基于鎖相技術的陣列渦流信號處理方法研究

陳 濤，夏雄睿，呂 程，張立紅，鄧志揚，宋小春

（1.湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430070；2.湖北省特種設備檢驗檢測研究院，湖北 武漢 430070）

0 引 言

渦流陣列檢測技術具有可以減少機械掃描裝置的復雜程度，能夠快速檢測大面積試件，提高檢測效率的優點［1～4］，被廣泛用于工業生產的檢測中。目前為止，國內外學者［5～17］主要采用分時激勵的方式來解決渦流陣列檢測技術中線圈間的相互干擾問題，通過不同的時序對不同的線圈產生激勵信號。雖然有效克服了線圈之間的干擾問題，但由于激勵時間的分配，檢測速度有所降低。

本文提出了基于鎖相技術的陣列渦流信號處理方法，搭建了測試系統，最后利用鋼板標準人工缺陷測試試件驗證系統性能。

1 理論分析

1.1 基于鎖相技術的信號處理方法

分時激勵法工作原理如圖1所示。將激勵信號分為幾個周期分開激勵，采集到的信號需要更多的時間進行處理，因此檢測速率不夠快速，不滿足高速檢測的需求。

圖1 分時激勵法基本工作原理

陣列渦流檢測中，需要多組激勵線圈與感應線圈。其中一組可簡化成圖2的模型。激勵線圈單元和感應線圈單元尺寸完全相同，兩線圈單元下端位于同一水平面。近似認為弧MyNy與My+1Ny+1所夾的小塊面積ΔSy，k上，激勵線圈單元產生磁場的磁感應強度軸向分量相同。檢測線圈單元徑向有m層，軸向有n層，共有（m+1）（n+1）個單匝圓環線圈。

圖2 渦流陣列檢測中檢測線圈單元示意

傳感器檢測線圈單元的感應電壓可由下式近似計算

當激勵線圈單元被正弦信號激勵時，上式可簡化為

式中N為將檢測線圈單元截面半圓進行N等分，則由于θ2，y＝y·Δθ（y＝0，1，2，…，N-1），Δθ＝π／N。由式（2）可知，檢測線圈單元感應電壓的計算可分解為單匝圓環線圈感應電壓的計算，而每個單匝圓環線圈感應電壓的計算可分解為N個面元ΔSy，k及相應磁感應強度軸向分量盡By，k的計算。而ΔSy，k根據余弦定理可得

將式（3）代入到式（2）得

由式（4）可知，激勵頻率會影響感應線圈的感應信號，同時，每個信號的激勵頻率也是信號的特征值。因此，在陣列渦流檢測中，可以采用不同的頻率激勵不同的線圈，在信號處理時，將每個感應線圈感應到的信號進行頻率上的篩選，將感應信號感應的頻率與激勵頻率一一對應，以此來降低陣列渦流檢測中線圈之間的相互干擾。

1.2 基于鎖相技術的陣列渦流信號處理方法

首先，通過信號源給出不同頻率的信號分別加載到陣列渦流不同通道的激勵線圈中；之后，分別提取陣列渦流每個通道感應線圈感應到的所有原始信號；將每個通道感應線圈感應到的所有原始信號與各自激勵線圈上加載的信號進行運算方法處理，提取出每個通道各自獨有的特征信號；最后，對結果進行分析。

根據不同材料有所變化如式（5）

式中N為探頭序號，A為常數。

根據正弦信號的正交性，不同頻率的信號相乘積分為0，將感應線圈感應到的信號通入信號處理裝置中，可以將不同頻率的信號過濾為0。具體公式如式（6）

根據公式可得，將感應信號的頻率與激勵信號導入的參考信號的頻率作比較，如果信號頻率相符合，則輸出信號；否則，將信號過濾消除。

2 仿真分析

2.1 建立仿真模型

如圖3所示，在仿真軟件中建立渦流陣列單元的二維軸對稱模型，傳感器線圈的材料為銅，內徑為2 mm，外徑為2.5 mm，厚度為2 mm，線圈匝數為200 匝，激勵頻率為100 kHz，激勵電流為0.1 A，提離距離為0.5 mm。周圍包裹著空氣域，空氣域外層建立圓柱形無限元域模型。被檢對象的材料選用鋁，長寬均為70 mm，高為10 mm。

圖3 仿真示意

2.2 不同頻率對磁感應強度的影響

在線圈下方磁感應強度較強的地方取一個三維截點，獲取磁感應強度值并繪圖。如圖4所示，在不同激勵頻率下的線圈磁感應強度隨著激勵頻率的增加而增加，磁感應強度的最大值隨著頻率每10 kHz 增加0.3 ×10-4T。根據結果可知，在小范圍的激勵頻率變化下，激勵頻率對檢測影響較小。

2.3 不同頻率對檢測深度的影響

在上述仿真中，添加三維截線，如圖5所示截線垂直放置位置于切面磁感應強度最大處，長度為5 mm，采樣截線上磁感應強度值，結果如圖6所示。根據圖像可以看出，不同頻率激勵的探頭產生的磁場強度略有不同，但均在2 mm左右的深度下趨近于0。根據結果可知，在小范圍的激勵頻率變化下，激勵頻率對檢測深度的影響較小。

圖5 三維截線示意

圖6 不同頻率檢測深度

根據上述仿真試驗可得，在常規渦流激勵頻率的小幅激勵頻率變化，對探頭檢測影響較為微小，在實驗過程中，可將小幅激勵頻率變化激勵的探頭視為同等檢測效果。

3 實驗設計

檢測系統包括檢測探頭、信號處理電路、多通道數據采集系統、上位機。數據處理終端選用了STM32F103 型號單片機，通過I／O口觸發激勵源；激勵源選用了AWG4100 型號信號發生器，同時激發出不同頻率的信號通入不同的探頭通道中。產生多頻感應信號由多通道感應信號處理電路進行篩選，將感應到的信號與各個探頭的激勵信號頻率進行一一對應，以此來過濾掉感應到的其他探頭的缺陷信號。數據處理終端將經過篩選過濾后的信號輸送到上位機，上位機選用了搭載了Windows系統的一體機，通過LabVIEW編寫了顯示界面。上位機將數據處理終端收集到的信號進行波形圖或C掃圖的顯示，針對于不同的被檢對象可以選用不同的顯示模式。上位機可對缺陷信號圖像進行停止并儲存。

4 實驗結果與分析

4.1 標準試件參數

本文實驗試件采用了鐵磁性鋼板試件，并且刻劃了多個缺陷，以此來驗證陣列渦流檢測靈敏度和該信號處理方法的快速檢測效果。如圖7所示鋼板厚度為7 mm，試件長為350 mm，寬為115 mm，加工有5條人工缺陷。具體缺陷參數如表1。

表1 多缺陷鋼板參數mm

圖7 多缺陷鋼板

4.2 通道間相互干擾測試

將2個探頭分別接激勵信號，頻率為100，105 kHz，感應到的信號fx1，fx2分別接信號處理裝置。將輸出信號UX1，UX2分別接示波器2個輸入端口，將參考信號fX1，fX2分別接信號處理裝置中。將雙通道探頭同時掃過同一缺陷，將輸出信號UX1，UX2分別接示波器2 個輸入端口，觀察輸出信號為圖8（a）。之后去掉X2 的參考信號fX2，將X1 探頭掃過缺陷，X2探頭不掃過缺陷。將輸出信號UX1，UX2分別接示波器2個輸入端口，觀察輸出信號為圖8（b）。再將去掉X2的參考信號fX2接回，將X2 探頭掃過3 個缺陷，X1 探頭掃過前2個缺陷，但不掃描第3 個缺陷。將輸出信號UX1，UX2分別接示波器2個輸入端口，觀察輸出信號為圖8（c）。

圖8 仿真測試

根據實驗現象，可以得出，在接入參考信號后，雙通道探頭檢測信號處于穩定并且可以檢測缺陷狀態。在去掉參考信號后，探頭X1掃過缺陷，X2未掃過缺陷，X2 線圈依然返回了峰值相對較小，但仍然明顯的缺陷信號，證明X2 線圈收到X1線圈的干擾。在重新接入參考信號后，探頭X1掃過前2個缺陷，X2 掃過3 個缺陷。此時X1 探頭只感應到2個缺陷信號，X2探頭則感應了3 個缺陷信號。對比未加參考信號的掃描圖像，可以證明該算法可以有效去除多頻多通道線圈的干擾信號，保持每一個通道的采集信號的穩定。

4.3 整體性流程縮短驗證

采用了加入TIM 計數器檢驗的方法。在程序開始運行時，開啟TIM計數，每經歷1次時序信號，計數1次，等待流程結束后，停止計數并打印，通過串口發送到上位機，觀察計數次數。為了盡可能減少硬件延遲以及其他因素的干擾。在激勵信號時，按照各自的方法產生一次完整的8 通道線圈的信號激勵，激勵一次后立即停止激勵信號。等待這次激勵產生的信號收集完畢后并上傳顯示后，立刻結束計數并打印。以此來減少硬件延遲以及其他環境對試驗造成的干擾。進行10 次重復實驗，檢測結果如表2所示。

表2 檢測結果

根據表2可以看出，采用分時激勵法，TIM平均計數次數為450次；采用鎖相技術的信號處理法，TIM平均計數次數為328次。從原理上來說，在激勵8通道線圈時，該信號處理方法在信號處理部分應比分時激勵法快8倍。根據結果來看，由于有硬件延遲以及運行其他流程帶來的增量，采用鎖相技術的信號處理方法的速率提升了27.1%。

4.4 整體實驗檢測

將研制好的陣列渦流信號處理電路，多通道數據采集系統與實時控制計算機進行系統集成，搭配8 個渦流檢測探頭進行檢測實驗，各部分的實物如圖9（a）所示。檢測對象為4.1 節所述多缺陷鋼板，將8 個檢測線圈均勻排布與探頭上進行掃查，掃查結果如圖9（b）所示。通過檢測結果可知，該信號處理方法可以較好抑制陣列渦流多線圈之間的相互干擾，檢測速度較快，可以滿足當今高速檢測需求。

圖9 實驗檢測

5 結 論

本文提出了一種基于鎖相技術的陣列渦流信號處理方法。通過對不同通道加載不同頻率的激勵信號，再對感應信號接收到的信號進行頻率上的篩選，從混雜的感應信號中提取與對應通道激勵線圈相同頻率感應信號。通過實驗測試可知，采用本文設計的方法同時激勵多通道線圈時，可以抑制不同通道之間的相互干擾，同時通過2 種方法的測量時間對比可知該信號處理方法能夠有效提升檢測速度。最后通過整體系統實驗檢驗了該方法的有效性。