雙頻交流電磁場提離抑制算法

趙建超，李 偉，袁新安，趙建明，蔣維宇，尚亞期，邵鑫宇，劉 杰

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，青島 266580；2.中國核動力研究設計院，成都 610213)

圖1 交流電磁場檢測技術原理示意

渦流檢測技術的激勵頻率較高，傳統阻抗分析方法很容易受到結構表面鉚釘等提離因素的干擾，造成缺陷的誤判和漏檢。交流電磁場檢測技術是一種新興的電磁無損檢測技術，是目前結構表面缺陷的有效檢測方法[1]，具有非接觸檢測、數學模型精確及定量精度高等優勢。交流電磁場檢測技術原理如圖1所示，激勵線圈中加載正弦交流電時，試件表面感應出交變電流，當遇到缺陷時，由于空氣與工件電阻率不同，交變電流發生畸變，進而引起空間磁場的畸變，通過磁場傳感器測量畸變的磁場信號，就可獲取缺陷特征[2-4]。筆者基于交流電磁場檢測原理，引入了雙頻激勵技術，構建了雙頻交流電磁場檢測系統，提出雙頻提離抑制算法，在不影響缺陷檢出的情況下，有效去除了由提離抖動引起的干擾信號。

1 雙頻交流電磁場檢測系統

1.1 檢測探頭

圖2 檢測探頭結構示意及實物

檢測探頭的作用是為了在試件表面激發均勻的電流以及檢測畸變的磁場信號，設計的檢測探頭主要由激勵線圈、檢測傳感器、信號處理模塊、U型磁芯及殼體等組成(見圖2)。激勵線圈采用0.15 mm的銅線均勻纏繞在U型錳鋅鐵氧體磁芯上，匝數為500匝，用于在試件表面產生均勻的磁場；檢測傳感器為隧道磁阻(TMR)磁場傳感器，具有功耗低、線性范圍大、靈敏度高和尺寸小等特點[4]，其安裝在U型磁芯底部中心，提離高度為1 mm；探頭殼體內部的信號處理模塊對檢測到的微弱磁場信號進行放大和濾波處理，其中采用AD620作為TMR傳感器輸出信號的放大器，電路中的RC(電阻和電容)低通濾波器用于濾除高頻噪聲信號，最終輸出處理后的磁場信號。

1.2 檢測系統

雙頻交流電磁場檢測系統主要由檢測探頭、檢測機箱及計算機等組成(見圖3)。檢測探頭與檢測機箱采用雷莫線纜連接，檢測機箱與計算機采用USB接口進行信號通信。圖3(a)中的紅色線條代表電源連接關系，綠色線條代表激勵信號，紫色線條代表采集的磁場信號。

圖3 雙頻交流電磁場檢測系統構成示意及實物

整個系統采用鋰電池供電，電源轉換和穩壓模塊將鋰電池輸出電壓轉換為穩定的±12 V和+5 V輸出；激勵模塊采用直接數字合成技術(DDS)，結合STM8單片機和FPGA(現場可編程門陣列)構架設計了一款數字信號發生器，可同時輸出兩路不同頻率的正弦信號，加法器將兩路信號疊加后傳入探頭的激勵線圈；探頭內TMR傳感器測量的磁場信號經數據采集卡轉換為數字信號，再傳輸至計算機進行下一步處理。

1.3 軟件設計

檢測軟件主要對采集卡采集到的磁場信號進行采集和處理，采集到的磁場時域信號如圖4(a)所示，時域信號為兩個不同頻率正弦信號的疊加，在軟件中對時域信號采用傅里葉變換獲取響應信號的頻譜，如圖4(b)所示，進而獲得兩個頻率的缺陷響應信號分量。檢測軟件主要包括采集參數、控制按鈕和信號顯示等3個部分，軟件界面如圖5所示。

圖4 磁場響應信號

圖5 雙頻交流電磁場檢測軟件界面

2 提離抖動信號抑制方法

2.1 提離抖動干擾信號畸變機理

提離抖動本質上是指提離高度發生變化，提離高度是指檢測探頭和試件表面之間的距離，利用雙頻交流電磁場檢測系統進行提離抖動試驗，分析不同激勵頻率下探頭提離變化對特征信號Bx和Bz的影響。試件為鋁板，裂紋長度為30 mm，寬度為0.5 mm，深度為5 mm。激勵頻率分別為80，100，200，300，400，500，1 000，2 000，10 000 Hz，將檢測探頭夾裝至三軸機械臺架上，利用臺架z軸的移動實現探頭向上抖動，將探頭緊貼試件表面，探頭由三軸臺架驅動，掃查速度設置為10 mm·s-1，在進入缺陷區域之前，選擇一個區域將臺架z軸向上抬高1 mm，并且在2 s之后自然落下，繼續緊貼試件,在缺陷區域保持提離高度為0 mm處勻速掃查。提取每個頻率下該檢測探頭的特征信號Bx和Bz，如圖6所示。

圖6 探頭向上抖動時的特征信號

保持試驗參數不變的條件下，利用臺架z軸的移動實現探頭向下抖動，將探頭提離高度保持在1 mm處，在進入缺陷區域之前，選擇一個位置將臺架z軸下降1 mm,使探頭觸碰試件表面，并在2 s之后自然提升至原提離高度處，在缺陷區域繼續保持提離高度1 mm狀態下勻速掃查。提取每個頻率下該檢測探頭的特征信號Bx和Bz(見圖7)。

圖7 探頭向下抖動時的特征信號

由圖6,7可以看出，在缺陷區域，Bx產生明顯的波谷，Bz產生明顯的波峰和波谷，且在不同激勵頻率下，Bx和Bz的畸變量均不同。在無缺陷區域，當檢測探頭發生提離抖動時，背景磁場Bx0會產生畸變，提離高度越小，激勵線圈在試件表面產生的感應電流越大，從而導致x方向磁場分量Bx0越大，因此探頭在向上抖動時背景磁場Bx0在不同頻率下均出現一個波谷，反之探頭向下抖動時背景磁場Bx0會產生一個波峰；背景磁場Bz0在不同頻率下基本為0，且在探頭抖動時基本不受提離高度的影響。

通過提離抖動試驗可以看出，特征信號Bx較易受到提離抖動的影響，且探頭向上抖動時，特征信號Bx呈現波谷的形式，極易與缺陷信號混淆，造成檢測人員的誤判，當探頭向下抖動時，特征信號Bx呈現波峰的形式，若與缺陷信號進行疊加，極易掩蓋缺陷信號，造成漏檢，所以需要對提離擾動信號進行抑制；特征信號Bz對探頭提離抖動不敏感，具有一定的抗干擾能力，所以無需采取相應的抖動抑制措施。

2.2 雙頻提離抖動抑制算法

通過提離抖動試驗可以看出，高頻10 kHz分量對缺陷的檢測靈敏度較低，缺陷信號畸變量較小，但提離抖動信號對高頻檢測信號的影響依然明顯。在2 kHz以下的低頻區域，隨頻率的不同，信號受缺陷的影響程度也不同，其受提離抖動的影響較為明顯。抑制提離抖動的頻率選擇依據為：高頻檢測信號選擇對缺陷不敏感、對提離敏感的10 kHz信號，低頻檢測信號選擇對缺陷最敏感、對提離敏感的檢測信號，經過試驗可知，對于鋁材表面缺陷的最佳檢測頻率為1 kHz，所以抑制提離抖動的頻率選擇為1 kHz和10 kHz。

為了探究兩個頻率下背景磁場Bx0隨提離高度變化的規律，利用雙頻交流電磁場檢測系統對探頭在1 kHz與10 kHz激勵頻率下的提離曲線進行分析，試驗中將兩個頻率的激勵信號同步合成，將檢測探頭安裝在三軸臺架上，探頭正下方為鋁板無缺陷區域，利用三軸臺架z軸的移動實現提離高度的改變，首先同時提取兩個頻率下的掃描曲線，并同時減去每個頻率下首個位置的背景磁場Bx0，三軸臺架夾持探頭保持提離高度為30 mm，臺架z軸從提離高度30 mm處以2 mm·s-1的速度勻速下降，在臺架啟動的瞬間，提離高度下降至0 mm時，停止提離曲線的繪制。檢測系統得到探頭背景磁場Bx0隨提離高度變化的曲線，如圖8所示。

圖8 不同頻率下的提離曲線

由兩條不同頻率的提離曲線可以看出，隨著提離高度的減小，背景磁場Bx0隨之增大，且兩條提離曲線的變化趨勢基本一致。為了進一步分析這兩個頻率背景磁場Bx0之間的關系，以10 kHz信號的提離曲線為x軸，1 kHz信號的提離曲線為y軸，得到兩個頻率下Bx0提離擬合曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，雙頻提離曲線呈線性關系，采用線性擬合方式，得到頻率為1 kHz和10 kHz之間的提離曲線關系擬合公式，如式(1)所示。

y=5.76x+18.07

(1)

式中:x為10 kHz頻率時的Bx的背景磁場;y為1 kHz頻率時的Bx的背景磁場。

圖9 雙頻提離擬合曲線

通過數據處理將低頻檢測信號減去轉換后的高頻檢測信號即可將提離抖動效應消除，與此同時，低頻和高頻下的缺陷響應信號并非該線性擬合關系，所以經過提離消除之后的缺陷信息仍將保留，但是缺陷響應信號的幅值畸變量會衰減。

3 提離抖動抑制試驗

為了模擬實際檢測過程，利用三軸臺架攜帶探頭，保持提離高度為0 mm，緊貼試件表面，當經過裂紋區域后，將臺架z軸在03 mm提離范圍內連續抖動，保持5 s抖動后繼續按照提離高度0 mm勻速掃查，探頭掃查路徑如圖10所示。根據提離抖動抑制算法，選取1 kHz和10 kHz頻率對缺陷干擾信號進行提離抑制，得到抑制前后的特征信號Bx和Bz，如圖11所示。

圖10 連續抖動探頭掃查路徑

由圖11(a)可以看出，在抑制之前,當探頭連續抖動時，兩個頻率成分的特征信號Bx均產生明顯的波谷，且抖動信號也呈現雜亂的波谷，抖動信號的畸變幅值較大，在抑制提離抖動之前很容易造成缺陷的錯判；由圖11(b)可以看出,低頻成分的特征信號Bz在缺陷區域產生明顯的波峰和波谷，在抖動位置未曾出現明顯的波動;由圖11(c)可以看出，在經過提離抑制算法后，特征信號Bx基本只存在明顯波谷，其抖動信號有很大程度的衰減；特征信號Bz無需處理，所以仍然是低頻成分的Bz信號，由此看出雙頻提離抑制算法可在不影響缺陷檢出的前提下有效去除由提離擾動引起的干擾信號。

圖11 抑制前后Bx和Bz信號

4 結語

基于交流電磁場檢測原理，引入雙頻激勵技術，設計開發出一套完整的雙頻交流電磁場檢測系統，利用該系統研究了不同激勵頻率下提離抖動對特征信號Bx和Bz的影響機理，提出了雙頻交流電磁場提離抖動抑制算法，利用三軸臺架開展提離抖動試驗。結果表明：Bx信號對提離敏感，需要進行提離抑制，Bz信號具有較強的抗干擾能力；1 kHz信號對于缺陷及提離擾動均敏感，10 kHz信號對缺陷不敏感，但對提離抖動較敏感；雙頻交流電磁場提離抑制算法可有效去除由提離擾動引起的干擾信號，為干擾信號的抑制提供了新方法。