一種新的多探頭金屬磁記憶檢測儀信號處理方法

欒 明,樊建春,張來斌,馬 娟,鄭文培

(中國石油大學(北京)機電工程學院,北京 102249)

金屬磁記憶檢測技術是迄今為止對金屬部件進行早期診斷唯一可行的無損檢測方法[1]。隨著對金屬磁記憶檢測原理研究的不斷深入,相關檢測設備的發展,出現了多探頭磁記憶檢測儀。多探頭檢測的數據分析方法幾乎和單探頭的相同,即通過計算單探頭采集到的信號梯度值來確定磁記憶信號的切向極大值,進而判斷工件的應力集中和損傷及其位置。但對于前者而言,該處理方法在計算鐵磁材料磁記憶信號的切向值漸增到最大時不敏感,并且檢測方向單一,會漏檢一些工件的應力集中和缺陷。筆者針對這一問題,從探頭之間信號差異的角度,闡述了一種新的信號處理方法。

1 現有磁記憶檢測儀器的數據處理方式

現有單通道或多通道的磁記憶檢測儀器的數據采集處理系統的處理方式幾乎相同,即通過計算磁記憶信號的梯度值或峰峰值,來確定檢測所得磁記憶信號的切向極大值和法向過零點,進而找出工件的應力集中點或缺陷部位。現有的大部分儀器都是檢測切向最大值來確定應力集中點。例如圖1所示的磁記憶信號有明顯的應力集中點,反映在磁記憶信號上就是檢測值的跳變點,既磁記憶信號的切向最大值。

圖1 帶有缺陷點的磁記憶信號

利用公式梯度的計算公式T(n)=x(n)-x(n-1),計算信號圖的梯度值,如圖2所示。

圖2 帶有缺陷點的磁記憶信號梯度值

通過圖中梯度跳變點,就可以得出鐵磁工件有兩個較明顯的應力集中點或缺陷。這種梯度計算方法效果明顯、直觀,但也存在著不可避免的缺陷,即不能對磁記憶信號漸增的缺陷點進行檢測,方向單一,對噪聲的影響較大。如圖3所示的信號值漸變的缺陷磁記憶信號。

圖3 信號值漸變的缺陷磁記憶信號

由圖3可以看出,在第500個采集點附近,有一個應力集中或缺陷點,并且信號整體的噪聲較大,信號采集的速率也比較大,磁記憶的信號強度是逐漸增加的,這樣做出的磁記憶信號梯度就不是十分明顯(圖4),導致工件的缺陷和應力點被漏測。

圖4 信號值漸變的缺陷磁記憶信號梯度值

可以看出,有明顯應力集中點的地方幾乎沒有梯度跳躍值的顯現,缺陷或應力集中被漏檢。

在這種情況下,必須通過一種新的信號處理方式,對比計算多通道磁記憶檢測儀的磁記憶信號,來得到工件的應力集中或缺陷點。

2 多通道磁記憶檢測儀數據處理新方法

2.1 原理

趨向應力集中點或缺陷位置的應力往往是漸增的。隨著傳感器的不同,檢測到的磁記憶信號如圖5所示。

圖5 磁記憶信號與缺陷的關系

這種情況下,單通道磁記憶信號的梯度計算效果欠佳。應采用多通道磁記憶檢測,其優勢在于,某一探頭通過應力集中點時,鄰近的其他探頭沒有通過該點,檢測出的值就有所不同(圖 6),通過多個探頭之間檢測數據的比較,就可以分析出工件的應力或缺陷狀態。

圖6 多探頭金屬磁記憶儀檢測應力集中點或缺陷的信號

通過比較探頭1,2和3的檢測信號,可以看出2號探頭檢測到了一個明顯的缺陷,從而確定缺陷的位置。這是多探頭檢測儀的優勢所在,不僅可以大面積、方便、快捷地檢測工件,還可以通過不同通道檢測數據之間的比較,得到工件的狀態。

利用單通道的數據計算出的梯度,由于傳感器沒有變,只是探頭隨時間或距離上增加得到的信號計算出的梯度,可以稱之為“單通道梯度”。而利用新方法計算出的梯度,由于在時間上或距離的增加程度上相同,只是通道相互之間的比較,可以稱為“通道間梯度”。

2.2 檢測條件

(1)金屬磁記憶檢測儀每個傳感器的各項指標相同,例如放大倍數、衰減和輸出電壓等。

(2)所有傳感器和被測工件的檢測距離在傳感器的線形工作范圍內。

2.3 計算方法

(1)由于在實際測量中各探頭的位置不可能在相對前進方向上絕對平行,故先利用數字信號處理的手段,將所測信號的起始位置歸一到同一平行線上。設信號的采集速率為fs,n通道和m通道的在相對前進方向的相對距離為l mn,探頭的前進速度為v,采集點信號的最大數目為s,則在探頭的前進方向上n通道和m通道之間有p=(lmn/v)×fs個點的間隔。

若lnm＞0,則有：

若lnm＜0,則有：

式中X為信號值;X′為計算后的信號值;n,m為通道號。

(2)由于探頭之間的制作工藝原因,各探頭的初始電壓有所不同,但變化的相對值是相同的。為便于計算,將探頭的初始電壓利用平均值歸零。

(3)計算兩通道之間信號的差值,即通道間梯度值：

通過T′n(m)或Tn(m)的圖像,分析有以下兩種情況：

(1)圖像有明顯的峰值,說明n或n-1通道之中某通道出現應力集中或缺陷。通過計算n,n+1和n-1,n-2的對比圖像,可進一步確定是哪個通道出現問題。

(2)圖像基本平穩,沒有很大的波峰或波谷,說明通道n或n-1之間的應力情況相同,此時應繼續計算其他通道的信號對比值,再結合具體圖像,就可以確定被測器件的具體狀態。

3 數據處理

以下是采用中國石油大學(北京)安全監測與檢測實驗室自行研制的多通道鉆桿疲勞磁記憶檢測系統對天津鉆桿堆放場標號為S05-96的刺漏鉆桿檢測的數據。選擇其中沒有通過刺漏缺陷位置,但是有一個明顯應力集中狀態的第4通道信號(圖7)。

再選擇通過缺陷位置的相鄰第5通道信號(圖8),可以看出,該通道有明顯的應力突變。

按照式(1)～(7)計算得到如圖9所示結果。

圖9 4,5通道間信號的梯度值

可以找到明顯的刺漏缺陷點(圖9中標號1),和內壁的一個應力集中點(圖9中標號2)。通過檢查發現內壁的應力集中點其實是一個腐蝕坑。

采用單通道法作出的第4,5通道信號梯度值如圖10和11所示。

可以看出,這兩個通道的梯度值都沒有明顯變化,缺陷點被漏檢。

4 總結與展望

采用多探頭之間的磁記憶信號的對比,可以檢測出漸加的應力集中現象,大大提高鐵磁材料的疲勞檢測成功率,避免漏檢。是對單通道簡單梯度值計算判斷材料狀態的有力補充。但以下問題仍待解決：

(1)對傳感器的一致性要求較高。

(2)要求傳感器都在同一個線性范圍內,檢測的范圍相同。

(3)在檢測過程中的噪聲有可能造成誤判。

隨著傳感器穩定性的提高,圖像識別的手段也可以引入該技術,這將更大地提高檢測的成功率。

[1]Doubov A A.Diagnostics of metal and equipment by means of metal magnetic memory[C].Proceedings of ChSNDT 7th Conference on NDT and International Research Symposium.Shantou,1999：181-187.

[2]陳曦.金屬磁記憶檢測技術若干基礎性問題的研究[D].南昌：南昌航空大學,2007.

[3]杜波夫.金屬磁記憶方法在俄羅斯和其他國家應用小結[C].全國電磁(渦流)檢測技術研討會論文集.鞍山：全國無損檢測學電磁(渦流)專委會,2004：179-181.

[4]Shatalov A A,Dubov A A.The introduction results of the metal magnetic memory method in equipment diagnostics of petroleum-chemical industry[J].Khimicheskoe I Neftegazovoe Mashinostroenie,2001(11)：41-42

[5]郭欣,張衛民,史迎雪.多探頭磁記憶檢測裝置的設計與研制[J].無損探傷,2006,30(3)：30-35.

[6]丁克勤.多通道磁記憶檢測儀研制[J].現代科學儀器,2007(4)：36-39.