基于歸一化求導(dǎo)的裂紋缺陷渦流檢測(cè)信號(hào)處理方法

李朋宇,閆 帥,荊林遠(yuǎn),王高潔,聞東東

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司 亳州供電公司,亳州 236800;2.徐州工程學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院,徐州 221000)

壓力容器的管道、鍋爐、容器等關(guān)鍵金屬零部件在制造和服役過程中均需實(shí)施無損檢測(cè)[1]。常規(guī)渦流檢測(cè)具有響應(yīng)速度快、無接觸、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于金屬構(gòu)件的疲勞裂紋、腐蝕損傷檢測(cè)[2-3]。在壓力容器疲勞裂紋缺陷的渦流檢測(cè)中,提離變化、包覆層、不規(guī)則曲面、應(yīng)力變化等影響因素會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精度降低,甚至引發(fā)誤檢、錯(cuò)檢等問題,嚴(yán)重威脅壓力容器的質(zhì)量安全[4]。其中,材料應(yīng)力變化作為容易忽略的影響因素,不僅會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生較大干擾,甚至?xí)?dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。因此,抑制應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷渦流檢測(cè)的影響是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。

為抑制渦流檢測(cè)變化因素對(duì)缺陷檢測(cè)結(jié)果的影響,眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。吳斌等[5]研究了線圈彎曲角度變化對(duì)柔性渦流傳感器缺陷檢測(cè)能力影響,結(jié)果表明,圓形線圈的彎曲會(huì)導(dǎo)致各向均勻渦流場(chǎng)朝單向渦流場(chǎng)轉(zhuǎn)變,無論是工作在自感還是互感檢測(cè)模式下,柔性渦流傳感器對(duì)不同方向裂紋的檢測(cè)靈敏度均降低。杜金強(qiáng)等[6]研究了互擾對(duì)陣列渦流傳感器裂紋檢測(cè)的影響,結(jié)果表明,互擾會(huì)導(dǎo)致陣列傳感器輸出信號(hào)幅值顯著減小、相位出現(xiàn)偏移,也會(huì)對(duì)陣列渦流傳感器的裂紋檢測(cè)靈敏度產(chǎn)生一定影響;若以跨阻抗幅值作為傳感器的特征量,互擾對(duì)裂紋檢測(cè)靈敏度的影響可以忽略。楊帆等[7]提出了一種U形磁導(dǎo)體聚焦探頭,通過探頭中的U形磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)引導(dǎo)磁場(chǎng)使渦流聚集于磁導(dǎo)體探頭下方,避免了圓柱探頭的渦流檢測(cè)盲區(qū)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不銹鋼板局部缺陷的檢測(cè),且不受大提離的影響。楊理踐等[8]提出了一種基于平衡電磁技術(shù)的檢測(cè)方法,該方法在交流勵(lì)磁條件下利用U形傳感器能實(shí)現(xiàn)該方法對(duì)鋼板表面橫縱向裂紋進(jìn)的效檢測(cè),通過信號(hào)特征能夠有效區(qū)分裂紋類型。綜上所述,現(xiàn)有研究對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)影響因素的抑制,主要集中在探頭提離、探頭結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理方法等方面,鮮有研究關(guān)注材料應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)結(jié)果的影響。

鐵磁性材料的應(yīng)力變化會(huì)改變其材料的電磁特性,即會(huì)改變鐵磁性材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等參數(shù),進(jìn)而影響渦流檢測(cè)的結(jié)果[9]。因此,抑制或消除鐵磁性材料應(yīng)力變化對(duì)渦流檢測(cè)結(jié)果的影響是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。針對(duì)此問題,筆者提出了一種渦流檢測(cè)信號(hào)的應(yīng)力變化影響抑制方法,有效提高了鐵磁性材料裂紋缺陷的渦流檢測(cè)精度,也為其他鐵磁性材料損傷檢測(cè)的應(yīng)力變化影響抑制提供了一些借鑒。

1 理論分析

根據(jù)磁致伸縮理論和磁彈性理論[10-11],當(dāng)鐵磁性材料被磁化和受到外部應(yīng)力時(shí),鐵磁性材料磁導(dǎo)率的變化可以表示為

ε=EHσ+dH

(1)

B=d-1σ+μH

(2)

式中:ε為應(yīng)變;EH為特定磁場(chǎng)條件下的楊氏模量;σ為應(yīng)力;d為壓磁系數(shù);H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;d-1為反壓磁系數(shù);μ為磁導(dǎo)率。

式(1),(2)表示的是鐵磁性材料在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)的磁場(chǎng)變化關(guān)系,即彈性應(yīng)力作用在鐵磁性材料時(shí),其磁場(chǎng)分布將發(fā)生變化。因此,磁彈性效應(yīng)會(huì)影響鐵磁性材料裂紋缺陷的檢測(cè)。根據(jù)焦耳效應(yīng)[12],鐵磁性材料應(yīng)變?chǔ)藕痛艑?dǎo)率μ的關(guān)系可以表示為

(3)

式中:λs為磁致伸縮常數(shù);Ms為飽和磁化強(qiáng)度;Kμ為單軸磁各向異性常數(shù);Δμ為磁導(dǎo)率的變化量;θ0為磁場(chǎng)與磁化軸之間的夾角。

根據(jù)胡克定律[9]可知,鐵磁性材料應(yīng)變?chǔ)藕妥饔脩?yīng)力F之間的關(guān)系可以表示為

F=εEA=σA

(4)

式中:E為彈性模量;A為鐵磁性材料的橫截面積。

將式(4)代入式(3)中,可以獲得

(5)

當(dāng)被測(cè)鐵磁性材料確定時(shí),式(5)中E、λs、Ms、Kμ和θ0是確定的常數(shù)。當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度H不變時(shí),磁導(dǎo)率變化量Δμ是隨著應(yīng)力σ變化而變化的。

渦流檢測(cè)模型如圖1所示,假定板材是線性、各項(xiàng)同性、均勻的介質(zhì),由電磁感應(yīng)原理和麥克斯韋方程可求出諧波激勵(lì)下的磁通密度大小[13],即

圖1 渦流檢測(cè)模型

B=Bs+Bec

(6)

式中:Bs為探頭在空氣中的磁通密度;Bec為探頭在被測(cè)試件上方時(shí)渦流感應(yīng)的磁通密度。

Bec是與電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率相關(guān)的系數(shù),磁敏傳感器檢測(cè)到的渦流場(chǎng)感應(yīng)磁通密度與被測(cè)試件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和厚度參數(shù)相關(guān)。由式(5)可知,磁導(dǎo)率變化量隨著應(yīng)力的變化而改變。綜上所述,被測(cè)試件應(yīng)力的變化會(huì)影響探頭的感應(yīng)磁通密度,即被測(cè)試件應(yīng)力的變化會(huì)影響渦流檢測(cè)信號(hào)。

2 歸一化求導(dǎo)方法

針對(duì)應(yīng)力變化對(duì)鐵磁性材料裂紋缺陷渦流檢測(cè)的影響,筆者提出了一種抑制方法,其流程如圖2所示,主要包括信號(hào)特征獲取、歸一化和求導(dǎo)處理等步驟[14-16],旨在通過信號(hào)處理的方法抑制應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)的影響。其中,信號(hào)特征是檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差值;線性掃描檢測(cè)主要是對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行線性單向掃描檢測(cè);歸一化處理主要是對(duì)線性掃描檢測(cè)獲取的信號(hào)特征進(jìn)行處理;求導(dǎo)處理主要是對(duì)歸一化信號(hào)的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)變換。

圖2 歸一化求導(dǎo)方法流程

V=[Vt1,Vt2,…,VT]

(7)

式中:t1為信號(hào)采樣時(shí)間;T為信號(hào)采樣周期。

(2) 對(duì)獲取的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征提取,即對(duì)周期檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)求均方差,得到檢測(cè)信號(hào)的均方差特征信號(hào),即

(8)

(3) 利用上述單點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)特征進(jìn)行線性A掃檢測(cè),即對(duì)試件進(jìn)行線性多點(diǎn)掃描檢測(cè),以獲取檢測(cè)信號(hào)均方差信號(hào)特征數(shù)據(jù),即

σ=[σV1,σV2,…,σVN]

(9)

式中:N為掃查點(diǎn)數(shù)。

(4) 對(duì)上述檢測(cè)信號(hào)的均方差特征數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)處理[17],以提高特種信號(hào)的信噪比,可寫為

(10)

式中:?σ為導(dǎo)數(shù)信號(hào)數(shù)據(jù);Δσ為單位時(shí)間內(nèi)均方差信號(hào)變化量;Δt為信號(hào)采樣時(shí)間間隔。

(5) 對(duì)上述線性掃描獲取的均方差導(dǎo)數(shù)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理[18],以抑制外部干擾對(duì)導(dǎo)數(shù)信號(hào)的影響,可寫為

(11)

式中:?σmax為導(dǎo)數(shù)信號(hào)數(shù)據(jù)的最大值;?σmin為導(dǎo)數(shù)信號(hào)數(shù)據(jù)的最小值。

(6) 對(duì)處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像,實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋缺陷的精確定量評(píng)估。

3 檢測(cè)系統(tǒng)與試驗(yàn)材料

應(yīng)力狀態(tài)下試件渦流檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示,檢測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三維移動(dòng)掃描平臺(tái)、拉伸機(jī)等。其中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、PCI-1814型數(shù)據(jù)采集卡、GWINSTEK-AFG-2225型函數(shù)發(fā)生器、GWINSTEK-GDS-2102E型示波器、功率放大器、探頭等模塊。探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示,其外圓半徑為10 mm,內(nèi)圓半徑為5 mm,高為18.5 mm,激勵(lì)線圈匝數(shù)為300匝,線徑為0.1 mm。檢測(cè)時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)保存,同時(shí),檢測(cè)信號(hào)也在示波器上實(shí)時(shí)顯示出來,便于監(jiān)測(cè)。三維移動(dòng)掃描平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、三維掃描機(jī)構(gòu)等。計(jì)算機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)行進(jìn)距離的控制,以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的行進(jìn)點(diǎn)位控制。拉伸機(jī)裝置包括液壓缸、應(yīng)力傳感器、計(jì)算機(jī)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀、專用夾具等。試件固定于夾具上,通過液壓缸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的拉伸,同時(shí),應(yīng)力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)應(yīng)力大小,并通過應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)所用試件材料為Q235鋼,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 應(yīng)力狀態(tài)下試件渦流檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖4 探頭結(jié)構(gòu)示意

4 試驗(yàn)過程與試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中,采用函數(shù)發(fā)生器生成正弦激勵(lì)信號(hào),其幅值為2 V,頻率為200 Hz。正弦激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后施加至探頭激勵(lì)線圈。數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為1 MHz。A掃方向如圖5所示,步進(jìn)距離為0.25 mm,掃查一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔為1 s,掃查距離為157 mm。在不施加拉伸應(yīng)力的條件下,試件無裂紋缺陷處檢測(cè)獲取的信號(hào)如圖6所示,可見,信號(hào)曲線不是關(guān)于時(shí)間軸的對(duì)稱曲線,而是存在一定偏移量,即檢測(cè)信號(hào)是無過零點(diǎn)的變化曲線。在信號(hào)特征提取中,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),相比于檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的均方差信號(hào)特征,峰值信號(hào)更易受應(yīng)力變化影響,且A掃裂紋缺陷的信號(hào)變化量也小于均方差信號(hào)特征的變化量。即,在受應(yīng)力變化影響的裂紋缺陷檢測(cè)中,均方差信號(hào)特征穩(wěn)定性優(yōu)于峰值信號(hào)特征。

圖5 試件結(jié)構(gòu)示意

圖6 試件無裂紋缺陷處的檢測(cè)信號(hào)曲線

接著,用所提方法對(duì)去噪后的渦流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理,計(jì)算出周期檢測(cè)信號(hào)的均方差值,并作為信號(hào)特征數(shù)據(jù),對(duì)裂紋進(jìn)行A掃檢測(cè),獲取的A掃均方差信號(hào)曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著探頭移動(dòng)距離的增加,均方差信號(hào)在裂紋處呈現(xiàn)明顯變化,即隨著裂紋寬度的增加峰值變化量逐漸增大;然而,寬度為0.5 mm的裂紋處的峰值信號(hào)沒發(fā)生明顯變化。這是由于試驗(yàn)掃描平臺(tái)的精度有一定限制,說明更小步進(jìn)距離的掃描平臺(tái)可以提升掃查信號(hào)的顯現(xiàn)效果。因此,只有A掃步進(jìn)距離小于裂紋寬度的1/2時(shí),才能有效裂紋缺陷。另一方面,從圖7中也可以觀察到,隨著掃查距離的增加,均方差信號(hào)總體呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì),僅在裂紋處有減小。

圖7 裂紋的A掃均方差信號(hào)曲線

當(dāng)對(duì)試件作用不同的拉伸應(yīng)力時(shí),其A掃均方差信號(hào)隨應(yīng)力的變化曲線如圖8所示,可見,隨著拉伸應(yīng)力的增加,均方差A(yù)掃信號(hào)出現(xiàn)明顯變化。在初始段A掃位置,裂紋處的均方差信號(hào)變化量呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。在A掃末段位置,均方差信號(hào)的變化量呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì),且裂紋處的均方差信號(hào)幅值也有所差異。由此可知,裂紋缺陷的均方差信號(hào)會(huì)受到應(yīng)力變化的影響,且在A掃信號(hào)的起始段和末段變化不同。該應(yīng)力變化結(jié)果會(huì)對(duì)裂紋缺陷的定量評(píng)估造成較大影響,引起裂紋缺陷A掃均方差信號(hào)的誤判或錯(cuò)判。因此,抑制金屬材料應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)的影響是尤為重要的工作。

圖8 A掃均方差信號(hào)隨應(yīng)力的變化曲線

對(duì)上述均方差信號(hào)進(jìn)行求導(dǎo)處理,獲取的求導(dǎo)后均方差信號(hào)變化曲線如圖9所示。由圖9可知,求導(dǎo)后的均方差信號(hào)呈現(xiàn)出以橫軸為中心的對(duì)稱狀態(tài),且隨著裂紋寬度的增加均方差信號(hào)幅值增加,同時(shí)求導(dǎo)后的均方差信號(hào)受應(yīng)力變化的影響得到了一定程度的抑制。

圖9 不同應(yīng)力時(shí)的求導(dǎo)后均方差信號(hào)變化曲線

進(jìn)一步,對(duì)隨應(yīng)力變化的導(dǎo)數(shù)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理,其結(jié)果如圖10所示。由圖10可知,不考慮零拉伸應(yīng)力的條件下,經(jīng)歸一化處理后應(yīng)力對(duì)導(dǎo)數(shù)信號(hào)的影響得到抑制,在A掃末段和初始段,裂紋導(dǎo)數(shù)信號(hào)變化得到較好抑制。但是,歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)在應(yīng)力變化的條件下,仍會(huì)發(fā)生一定變化,且在A掃中段的變化相對(duì)明顯。對(duì)比不同寬度的裂紋缺陷信號(hào)發(fā)現(xiàn),峰峰值位置A掃信號(hào)特征變化量的橫向距離幾乎一致,即說明峰峰值位置A掃信號(hào)變化量的橫向距離不能用于評(píng)估裂紋寬度大小。但隨著裂紋寬度的增加,裂紋處的歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)幅值增加,即歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)幅值的變化量參數(shù)能夠用于評(píng)價(jià)受應(yīng)力變化影響的裂紋缺陷寬度大小。

圖10 不同應(yīng)力時(shí)的歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)

基于上述試驗(yàn)結(jié)果,筆者利用歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)幅值的變化量參數(shù)來評(píng)價(jià)裂紋缺陷寬度大小,建立歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)幅值變化量與裂紋寬度大小的映射關(guān)系,形成的歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)幅值變化量隨裂紋寬度變化曲線如圖11所示。由圖11可知,隨著裂紋寬度的增加,歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)的幅值變化量增加。即,通過歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)的幅值變化量可以評(píng)價(jià)受拉伸應(yīng)力變化影響的裂紋寬度大小。對(duì)比均方差信號(hào)幅值變化量與裂紋寬度的關(guān)系,其結(jié)果如圖12所示,發(fā)現(xiàn)隨著裂紋寬度的增加,均方差信號(hào)在裂紋處的幅值變化量增加,受應(yīng)力變化影響更加明顯。

圖11 歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)幅值變化量隨裂紋寬度變化曲線

圖12 均方差信號(hào)變化量隨裂紋寬度變化曲線

由上述分析可知,利用提出的應(yīng)力變化影響抑制方法對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理后,有效抑制了應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)的影響,提高了裂紋缺陷的渦流檢測(cè)精度。

5 結(jié)果討論

綜合上述分析,所提出的應(yīng)力影響抑制方法可以有效減小應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷寬度檢測(cè)的影響。在實(shí)際應(yīng)用中,金屬材料都會(huì)承受到不同大小或方向的應(yīng)力作用,同時(shí),金屬材料自身也存在殘余應(yīng)力。在實(shí)際工程應(yīng)用中,金屬材料都處于彈性應(yīng)變區(qū)間,試驗(yàn)中被測(cè)試件所受拉伸應(yīng)力也僅考慮了金屬材料彈性形變范圍內(nèi)的應(yīng)力影響,未考慮塑性形變范圍內(nèi)的應(yīng)力變化影響。

對(duì)裂紋缺陷渦流檢測(cè)的應(yīng)力影響抑制方法作進(jìn)一步分析,計(jì)算出在應(yīng)力變化影響條件下均方差信號(hào)和歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)的裂紋缺陷檢測(cè)精度,結(jié)果如圖13所示,可見裂紋缺陷寬度為1～2.5 mm時(shí),均方差信號(hào)的最大相對(duì)誤差達(dá)到50%,而歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)裂紋缺陷檢測(cè)的相對(duì)誤差小于10%。相比而言,提出的方法可以有效降低在應(yīng)力影響下的檢測(cè)誤差,對(duì)于寬度較小或較大的裂紋缺陷,該方法檢測(cè)精度更高。

圖13 均方差和歸一化信號(hào)的裂紋缺陷檢測(cè)誤差

6 結(jié)語

針對(duì)應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷渦流檢測(cè)結(jié)果的影響,提出了一種應(yīng)力影響抑制方法。該方法通過均方差求解獲取A掃檢測(cè)的信號(hào)特征,并進(jìn)一步利用求導(dǎo)方法對(duì)A掃檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理,得到均方差導(dǎo)數(shù)信號(hào),然后,利用歸一化方法對(duì)導(dǎo)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理,獲得歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào),最終,通過歸一化導(dǎo)數(shù)信號(hào)的幅值變化量對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變化條件下裂紋缺陷的精確定量。試驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法可有效抑制應(yīng)力變化對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)的影響,提高裂紋缺陷檢測(cè)精度。