Detection of Deep Cracks［J］.Materials Evaluation，1995，53（11）：1296－1300.

［6］Bieber J A，Shaligram S K，Rose J H，et al.Timegating of Pulsed Eddy Current Signals for Defect Characterization and Discrimination in Aircraft Lap－joints［J］.Review of Progress in QNDE，1997，16B：1915－1921.

［7］Smith R A，Hugo G R.Deep Corrosion and Crack Detection in Aging Aircraft Using Transient Eddy Current NDE［J］.Review of Progress in QNDE，1999，19：1401－1408.

［8］楊賓峰，羅飛路，張玉華，等.飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)中裂紋的定量檢測(cè)及分類(lèi)識(shí)別［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（2）：63－67.

［9］He Yunze，Pan Mengchun，Luo Feilu，et al.Pulsed Eddy Current Imaging and Frequency Spectrum Analysis for Hidden Defect Nondestructive Testing and Evaluation［J］.NDT ＆ E International，2011，44（4）：344－352.

［10］周德強(qiáng)，田貴云，尤麗華，等.基于頻譜分析的脈沖渦流缺陷檢測(cè)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（9）：1948－1953.

［11］Park D G，Angani C S，Kim G D.Evaluation of Pulsed Eddy Current Response and Detection of the Thickness Variation in the Stainless Steel［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2009，45（10）：3893－3896.

［12］Plotnikov Y A，Nath S C，Rose C W.Defect Characterization in Multi－layered Conductive Components with Pulsed Eddy Current［J］.Review of Progress in QNDE，2002，21A：1976－1983.