丁 華，杜金強(qiáng)，何宇廷，伍黎明，張海威

（空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710038）

0 引言

近年來(lái)，為了有效解決在大面積表面上進(jìn)行手控檢測(cè)時(shí)工作量大、效率與可靠性低的問(wèn)題，由多探頭、多通道檢測(cè)發(fā)展而來(lái)的陣列渦流檢測(cè)技術(shù)迅速得到世界各國(guó)的重視［1，2］。目前在美國(guó)、德國(guó)、加拿大等國(guó)，陣列渦流檢測(cè)技術(shù)已成功應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)中，如加拿大R/D Tech公司制造的OmniScan渦流陣列儀。我國(guó)的南昌航空大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位也對(duì)渦流陣列檢測(cè)技術(shù)展開(kāi)了研究［3］。

針對(duì)諧波激勵(lì)的渦流陣列傳感器，如何從陣列感應(yīng)線圈的含噪聲原始信號(hào)中提取出幅值和相位是后期對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行定量和定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。渦流陣列傳感器原始輸出信號(hào)具有強(qiáng)背景噪聲，弱輸出信號(hào)的特點(diǎn)，強(qiáng)背景噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)的識(shí)別存在很大的干擾［4］。背景噪聲主要來(lái)源為以下幾部分:1）測(cè)量噪聲;2）線圈抖動(dòng)造成的提離變化產(chǎn)生的干擾信號(hào);3）被測(cè)對(duì)象表面沉積物、支撐架等非缺陷因素產(chǎn)生的干擾信號(hào)。一般說(shuō)來(lái)，測(cè)量噪聲主要為高頻成份;提離噪聲和表面沉積物、支撐架產(chǎn)生的信號(hào)主要為低頻成分，本文所研究的渦流陣列傳感器屬于平面渦流陣列傳感器，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)條件下采用超高精度三維電動(dòng)平移臺(tái)保證了陣列感應(yīng)線圈平面同標(biāo)準(zhǔn)試件之間提離距離的穩(wěn)定性，很好地消除了低頻噪聲。國(guó)內(nèi)外對(duì)渦流信號(hào)中高頻噪聲的消噪處理研究比較成熟，文獻(xiàn)［4，6］采用小波變換對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪和特征提取處理，文獻(xiàn)［7］采用數(shù)字濾波濾除沖擊噪聲干擾，取得較好效果，但本文所研究的渦流陣列傳感器對(duì)快速掃描和實(shí)時(shí)在線檢測(cè)能力的要求限制了小波等復(fù)雜消噪算法的應(yīng)用范圍，而多重相關(guān)法由于其算法簡(jiǎn)單，精度高，在渦流陣列傳感器的快速掃描和實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的軟硬件信號(hào)處理上具有較好的應(yīng)用前景。

本文在實(shí)驗(yàn)條件下采用多重自/互相關(guān)法對(duì)一種平面渦流陣列傳感器［8］提離效應(yīng)的含噪聲輸出信號(hào)進(jìn)行消噪處理，提取了輸出信號(hào)幅值比和相位差信息，并分析了提離距離對(duì)輸出信號(hào)的影響。

1 多重相關(guān)檢測(cè)法

信號(hào)的互相關(guān)和自相關(guān)描述的是2個(gè)時(shí)間序列之間或同一個(gè)時(shí)間序列在任意2個(gè)不同時(shí)刻的取值之間的相關(guān)程度，即互相關(guān)描述的是信號(hào)x（t），y（t）在任意2個(gè)不同時(shí)刻t1，t2的取值之間的相關(guān)程度，而自相關(guān)描述的是信號(hào)x（t）在任意2個(gè)不同時(shí)刻t1，t2的取值之間的相關(guān)程度。

1.1 傳統(tǒng)相關(guān)法原理

傳統(tǒng)的自相關(guān)或互相關(guān)檢測(cè)法是利用信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間不相關(guān)的特性達(dá)到提高信噪比的目的［9］。

假設(shè)有2個(gè)同頻信號(hào)x（t）和y（t）都被噪聲污染

其中，A，B分別為x（t）和y（t）的幅值，Nx，Ny分別為噪聲信號(hào)。顯然兩信號(hào)的相位差為Δφ=φ1－φ0，但實(shí)際中是無(wú)法知道φ1和φ0的。用相關(guān)法求相差的原理如下

當(dāng)τ=0時(shí)

在理想白噪聲狀態(tài)下，噪聲和信號(hào)不相關(guān)，且噪聲之間也不相關(guān)，積分后可得

即

另外，信號(hào)的幅值和它在延時(shí)τ=0時(shí)自相關(guān)函數(shù)值又有下述關(guān)系

通過(guò)信號(hào)內(nèi)部的自相關(guān)和信號(hào)之間互相關(guān)就可以求得信號(hào)相位差和幅值比。

1.2 多重相關(guān)法原理

多重信號(hào)相關(guān)法就是利用兩路信號(hào)的自相關(guān)和互相關(guān)的多次運(yùn)算提高信噪比，針對(duì)1.1節(jié)所述兩路含噪聲信號(hào)，對(duì)x（t）進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算得［10］

式（5）中第一項(xiàng)是信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)是信號(hào)和噪聲之間的互相關(guān)函數(shù)，最后一行是噪聲自身的自相關(guān)函數(shù)。在理想高斯白噪聲情況下，當(dāng)T趨于無(wú)窮時(shí)，后三項(xiàng)趨于0，即

但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于T不可能趨于無(wú)窮，同時(shí)噪聲不是理想高斯白噪聲，故信號(hào)經(jīng)一次自相關(guān)運(yùn)算的實(shí)際信號(hào)為

其中，N'x（t）要比原來(lái)的Nx（t）小很多，即提高了信噪比。在考慮非理想白噪聲和非無(wú)窮T下信號(hào)x（t）和y（t）一次互相關(guān)運(yùn)算后實(shí)際信號(hào)為

經(jīng)分析可知，信號(hào)經(jīng)過(guò)一次自相關(guān)運(yùn)算后相位變?yōu)?，頻率不變;信號(hào)經(jīng)過(guò)互相關(guān)運(yùn)算后相位差和頻率保持不變，同時(shí)提高了信噪比。把一次自相關(guān)輸出信號(hào)和互相關(guān)輸出信號(hào)進(jìn)行多次相同的自相關(guān)和互相關(guān)運(yùn)算則可以很大地提高信噪比。將該方法應(yīng)用于平面渦流陣列傳感器提離效應(yīng)的含噪聲輸出信號(hào)處理中，可較好地提取出陣列感應(yīng)線圈的幅值比和相位差。

2 渦流陣列傳感器提離效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

搭建的渦流陣列傳感器提離效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。首先由AFG3101任意信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率、幅值的正弦信號(hào);然后通過(guò)功放模塊將正弦信號(hào)進(jìn)行功率放大，功放模塊采用LDMOS寬帶匹配技術(shù)，射頻通路全頻段耦合，使200 kHz～30 MHz的信號(hào)都能全頻段放大，放大后的激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)平面渦流陣列傳感器激勵(lì)線圈;接著寬頻運(yùn)放電路對(duì)渦流陣列傳感器感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)由DPO4104示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟處理方式采用多重自/互相關(guān)法對(duì)陣列感應(yīng)線圈多通道含噪聲輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理，提取輸出信號(hào)幅值比和相位差信息。

渦流陣列傳感器線圈平面同標(biāo)準(zhǔn)試件之間提離距離的控制采用微納光科WN220系列超高精度電動(dòng)平移臺(tái)和WN04系列高精度電動(dòng)升降臺(tái)組合而成的三維移動(dòng)平臺(tái)與運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，保證了提離距離的可控性和穩(wěn)定性。

圖1 渦流陣列傳感器提離效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig 1 Schematic diagram of the experimental platform for lift-off effect of eddy current array sensor

3 提離實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理與結(jié)果分析

通過(guò)電動(dòng)移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器改變渦流陣列傳感器線圈平面同標(biāo)準(zhǔn)試件之間的提離距離，并對(duì)采集的多通道含噪聲輸出信號(hào)采用多重相關(guān)法提取出幅值比和相位差，分析提離距離對(duì)傳感器輸出特性的影響。

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)頻率為3 MHz，信號(hào)幅值為0.2 V的激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)陣列感應(yīng)線圈得到多通道含噪聲信號(hào)，圖2為某一通道原始含噪聲輸出信號(hào)的多重自相關(guān)運(yùn)算比較結(jié)果。

圖2（a）的含強(qiáng)背景噪聲原始輸出信號(hào)經(jīng)一次自相關(guān)運(yùn)算后，在τ=0處自相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)局部突變，體現(xiàn)了非理想白噪聲以及非無(wú)窮T對(duì)傳統(tǒng)自相關(guān)運(yùn)算的影響，圖2（c）所示的雙重自相關(guān)運(yùn)算效果較好，大大提高了信噪比。對(duì)原始信號(hào)幅值的反推可以通過(guò)式（7）得到。

圖2 含噪聲原始輸出信號(hào)的多重自相關(guān)運(yùn)算結(jié)果Fig 2 Operational result of multi-layer correlation of noised original output signal

經(jīng)雙重自相關(guān)運(yùn)算精確反推出陣列感應(yīng)線圈的各通道輸出信號(hào)和激勵(lì)線圈輸入信號(hào)的幅值，得到各通道輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的幅值比，后將各路陣列感應(yīng)線圈的各通道輸出信號(hào)同激勵(lì)線圈輸入信號(hào)進(jìn)行雙重互相關(guān)運(yùn)算，利用幅值量并根據(jù)式（8）反推出各通道陣列感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)同激勵(lì)線圈輸入信號(hào)的相位差。圖3為3個(gè)輸出通道同激勵(lì)輸入通道的幅值比隨提離距離變化規(guī)律。圖4為3個(gè)輸出通道同激勵(lì)輸入通道的相位差隨提離距離變化規(guī)律。

圖3 通道幅值比隨提離距離變化規(guī)律Fig 3 Rule of amplitude ratio varies with lift-off distance

分析圖3和圖4中幅值比和相位差隨提離距離的變化規(guī)律得知，本文所研究的平面渦流陣列傳感器其各通道輸出信號(hào)同激勵(lì)信號(hào)的幅值比對(duì)提離距離較為敏感，呈現(xiàn)出較好的單調(diào)遞增性，尤其第二通道隨提離距離的信號(hào)幅值變化較為明顯。而各輸出通道同激勵(lì)通道的相位差隨提離距離基本保持不變。利用這些規(guī)律，該渦流陣列傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)，可望將其應(yīng)用于腐蝕檢測(cè)和鍍層厚度檢測(cè)等領(lǐng)域。

圖4 通道相位差隨提離距離變化規(guī)律Fig 4 Rule of phase difference varies with lift-off distance

4 結(jié)論

1）將多重自/互相關(guān)法應(yīng)用于平面渦流陣列傳感器的多通道含噪聲輸出信號(hào)的消噪處理效果明顯，該算法大大提高了弱強(qiáng)度、強(qiáng)背景噪聲信號(hào)的信噪比，并且算法簡(jiǎn)單，精度高;

2）隨提離距離的增加，陣列傳感器各通道輸出信號(hào)同激勵(lì)信號(hào)的幅值比遞增，尤其第二通道的信號(hào)幅值變化較為明顯。而輸出通道同激勵(lì)通道的相位差基本保持不變;

3）渦流陣列傳感器對(duì)提離較敏感，根據(jù)傳感器的輸出特性，可望將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的腐蝕檢測(cè)中。

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