脈沖渦流金屬厚度檢測信號及其特征提取

周德強 李 勇 張秋菊 尤麗華

1.江南大學，無錫，214122 2.無錫國盛精密模具有限公司，無錫，214024 3.西安交通大學，西安，710049

0 引言

脈沖渦流檢測方法是近幾十年發展起來的一種新型無損檢測技術［1－3］。傳統的電渦流檢測將正弦電流作為激勵，而脈沖渦流的激勵電流為具有一定占空比的方波，因此，具有頻域寬、信號穿透能力強、精確度高以及無接觸、檢測成本低、對人身無害、對環境無污染及檢測效率高等優點，可準確測量出距離和厚度［4］。脈沖渦流厚度檢測的關鍵工作是脈沖渦流信號特征的提取。脈沖渦流檢測技術作為一種時域分析方法，包含有豐富的頻譜信息。在脈沖渦流缺陷檢測中，常采用峰值、峰值時間、上升時間三個特征量對缺陷進行定量檢測與分類識別［5－7］。文獻［8－9］采用脈沖渦流時域信號峰值、過零時間、上升時間等特征量實現了對缺陷的定量檢測與分類識別，并在頻域里對脈沖渦流信號展開了研究，主要研究對象為缺陷的分類識別。文獻［10］對脈沖渦流缺陷信號進行了頻域特征提取，研究了各次諧波分量的頻譜幅值，提出基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測深層缺陷的結論。Park等［11］提出了功率譜幅度特征量，并證實了該特征量在厚度檢測的可行性。本文的主要工作是采用脈沖渦流檢測裝置在鋁合金板上進行厚度實驗，針對目前脈沖渦流信號所提取的信號特征進行了靈敏度與線性度分析，給出了最合適的特征值。

1 脈沖渦流厚度檢測裝置

1.1 脈沖渦流厚度檢測原理

脈沖渦流將一個重復的脈沖信號作為激勵信號。該激勵信號經過功率放大后加載在激勵線圈兩端，激勵線圈就會產生脈沖電流。激勵線圈中的脈沖電流感生出一個快速衰減的脈沖磁場，變化的磁場在導體試件中感應出瞬時渦流（脈沖渦流）。此脈沖渦流向導體試件內部傳播，又會感應出一個快速衰減的渦流磁場，隨著渦流磁場的衰減，檢測線圈上就會感應出隨時間變化的電壓。當被測試件內部結構發生改變時，該變化勢必對渦流分布產生影響，從而影響到磁場分布，檢測線圈或霍爾傳感器就會檢測到感應出的電壓信號。該電壓信號包含很重要的材質信息。所以通過測量瞬態電壓信號，就可以得到有關試件的厚度、尺寸、類型和結構參數等信息。

1.2 試驗裝置

脈沖渦流厚度檢測系統如圖1所示，該系統由探頭（激勵線圈和檢測傳感器）、TRECSCAN系統以及數據采集卡組成。激勵信號由MATLAB產生并通過數據采集卡NI PCI－6255轉換成模擬電壓輸出信號。電壓輸出信號經過TRECSCAN系統輸出激勵電流，激勵信號的復頻率為200Hz，占空比為50%，時間常數為100μs。TRECSAN系統的輸出激勵電流兩端與激勵線圈兩端相接。激勵線圈采用圓柱形磁芯。脈沖渦流探頭內徑為10mm，外徑為20mm，由線徑0.31mm的漆包線繞制而成（共繞了500匝）。檢測傳感器采用霍爾傳感器UGN3503，霍爾傳感器位于激勵線圈的底部中心，用來對受缺損擾動而產生的脈沖磁場的垂直分量進行檢測。霍爾傳感器信號經過TRECSACN系統放大，并被數據采集卡采集，數據采集卡采樣頻率設置為500kHz。實驗將階梯狀鋁合金作為試塊材料，試驗試塊厚度為10mm，長度為400mm，寬度為30mm，如圖2所示。

圖1 脈沖渦流厚度檢測系統

圖2 試塊示意圖

2 實驗數據處理與分析

2.1 時域信號特征提取

脈沖渦流信號分析主要在時域中進行。在脈沖渦流缺陷檢測中，通常采用脈沖渦流差分信號進行信號特征的提取。脈沖渦流差分信號為有缺陷的脈沖渦流響應信號與無缺陷的脈沖渦流響應信號的差值。所提取的特征主要為脈沖渦流差分信號的峰值、峰值時間等。在脈沖渦流厚度檢測實驗中，試驗數據信號采用脈沖渦流厚度檢測響應信號，數據處理工作主要是對該脈沖渦流厚度響應信號進行特征提取，圖3所示為1mm厚的鋁合金脈沖渦流響應信號。圖4所示為本文所提取的峰值特征結果。從圖4可以看出，脈沖渦流信號峰值特征隨著鋁合金厚度的增加而減小。根據脈沖渦流檢測原理可得

式中，Jeddy（z）為距離試件表面z處的渦流密度；z為渦流滲透深度；J0為試件表面的渦流密度；ω為激勵角頻率，ω＝2πf；f為激勵脈沖信號的重復頻率；σ為被測導體電導率；μ為被測導體磁導率。

圖3 脈沖渦流1mm厚鋁合金響應信號

圖4 峰值與金屬厚度的關系

由式（1）可知，被測導體中感應的渦流密度隨著金屬厚度的加大而呈指數下降。霍爾傳感器所測量的磁場由激勵線圈產生磁場與渦流產生磁場組成。因此，脈沖渦流響應信號的峰值特征隨著金屬厚度的增加而減小。然而，在脈沖渦流檢測金屬厚度為2mm處，時域噪聲影響了檢測結果。

2.2 頻域特征提取

脈沖渦流將一個重復的寬帶脈沖作為激勵信號，根據傅里葉級數展開公式，一個脈沖信號可以展開成含有基波和許多諧波成分的組合：

式中，A、ω0、t分別為激勵脈沖信號的幅值、角頻率和時間。

根據式（1）、式（2）可知，激勵信號中的不同頻率成分引起的渦流滲透深度不同。筆者對脈沖渦流缺陷信號進行了頻域特征提取技術的研究，研究了各個諧波分量的頻譜幅值，提出脈沖渦流差分信號基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測深層缺陷的結論。本文采用快速傅里葉變換對脈沖渦流響應信號進行分析。圖5所示為1mm厚度的脈沖渦流響應信號的快速傅里葉變換，從圖5以看出，脈沖渦流響應信號的頻譜信號非常豐富。根據以前研究結果［10］，基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測深層缺陷，為此，本文提取了基頻分量的頻譜幅值。從圖6可以看出，基頻分量的頻譜幅值隨著金屬厚度的增加而減小，當金屬厚度增加到9mm時，基頻分量的頻譜幅值近似保持常值，這與渦流滲透原理相一致。比較圖4與圖6可知，基頻分量的頻譜幅值與時域峰值均顯示出隨著金屬厚度的增加而減小的趨勢。然而，基頻分量的頻譜幅值能夠有效消除噪聲信號的影響。

圖5 脈沖渦流響應信號的FFT變換

圖6 頻譜幅值與金屬厚度的關系

2.3 功率譜幅值特征提取

文獻［12］通過對激勵脈沖的頻譜分析，解釋了激勵脈沖在不同頻段的能量分布，并通過實驗證實激勵脈沖的能量與脈沖渦流的滲透深度密切相關。功率譜幅值作為一種新型脈沖渦流信號提取方法，不同于以上時域峰值與頻譜幅值在脈沖渦流厚度檢測中應用，可以提高脈沖渦流厚度檢測的可靠性。Park等［11］提出了功率譜幅值特征量，指出脈沖渦流信號能量與金屬厚度相關，并證實該特征量在厚度檢測的可行性。本文采用該方法提取了脈沖渦流響應信號的功率譜幅值并將其作為特征值。從圖7可以看出，功率譜幅值隨著金屬厚度的增加而減小，其變化趨勢與基頻分量的頻譜幅值相同，功率譜幅值也能有效消除噪聲信號的影響。

2.4 特征值歸一化分析

圖7 功率譜幅值與金屬厚度的關系

為了進一步分析與比較上述特征值對金屬厚度變化的靈敏度與線性度，選擇最合適的脈沖渦流厚度響應信號的特征值。本文對提取的3個特征值（脈沖渦流厚度響應信號的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值）進行了歸一化處理。從圖8可以看出，功率譜幅值在3個特征值中對厚度變化的靈敏度最高，其次是頻譜幅值。從特征值與金屬厚度的線性度上分析，可以看出功率譜幅值在金屬厚度為1mm到7mm時線性度良好。功率譜幅值比頻譜幅值靈敏度高，這是因為功率譜幅值與頻譜幅值滿足如下關系：

式中，Sf（ω）、F（ω）、N分別為脈沖渦流響應信號的功率譜幅值、頻譜幅值和采樣點數。

圖8 歸一化特征值

根據式（3）可以得出，功率譜幅值與頻譜幅值都能表示脈沖渦流響應信號的頻率結構。然而，脈沖渦流響應信號的功率譜幅值為脈沖渦流響應信號頻譜幅值的平方，有利于突出脈沖渦流響應信號的高幅值成分。因此，功率譜幅值在脈沖渦流金屬厚度檢測中最有效。

3 結論

（1）脈沖渦流厚度響應信號的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值均隨著金屬厚度的增加而減小，但時域峰值易受噪聲影響。

（2）比較脈沖渦流厚度響應信號的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值的靈敏度與線性度可知，功率譜幅值在脈沖渦流厚度檢測中靈敏度最高，在金屬厚度為1mm到7mm線性度良好。

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