基于小波分析的脈沖渦流/電磁超聲復合無損檢測方法

田明明 解社娟, 韓 捷 李 鵬 裴翠祥 陳振茂

1.西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測結構完整性評價工程技術中心，西安，710049 2.新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，烏魯木齊，830011 3.核動力運行研究所，武漢，430074 4.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢，430223

0 引言

與傳統壓電超聲檢測方法相比，電磁超聲(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)檢測方法具有無需媒介、無需與被測物體接觸、對檢測工件表面質量要求不高和檢測速度快等特點，多應用于結構的殘余厚度測量。然而電磁超聲檢測方法依然存在近表面盲區，即結構的殘余厚度很小(1～2 mm)時，缺陷回波信號會與激勵信號幾乎重疊，難以區分。相比于電磁超聲檢測，脈沖渦流(pulse eddy current testing，PECT)檢測方法對近表面缺陷檢測有較高的精度，但是由于趨膚深度的限制，無法對深埋部位缺陷進行有效檢測[1-7]。經過分析研究發現，電磁超聲信號本身包含脈沖渦流的部分，因此如果能夠有效利用電磁超聲中的脈沖渦流信號部分，即可實現電磁超聲、脈沖渦流的復合無損檢測。通過高效的信號處理方法對兩種信號進行分離提取是實現該復合檢測方法的關鍵。相比于壓電超聲與渦流復合無損檢測方法，上述方法具有探頭簡單、工作范圍廣、適應復雜環境等優點。筆者近來基于上述原理實現了電磁超聲、脈沖渦流兩種方法的初步復合檢測，但對復合檢測信號的分離提取還需進一步研究[8-11]。

基于此，本文提出了一種基于小波分析的對脈沖渦流/電磁超聲復合檢測方法的檢出信號的分離提取策略，并進行了數值仿真和實驗驗證。

1 PECT/EMAT復合檢測方法的基本原理

電磁超聲檢測原理如圖1所示。線圈中通入瞬態激勵電流，由于電磁感應，導電試件中會產生渦流，該渦流引起的次生磁場誘發線圈產生電壓信號，稱之為脈沖渦流信號。同時，線圈正上方的永磁鐵會產生很強的靜磁場，靜磁場和試件中的脈沖渦流相互作用產生洛倫茲力，從而引起試件振動，試件振動會切割磁感線，又會產生新的渦流，該渦流引起的磁場信號變化誘發線圈產生電壓信號，稱之為超聲渦流信號[7-9]。在做傳統EMAT檢測時，往往舍棄脈沖渦流信號，只提取超聲渦流信號成分。而本文研究了混合渦流信號，包括兩種渦流信號的特征，以及基于小波分析的信號分離提取技術。復合檢測方法的原理[10-11]如圖2所示。

圖1 電磁超聲檢測原理圖Fig.1 Schematic of EMAT

圖2 脈沖渦流/電磁超聲復合檢測方法原理圖Fig.2 Schematic of hybrid PECT/EMAT method

2 數值仿真與信號分析

本研究利用COMSOL軟件中的電磁場與固體力學場模塊計算了電磁超聲/脈沖渦流復合信號。仿真模型為一個二維軸對稱模型，如圖3所示，試件為長方體鋁板，表1列出了模型主要參數。激勵線圈中通入沿垂直面內的半個周期的脈沖正弦激勵電流，頻率為2 MHz。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

長度(mm)50密度(103 kg/m3)8.9寬度(mm)50彈性模量(1011 Pa)1.1厚度(mm)5磁導率(H/m)0.37 磁鐵直徑(mm)18電導率(107 S)5.714磁鐵高度(mm)30線圈直徑(mm)12

該模型是典型的電磁-機械耦合場模型。首先利用COMSOL軟件中的磁場模塊分別計算偏置磁場線圈產生的恒定磁場和激勵線圈產生的脈沖磁場，即可得到試樣內部的渦流，定義為脈沖渦流。脈沖渦流的檢出電壓信號為

(1)

然后使用COMSOL軟件的固體力學模塊計算由洛倫茲力產生的試樣內部的速度和位移的空間分布。其中洛倫茲力為

Fpulse,t=Jpulse,t×Bpulse,t

(2)

其中，Fpulse,t為瞬態洛倫茲力；Jpulse,t為瞬態渦流；Bpulse,t為瞬態磁場，由瞬態渦流和永磁體產生的恒定磁場組成。

最后創建了另外一個磁場模塊用來計算由于金屬板振動切割磁感線引發的超聲渦流產生的磁場：

Bul,t=σ(vt×Bpm)

(3)

其中，Bul,t為超聲渦流產生的瞬態磁場信號；σ為電導率；vt為計算點的速度矢量；Bpm為永磁體產生的恒定磁場。

那么超聲渦流引發的感應線圈的電壓為

(4)

由脈沖渦流和超聲渦流引起的復合檢出電壓信號Uh,t如下：

Uh,t=Uu,t+Up,t

(5)

計算結果如圖4～圖6所示。可以發現，脈沖渦流信號在激勵信號之后趨于平緩；超聲渦流信號則在始波之后有多個底面反射回來的回波信號；復合信號中脈沖渦流信號占據主導地位，去除始波之后如圖7所示，依然未見超聲信號，考慮采

圖4 單純的脈沖渦流信號Fig.4 Pure PECT signal

圖5 單純的超聲渦流信號Fig.5 Pure EMAT signal

圖6 復合信號結果Fig.6 Hybrid signal

圖7 復合信號去除始波結果Fig.7 Hybrid signal without initial wave

用信號分離技術。由于超聲信號中具有多個凸起小波，且每個凸起的小波形狀非常類似，其余激勵信號的波形是相關的，因此可以基于小波分析，通過尋找與小凸起類似的波形作為母波，從而對復合信號進行遍歷，找出復合信號中的超聲信號。

3 基于小波閾值去噪技術對復合檢出信號的分離提取

小波去噪在一定程度上可視為低通濾波，但是在去噪后還能保留信號特征[12-14]。首先認為脈沖渦流信號與復合信號具有很好的相關性，因為從信號形狀來看，復合信號的主要趨勢是由脈沖渦流信號主導的，而超聲中底面回波的小凸起可以看作脈沖渦流信號的噪聲，因為底面回波與脈沖渦流信號之間不具備相關性。因此對圖7中的復合信號去噪，利用自適應軟閾值去噪方法，使用sym8小波基，對復合信號分解到第6層，結果如圖8所示，可以看到，去噪之后分離出的脈沖渦流信號和計算得到的脈沖渦流信號具有很好的重合性。之后用復合信號與分離的脈沖渦流信號作差分就可得到只包含超聲渦流信號的結果，如圖9所示，可以看出，通過小波閾值去噪分離的方式可以從復合檢測信號中分離出脈沖渦流信號和超聲信號。

圖8 從復合信號中分離出的脈沖渦流信號Fig.8 Pulse eddy current component extracted from hybrid signal

圖9 從復合信號中分離出的超聲渦流信號Fig.9 Ultrasonic eddy current component extracted from hybrid signal

4 實驗驗證

本研究搭建了PECT/EMAT復合檢測系統，如圖10所示。檢測均采用同一探頭，探頭由一個直徑18 mm、高30 mm的永磁鐵和直徑12 mm的單層螺旋形線圈構成。實驗中使用RITEC-RAM 5000電磁超聲儀激發一個半個周期、頻率為2 MHz的正弦波信號作為激勵，通入線圈中，同時線圈中的信號進入雙工器進行信號分離得到檢出信號，復合檢出信號直接通過信號采集器進入電腦，通過小波分析算法就可以得到復合信號中的脈沖渦流信號成分和超聲渦流信號成分，從而同時得到試件中的表面缺陷信息和底部全局減薄信息。

1.RAM-5000前后面板 2.各接線 3.計算機系統及軟件界面4.雙工器 5.探頭 6.前置放大器 7.信號選擇器8.信號濾波器 9.示波器圖10 復合檢測系統Fig.10 Hybrid EMAT/PECT system

4.1 表面槽狀缺陷檢測

圖11 帶表面槽缺陷的鋁板Fig.11 Aluminum plate with surface grooves defect

圖12 復合檢出電壓信號Fig.12 The hybrid detection voltage signals

復合信號中的脈沖渦流信號成分對表面的缺陷非常敏感，可用于檢測試件的表面裂紋。圖11所示是一個長度為320 mm、寬度為160 mm的鋁板，其上制作了表面的槽狀缺陷，缺陷的長度均為30 mm，寬度均為5 mm，深度D不同，分別為0.5 mm、0.72 mm、0.9 mm、1.3 mm、1.5 mm、1.6 mm、1.9 mm、2.1 mm。復合信號的檢出電壓信號見圖12。通過小波閾值去噪得到脈沖渦流成分的信號如圖13a所示；以無缺陷區域復合檢出信號中分離出的脈沖渦流信號成分作為參考信號做差分，如圖13b所示。為了進一步表征缺陷深度和信號的關系，提取了差分信號的峰值和峰值時間，如圖14所示。可以看到，缺陷深度和差分信號峰值以及峰值時間具備很好的定量關系，驗證了小波閾值去噪方法提取復合信號中的脈沖渦流成分的有效性。

(a)小波閾值去噪

(b)差分信號圖13 從復合信號中分離出的脈沖渦流信號Fig.13 Pulse eddy current component extracted from hybrid signal

(a)峰值

(b)峰值時間圖14 差分信號中提取到的峰值與峰值時間和表面缺陷深度的關系Fig.14 Extracted peak value and peak time of differential signals VS defect depth

圖15 階梯狀鋁板試件Fig.15 Specimen of aluminum step bar

(a)d=7.76 mm (b)d=10.06 mm

(c)d=12.14 mm (d)d=25.05 mm圖16 不同厚度試件的復合檢出電壓信號Fig.16 The hybrid detection voltage signals

4.2 底部全局減薄缺陷檢測

復合信號中的超聲渦流成分可以對板材厚度進行檢測，可以檢出試件底部減薄缺陷。如圖15所示，試件為一個不同厚度的階梯狀鋁板，厚度d分別為7.76 mm、10.06 mm、12.14 mm、25.05 mm，每個階梯的長度為40 mm，寬度為60 mm。4個不同板厚的復合檢出信號見圖16。小波閾值去噪后，使用原始信號與去噪之后的信號做差分，就可以得到超聲渦流信號。實驗中受到高頻噪聲影響(圖17)，且噪聲頻率是高于超聲信號的，所以可以通過第二次小波閾值去噪以去除實驗噪聲，提取4個不同板厚的超聲渦流信號(圖18)。可以看出，當板材厚度從7.76 mm增大到25.05 mm時，超聲渦流信號中的回波信號逐漸遠離始波信號，說明該回波信號對板材厚度有很好的表征，驗證了小波閾值去噪方法提取復合信號中的超聲渦流成分的有效性。

(a)d=7.76 mm (b)d=10.06 mm

(c)d=12.14 mm (d)d=25.05 mm圖17 復合信號中的超聲渦流信號成分(含噪聲)Fig.17 Ultrasonic eddy current signal componentsin hybrid signals (with noise)

(a)d=7.76 mm (b)d=10.06 mm

(c)d=12.14 mm (d)d=25.05 mm圖18 復合信號中的超聲渦流信號成分(去除噪聲)Fig.18 Ultrasonic eddy current components extracted from hybrid signal (without noise)

5 結論

本文分析了電磁超聲/脈沖渦流復合信號中的脈沖渦流信號和超聲信號各自的特點，從而提出了基于小波分析的電磁超聲/脈沖渦流復合檢測信號的分離提取方法。結合數值計算和實驗結果可以看出這一方法是有效的，可以對表面缺陷和底部全局減薄缺陷進行同步的檢出，有較大的工程應用價值。