脈沖渦流檢測的頻域分析研究

XX大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 題 目： 脈沖渦流檢測的頻域分析研究 學 院： 測控與光電工程學院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 姓 名： 學 號： 指導教師： 二xx年六月脈沖渦流檢測的頻域分析研究 摘要：脈沖渦流檢測采用脈沖激勵，能夠檢測到不同深度的缺陷，獲取更為豐富的缺陷信息，對保證飛機安全也有著非凡的意義，因此引起了眾多研究人員的興趣。脈沖渦流含有非常豐富的頻率譜信息，因此脈沖渦流檢測頻域分析的研究具有重大的意義。本論文首先設(shè)計、制作了脈沖渦流檢測頻域分析所需要的圓形探頭，在被檢缺陷試塊上采集脈沖渦流檢測信號。論文對采集的信號通過FIR濾波、IIR濾波以及小波進行降噪方面的研究，比較了三種去噪方法，最后選取了去噪效果更好的小波去噪方法對檢測信號進行去噪。 論文接著對時域的缺陷信號進行差分處理，然后再對差分處理過的時域信號利用MATLAB編寫分析算法進行傅里葉變換，進行頻譜分析方面的研究。分析了不同頻率對腐蝕缺陷信號的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)低頻分量有利于檢測深層缺陷，高頻分量有利于檢測淺層缺陷。關(guān)鍵字：脈沖渦流檢測 腐蝕缺陷 頻域分析 Frequency domain analysis of pulsed eddy current testing Aastract: Pulsed eddy current testing using pulsed excitation, able to detect defects at different depths, get richer defect information, to ensure the safety of the aircraft also has a special significance, and therefore aroused the interest of many researchers. Pulsed eddy current frequency spectrum is very rich in information, so research pulsed eddy current testing frequency domain analysis is of great significance. In this thesis, the design, production of the circular probe pulsed eddy current testing frequency domain analysis required to collect pulsed eddy current testing signal defect in the subject test block. Thesis for signal acquisition through FIR filtering, IIR filtering, and wavelet research noise reduction, comparing the three de-noising method, and finally selected denoising method the detection signal de-noising. Then the paper defect differential time domain signal processing, and then treated the difference time-domain signal analysis algorithms using MATLAB prepared Fourier transform, spectral analysis of the study. The effects of different frequencies of corrosion defect signal. The analysis revealed that low-frequency component is conducive to deep defect detection, detection of high frequency components in favor of shallow defects.Keywords: Pulsed eddy current testing Corrosion defects Frequency domain analysis 目錄1 引言1.1 選題的依據(jù)和意義11.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）21.2.1 國外研究現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀31.3本論文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排41.3.1本論文主要研究內(nèi)容41.3.2本論文結(jié)構(gòu)安排42 脈沖渦流檢測原理2.1 趨膚效應(yīng)52.2 提離效應(yīng)72.3 脈沖渦流檢測的工作原理簡介73 脈沖渦流檢測平臺與傳感器設(shè)計3.1 脈沖渦流檢測系統(tǒng)93.2 探頭的設(shè)計和制作113.3 被檢缺陷試塊設(shè)計124 脈沖渦流檢測信號的去噪處理4.1 信號去噪144.2 低通濾波144.2.1 FIR低通濾波器144.2.2 IIR低通濾波144.2.3小波去噪144.2.4不同去噪方法比較與討論155 脈沖渦流檢測的頻域分析研究5.1 快速傅里葉變換法165.2 頻率對不同提離高度的缺陷信號的影響195.3 頻率對不同缺陷層的信號的影響195.4 頻率對不同深度的缺陷信號的影響225.5 頻率對不同大小缺陷信號的影響236結(jié)論與展望6.1 結(jié)論256.2 展望25參考文獻26致 謝27附錄28脈沖渦流檢測的頻域分析研究1 引言1.1 選題的依據(jù)和意義無損檢測(Nondestructive testing，NDT)是一門非常綜合性的學科。它利用聲光電磁等和物質(zhì)的相互作用，指在不損壞檢測對象使用性能的前提下，檢測其內(nèi)部或表面缺陷的綜合性的應(yīng)用技術(shù)。它在材料的加工、零件的制造、產(chǎn)品的組裝乃至產(chǎn)品使用的整個過程中，發(fā)揮著重要的作用。對保證工件質(zhì)量、保障生產(chǎn)安全、節(jié)約資源、提高勞動生產(chǎn)率方面起到了非常重要的作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)越來越多的發(fā)揮著重要作用，同時反映著該國家的工業(yè)和科技的發(fā)展水平。該技術(shù)的應(yīng)用范圍比較廣泛，特別是在航空維修中，已經(jīng)成為保證飛機安全、增加飛行可靠性以及提高飛機壽命的重要技術(shù)手段。隨著航空維修的不斷提高，無損檢測的重要性越來越重要，從某種程度上來說，航空工業(yè)的安危與無損檢測密切相關(guān)。檢測飛機結(jié)構(gòu)的損傷是無損檢測在航空工業(yè)維修中最基礎(chǔ)的應(yīng)用。飛機損傷一般可分為以下五種情況1：在飛機零件的生產(chǎn)制造過程中，結(jié)構(gòu)零部件產(chǎn)生的缺陷；負載過大造成的結(jié)構(gòu)損傷；因刮擦、碰撞造成的損傷等；環(huán)境原因所造成的腐蝕損傷；載荷過大造成的疲勞損傷。如果不能及時有效的處理這些損傷，非常容易產(chǎn)生裂紋,飛機的安全就會受到嚴重地威脅，造成慘痛的事故。 渦流檢測是以電磁的感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，故一般只能用于檢測導電材料。當載有變化電流的檢測線圈接近導體工件時，在工件中會感生出感應(yīng)電流，這種電流稱為渦流。工件的電導率（）、磁導率（）、形狀、大小、尺寸和缺陷等一些自身因素影響著渦流的相位、大小和流動形式。我們可以通過觀察渦流的特點來判斷工件的狀態(tài)以及有無缺陷，這種檢測方法，叫做渦流檢測。利用渦流檢測技術(shù)，渦流檢測線圈不用與試件接觸，也不用耦合劑，檢測過程中也不會影響工件的性能。另外在一定條件下，對工件中缺陷的信息檢測信號能夠很好的反映出來，而且對管、棒、線和板材等有較高的檢測效率。一般的渦流檢測技術(shù)選取的激勵信號是正弦信號，但是由于趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)），深處的缺陷檢測效率比較低；而脈沖渦流檢測采用的激勵是脈沖，能夠檢測到不同位置不同深度的缺陷，能夠獲取更為豐富缺陷信息，對于工業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，同時對保證飛機安全也有著非凡的意義，因此引起了眾多研究人員的興趣。盡管脈沖渦流含有非常豐富的頻率譜信息，但對頻率譜特征量的利用并未引起相關(guān)工作者的重視，因此脈沖渦流檢測頻域分析的研究具有重大的意義。1.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述） 從檢測中得到的信號可以提取有效的特征量,對缺陷進行有效識別甚至定量、定性分析,在脈沖渦流檢測中是非常重要的。起初對脈沖渦流檢測缺陷識別的研究，主要集中時域上尋找可以用來作為缺陷分類的特征量。如對瞬態(tài)感應(yīng)電壓進行差分處理(被檢工件有缺陷與無缺陷情況下的檢測信號相減)后,取差分信號的峰值、峰值時間以及過零時間等信息作為特征量,分析這些特征量與缺陷的形狀、大小以及深度等信息之間的聯(lián)系。這些時域特征量如圖1.1所示1。圖1.1 脈沖檢測信號時域特征量1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 脈沖渦流的檢測信號中含有非常豐富的頻譜分量。因此，從頻域中提取合適的特征量對缺陷進行頻域分析來引起了眾多研究者的關(guān)注。近三十年來，國外科研工作者在檢測方法和信號處理方面取得了大量的研究成果： （1）法國里昂電氣工程中心在1993年利用磁傳感器研發(fā)了一套脈沖渦流檢測系統(tǒng)2，3,與一般渦流檢測系統(tǒng)的傳感器不同的是，其采用釆用的是差分分布模式，明顯的提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度。該系統(tǒng)能夠檢測出深度為20mm的缺陷。之后,他們利用所得到的感應(yīng)信號的峰值、過零時間和最大幅值信號對應(yīng)的頻率,對鉚釘邊緣裂紋的尺寸大小形狀及深度進行了分析研究。 （2）美國依阿華州立大學無損檢測評估中心的J. C. Moulder等人的研究重點集中在對飛機整個機身結(jié)構(gòu)中的缺陷檢測。對于脈沖渦流檢測，他們的激勵探頭和檢測探頭,釆用的是兩個線圈，通過選取峰值和過零的時間來作為特征量。實驗結(jié)果表明峰值主要和腐蝕缺陷的大小及腐蝕缺陷的深度密切聯(lián)系3。 （3）田貴云教授所在英國紐斯維爾大學的研究團隊，完成了對脈沖渦流線圈檢測的解析法的研究，他們通過采用磁傳感器來對多層導電結(jié)構(gòu)材料進行試驗。選用主成分分析法提取信號特征量，對表面、近表面的缺陷分類識別4,5。 （4）2012年NDT & E Int.文獻5中，Saleh Hosseini, Aouni A. Lakis應(yīng)用Rihaczek distribution對脈沖渦流信號進行時頻分析，然后分析壓縮數(shù)據(jù)得到特征量，用于分類，進行飛機多層結(jié)構(gòu)層間腐蝕的檢測，取得了較好效果。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國也有很多學者和專家對脈沖渦流檢測技術(shù)也做出了大量的科研工作，例如國防科技大學的羅飛路教授帶領(lǐng)的科研團隊則通過釆用脈沖渦流技術(shù)對金屬表面和近表面的裂紋缺陷進行了尺寸評估,對不同類型缺陷進行分類識別。然而,由于測量噪聲容易影響時域信號,這樣就會降低缺陷分類識別的準確性。脈沖渦流檢測有著頻譜分量的巨大優(yōu)勢,因此可以對脈沖渦流的時域信號進行適當?shù)南嚓P(guān)變換,許多研究人員對于缺陷的頻域分析產(chǎn)生了很大的興趣。 （1）國防科技大學，楊賓峰等人對深度不同的上表面和下表面缺陷信號進行快速傅里葉變換,充分利用脈沖渦流信號的頻域信息,對裂紋的進行分類識別，提出了一種叫做“頻譜分離劣點”的方法,裂紋分類識別的精確度得到了提高6。 （2）2010年G Yang等人實驗研究了鋁板鉚釘孔邊裂紋缺陷的脈沖渦流檢測,對于該種缺陷給出了分類識別方法。檢測了孔邊的三個位置,用巨磁電阻傳感器來釆集信號,并通過多次測量來求平均值,結(jié)果可對上、下表面缺陷進行定性區(qū)分。以信號的時域和頻域分析為基礎(chǔ),還提出了功率譜的概念,作為新的特征量。對信號進行頻域分析后，研究人員發(fā)現(xiàn)能量大多集中在0-50KHZ的范圍內(nèi),然后對該段頻率信號的幅值進行積分得到信號的全部能量。用該特征量能夠較好地識別不同長度和寬度的孔邊裂紋7。 （3）2008年周德強等人研究了在脈沖渦流檢測信號中利用小波變換去噪的問題8，對脈沖渦流信號采用小波去噪進行了處理，缺陷信號的信噪比得到了顯著提高；2010年，周德強等人對各種特征處理方法進行比較，對頻域進行新處理，提出了新的脈沖渦流差值信號特征值頻譜幅值，對于缺陷深度方面進行了的有效分類識別。 （4）2011年尤麗華等人研究了脈沖渦流檢測的頻率譜分析方法9。他們的脈沖渦流檢測激勵信號選擇了周期方波信號,研究了檢測信號的幅頻特性和相頻特性,對缺陷分類提出了新的特征量。1.3本論文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排1.3.1本論文主要研究內(nèi)容 本課題與脈沖渦流檢測技術(shù)發(fā)展前沿相結(jié)合，著力解決其在實際應(yīng)用當中面臨的主要問題-頻域分析。提出新的頻域分析的算法，并通過實驗進行了驗證。1.3.2本論文結(jié)構(gòu)安排本論文主要包括以下幾個部分：第一章：為前言，首先概述了本學位論文選題的主要依據(jù)和意義。綜合介紹了國內(nèi)外關(guān)于渦流檢測頻域分析的研究情況，并對本文作者所做的工作進行了簡述。 第二章：主要介紹脈沖渦流檢測的趨膚效應(yīng)、提離效應(yīng)及脈沖渦流檢測的工作原理。第三章：主要介紹脈沖渦流檢測系統(tǒng)，包括檢測系統(tǒng)的組成和檢測探頭的設(shè)計、被檢 腐蝕缺陷試塊、FFT及信號去噪。第4章 ：分別對不同位置、尺寸的鋁板腐蝕缺陷的檢測信號進行數(shù)據(jù)處理,分析頻率 對不同位置、尺寸的缺陷信號的影響。第5章 ：總結(jié)與展望：概括歸納本論文的主要內(nèi)容,對以后工作提出了建議和設(shè)想。2 脈沖渦流檢測原理2.1 趨膚效應(yīng) 當線圈中有交變電流通過時，試件截面上的電流由于感應(yīng)作用會分布不均勻，從試件表面向內(nèi)部渦流密度會按負指數(shù)規(guī)律衰減，距離試件表面越近，渦流密度就越大，隨著距表面距離的增加渦流密度越來越小，這就是所謂的趨膚效應(yīng)10 。平面坐標圖如圖2-1(a)所示。將離試件上表面的距離X作為縱坐標，將渦流密度（歸一化后）作為橫坐標，如圖2-1(b)所示。定義渦流密度減弱到其表面值的1/e時，此時的深度為渦流滲透深度，即趨膚深度。 由此可以推導出趨膚深度的表達式為： (2.1) 其中f為激勵信號的頻率；為被測試件的磁導率；被測試件的電導率。由公式(2.1)知，當其他參數(shù)不變時，滲透深度與頻率f的平方根成反比，渦流滲透深度將隨著頻率的增加逐漸減小。對于脈沖渦流，先要對脈沖激勵信號作傅里葉變換，接著確定每個頻率分量所對應(yīng)的趨膚深度。比如對于一個方波信號f（t），如果設(shè)其周期為T，脈沖寬度為。這樣我們就可以推出在脈沖激勵作用下的滲透深度為11： n=1,2,3,. (2.2)（a）導體中渦流分布圖 （b）歸一化后渦流密度圖圖2.1 趨膚效應(yīng)從式(2.2)我們可以知道，脈沖激勵的頻率成分非常豐富，它決定了渦流可以滲透到不同深度，能夠?qū)ι顚尤毕葑鞒鱿嚓P(guān)的感應(yīng)。在我們進行缺陷檢測的過程中，激勵信號中包含的高頻分量它的滲透深度比較小，只能影響到表面或近表面缺陷。而低頻分量因為其滲透深度比較大所以能夠影響到下表面的缺陷。所以我們可以很明顯的了解到表面或近表面缺陷受到高頻和低頻分量的共同影響，下表面缺陷只受到低頻的影響。如圖2.2所示。此外脈沖信號周期T適當?shù)卦黾?，渦流的趨膚深度也會增大。圖2.2 激勵信號的趨膚效應(yīng)2.2 提離效應(yīng)所謂的提離效應(yīng)就是指變化的電磁場接近導體工件附近時，會在導體工件內(nèi)產(chǎn)生電渦流。當我們改變這個變化的磁場與導體工件的距離時，電渦流的大小也會隨之改變，我們稱這種現(xiàn)象叫做提離效應(yīng)。在渦流檢測的過程中，提離效應(yīng)對檢測信號有著非常大的影響，是一種比較普遍的干擾因素，當然對檢測結(jié)果會產(chǎn)生影響。然而提離效應(yīng)并不是一無是處，在很多方面它有著特殊的用處，譬如我們可以通過提離效應(yīng)測量金屬表面上涂層的厚度或者油漆等覆蓋層的厚度，給我們的生產(chǎn)、生活也帶來了一定的方便。2.3 脈沖渦流檢測的工作原理簡介我們將通有交流電的檢測線圈接近導體工件。這時就會在線圈內(nèi)及其周圍產(chǎn)生交變的磁場，使工件中產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)交變電流，我們稱之為渦流。渦流的分布及大小，除了與檢測線圈形狀、尺寸、電流大小及頻率等因素有關(guān)外，還受到工件的電導率、磁導率、形狀、尺寸、與線圈的距離以及表面有無裂紋缺陷等因素的影響。同時,渦流也會形成另外一個磁場,此磁場又會反過來使得總磁場發(fā)生變化,線圈的感應(yīng)電壓及阻抗受此影響會發(fā)生變化。于是,通過測量參數(shù)的變化,就可以測量出被測工件的有無缺陷等信息12，如圖2.3所示。（a）無缺陷 . （b）有缺陷圖2.3 渦流檢測原理圖 檢測過程中,利用信號發(fā)生器，將方波信號加載在激勵線圈兩端。在周圍空間，此信號會產(chǎn)生一個具有相同波形的脈沖磁場,稱之為源磁場。當源磁場處在上升沿和下降沿時，會在導體工件中感應(yīng)出迅速減弱的渦流,稱為脈沖渦流。脈沖渦流在周圍空間中又會產(chǎn)生一個快速衰減的渦流磁場。在渦流磁場與源磁場共同作用下，檢測線圈會感應(yīng)出電壓。脈沖渦流信號產(chǎn)生的原理如下圖2.4所示。如果導體試件上存在腐蝕、裂紋等缺陷,一定會影響渦流的大小及分布,從而渦流磁場以及感應(yīng)電壓會受到影響。通過分析檢測線圈上感應(yīng)電壓的變化,就可以獲得缺陷的尺寸、位置等相關(guān)的信息1。圖2.4 脈沖渦流檢測中各信號的對應(yīng)關(guān)系 與一般的渦流檢測方法相比，它具有以下優(yōu)點: (1)脈沖渦流的激勵及其響應(yīng)包含的頻率范圍非常廣,可以提供足夠多的缺陷信息。 以進行缺陷的分類識別和定量評估。 (2)一般的渦流檢測方法是利用感應(yīng)電壓幅值和相位角來對缺陷進行定位，而脈沖渦 流檢測是對感應(yīng)磁場進行時域和頻域的分析。（3）因為探頭的提離和邊緣作用產(chǎn)生的噪聲信號，可以在測量結(jié)束以后進行后續(xù)的 處理和一定的補償。 (4)脈沖渦流檢測系統(tǒng)中的檢測元件對低頻信號具有較高的靈敏度，同時脈沖激勵 具有更高的能量所以其滲透深度比一般的渦流檢測滲透深度深?；诖?在工業(yè)檢測領(lǐng)域中脈沖渦流檢測技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景,激發(fā)了許多研究者的興趣,成為了現(xiàn)代無損檢測技術(shù)研究的熱點之一。3 脈沖渦流檢測平臺與傳感器設(shè)計3.1 脈沖渦流檢測系統(tǒng)脈沖渦流檢測系統(tǒng)最基本的組成包括信號發(fā)生器、探頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)。信號發(fā)生器的作用是產(chǎn)生激勵信號,給探頭施加激勵。為了能在檢測中得到更高的信噪比,一般采用功率放大器對激勵信號進行放大。探頭包含激勵線圈和接收傳感器。接收傳感器可以是將磁感應(yīng)強度變化率轉(zhuǎn)換為電信號的檢測線圈,也可以是直接將磁感應(yīng)強度轉(zhuǎn)換為電信號的磁場測量元件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄檢測過程中接收線圈或磁場測量元件上的檢測信號。接著利用數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)對所得信號進行后處理,去噪放大后進行時域或頻域分析,提取特征量,進行缺陷分類識別。最后存儲或顯示識別結(jié)果。 系統(tǒng)硬件實驗平臺主要由Hall（TMR） 傳感器探頭、被檢試件、脈沖信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集模塊和信號處理模塊五大部分組成。脈沖信號發(fā)生器主要用于產(chǎn)生激勵脈沖信號；傳感器探頭主要由磁傳感器和激勵線圈兩個部分組成，激勵線圈底面的中心是磁傳感器，用來對因受缺陷影響而產(chǎn)生的渦流磁場進行檢測；被測試件中的脈沖激勵磁場主要由激勵線圈產(chǎn)生，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在被測金屬試件表面會產(chǎn)生渦流和由渦流感生出的磁場，從而在磁敏傳感器中測量垂直方向上總磁場是激勵線圈激發(fā)的磁場和試件中產(chǎn)生的感生渦流產(chǎn)生的磁場的疊加；被測試件模塊用來模擬飛機蒙皮及其其它多層結(jié)構(gòu)中亞表面、第二層、第三層和第四層中鉚釘附近的裂紋以及腐蝕缺陷等常見缺陷。 數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3.1所示：脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生一個方波信號，該信號經(jīng)功率放大器放大之后加在激勵線圈的兩個輸入端，此時就會在線圈中激發(fā)出脈沖磁場，將激勵線圈放在缺陷試塊上，該變化的磁場就會在試塊中感生出隨磁場變化的渦流，根據(jù)楞次定律可知，變化的渦流會產(chǎn)生一個阻礙原激勵磁場變化的感生磁場，這兩個磁場疊加之后的矢量和磁場被 TMR 傳感器所感知而線性輸出為相應(yīng)的電壓信號，再通過一個增益可調(diào)的電壓放大器將輸出信號放大到數(shù)據(jù)采集卡所設(shè)定的范圍內(nèi)。然后通過使用信號采集軟件在 PC機上編寫的數(shù)據(jù)采集程序，控制采集卡完成由傳感器輸出的模擬信號的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)保存，方便以后的使用。根據(jù)實驗的需要我們采集了腐蝕缺陷試塊第一層、第二層、第三層的實驗數(shù)據(jù)。圖3.2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物圖。圖3.1 系統(tǒng)工作流程圖圖3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物圖3.2 探頭的設(shè)計和制作 探頭設(shè)計的優(yōu)劣直接影響著探頭靈敏度。雖然目前沒有定量的標準能夠準確地設(shè)計出各種探頭參數(shù)的最優(yōu)值,但我們可以根據(jù)理論來定性地分析線圈直徑、高度、匝數(shù)等因素對于探頭性能的影響。經(jīng)分析,在探頭設(shè)計中有以下幾個大的原則可供遵循:(1)半徑越小的激勵線圈,其所產(chǎn)生的磁場分布越集中,越有利于檢測分辨率的提高;(2)減小的線圈高度可以在導電試件中感應(yīng)出更大的渦流,有利于檢測靈敏度的提高;(3)為了能更好地約束磁場,可在線圈中加入磁芯，使磁力線更為集中,增大線圈周圍磁感應(yīng)強度,提高檢測分辨率和靈敏度;(4)漆包線越粗,線圈阻抗越小,但對于相同直徑和高度的線圈,過粗的導線會使線圈匝數(shù)減少,使線圈感應(yīng)磁場的能力變?nèi)?。所以我們的激勵線圈一般選用較粗的漆包線(0.31mm),以獲得更小的線圈阻抗。 本論文參考了相關(guān)的脈沖渦流檢測文獻1，設(shè)計制作了實驗所用的檢測探頭。實驗探頭主要由激勵線圈、圓形骨架、鐵氧體磁芯、TMR傳感器4部分組成。所用的激勵線圈內(nèi)徑為14mm，外徑為24mm，高6mm，匝數(shù)為120匝。鐵氧體內(nèi)徑14mm，外徑30mm高10mm。實物圖如下圖3.3所示。 圖3.3 實驗探頭實物圖激勵線圈用來在被測試樣中產(chǎn)生渦流，鐵氧體用于引導聚集磁場，TMR傳感器置于線圈中央下方用于檢測磁場。激勵線圈繞在圓柱形骨架上。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在被測金屬試件表面會產(chǎn)生渦流和一個由渦流感生出的磁場，從而在磁敏傳感器中測量垂直方向上總磁場是激勵線圈激發(fā)的磁場和試件中產(chǎn)生的感生渦流產(chǎn)生的磁場的疊加。3.3 被檢缺陷試塊設(shè)計本論文腐蝕類型缺陷的被檢對象為模擬飛機機身的多層鉚接鋁結(jié)構(gòu)，材料型號為LY12-T3。試樣整體幾何尺寸為450 mm400 mm15 mm（長寬高），每層鋁板厚度為1.5 mm，共10層，將10層鋁板用帶螺紋的鉚釘和螺栓緊密連接，缺陷試塊可放在不同的深度，如圖3.4所示。圖3.4 多層鉚接結(jié)構(gòu)示意圖在缺陷試塊上加工了腐蝕和鉚釘孔裂紋兩種缺陷。腐蝕為圓形狀，直徑包括30、20、10、5 mm，深度包括0.50、0.40、0.25、0.15、0.10 mm。腐蝕缺陷的尺寸為直徑和深度的不同組合。缺陷試塊設(shè)計如圖3.5所示。被檢缺陷試塊的實物圖如圖3.6。圖3.5 缺陷試塊的設(shè)計圖(單位：mm)圖3.6 被檢缺陷試塊的實物圖4 脈沖渦流檢測信號的去噪處理4.1 信號去噪在我們的實際檢測中缺陷信息往往包含著噪聲。噪聲對于缺陷特征的提取是十分不利的。故為了提高信噪比,得到更為精確的檢測結(jié)果,必須對信號進行進一步處理。其中使用頻率最多的處理方法是經(jīng)過多次測量取平均值。但此方法會增加測量時間,而且還要保證每次測量時的被測對象和測量環(huán)境的一致性,這種條件是不易滿足的。而且此方法對去除小信號中的大噪聲是毫無辦法的。因此我們比較幾種信號去噪的方式。通過比較去噪后的信號，選取最合適的去噪方法。4.2 低通濾波 4.2.1 FIR低通濾波器為有限長的單位沖激響應(yīng)濾波器，或者稱為非遞歸型濾波器，在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，它是最基本的一個元件。FIR濾波器既可以保證幅頻特性，又可以確保線性的相頻特性，并且其單位抽樣響應(yīng)是也有限長的，因而FIR濾波器是比較穩(wěn)定的系統(tǒng)。FIR濾波器在通信、圖像處理等領(lǐng)域都有著比較廣泛的應(yīng)用。從濾波特性上分類，可以分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。本論文用到的是低通濾波（程序代碼在附錄中）。4.2.2 IIR低通濾波 IIR濾波器與FIR濾波器有所不同，IIR濾波器采用的是遞歸結(jié)構(gòu)，具有反饋,所以不能確保濾波器的穩(wěn)定性。通常情況，我們設(shè)計IIR濾波器時，首先應(yīng)該依據(jù)濾波器的參數(shù)要求來設(shè)計相應(yīng)的模擬濾波器，譬如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等等；然后通過如脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換等方法將模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器（程序代碼在附錄中）。4.2.3小波去噪近些年來，由于小波理論在時域和頻域具有非常好的特性，因此得到了快速的發(fā)展，并且廣泛的應(yīng)用到實際中。在去噪領(lǐng)域中，小波去噪越來越受到相關(guān)工作者的重視，利用小波進行去噪收到了很好的效果。小波去噪方法之所以有如此效果，與小波變換是密不可分的，小波去噪方法具有低熵性、多分辨率、選基的靈活性等特點。小波去噪可以非常好地對信號的邊緣、尖峰、斷點等非平穩(wěn)特征進行處理。同時小波變換可以通過靈活的選擇變換基及選用不同的小波母函數(shù)來研究不同的對象。我們在利用小波對信號進行去噪時，先對含有噪聲的信號進行小波變換，然后對變換后得到的小波系數(shù)進行相應(yīng)處理，剔除含有的噪聲信號，最后對處理后的小波系數(shù)反過來進行小波逆變換，得到去噪后的信號。4.2.4不同去噪方法比較與討論本論文利用海明窗函數(shù)設(shè)計FIR低通濾波器,雙線性變換法設(shè)計IIR低通濾波器對信號進行濾波及利用小波對信號進行去噪。然后比較這三種去噪方式，找出最適合的去噪方法。圖4.1 不同去噪方法結(jié)果圖圖4.1 為三種不同方法對信號進行去噪得到的結(jié)果圖。從左至右分別為小波去噪后信號、IIR濾波后信號、FIR濾波后信號。由圖可以看出小波包去噪與IIR和FIR低通濾波相比,具有更好地去噪效果。其中，經(jīng)過IIR濾波后的信號在下降沿偏離參考信號比較大。而經(jīng)過FIR濾波后的信號，雖然在下降沿和參考信號非常吻合，但是信號在下降沿附近的峰值變化非常大，嚴重偏離參考信號。故綜合考慮，小波去噪效果最好。因此為了清晰辨別出更為準確有效的信號,本文采用了小波去噪的方法。315 脈沖渦流檢測的頻域分析研究 本論文先對時域的缺陷信號進行差分處理，然后再對差分處理過的時域信號進行FFT變換，得到頻譜分析圖。通過頻譜分析圖，對缺陷信號在頻域上進行分析，進而分析不同頻率對腐蝕缺陷信號的影響。5.1 快速傅里葉變換法 對非周期性連續(xù)時間信號x(t)進行傅里葉變換，表示為 （5.1） 其中（5.1）式計算出來的是信號x(t)的連續(xù)頻譜。 有限長離散信號x(n)N點DFT定義為： k=0,1,.N-1, （5.2） 由式（5.2）知道，計算N點DFT需要大約次乘法和次加法。當N比較大時，運算量很可觀?，F(xiàn)在我們將N點DFT分解為兩個N/2點的 DFT，這樣兩個N/2點DFT總的運算量就減少為原來的一半，即(N/2)*（N/2)+(N/2)*（N/2）=，這樣可以繼續(xù)分解下去，將N/2再分解為N/4點 DFT等。對于N=點的DFT都可以分解為2點的DFT，這樣其運算量可以減少為(N/2)lbN次乘法和NlbN次加法13。由圖5.1可以更加清晰明了的看出FFT的巨大優(yōu)勢。圖5.1 FFT與DFT所需運算量與計算點數(shù)的比較曲線將分解為奇偶兩個序列之和，即和的長度均為N/2，其中是偶序列，是奇序列，則 （k=0,1,.N-1）故： （k=0,1,.N-1）因為 所以有： （k=0,1,.N-1）其中和分別為和所對應(yīng)的N/2點DFT，因為和均以N/2為周期，且，所以又可表示為： (k=0,1,.N/2-1) (k=0,1,.N/2-1) 上式的運算，稱之為蝶形運算。依此逐個類推，通過M-1次分解運算，最終將x(n)的N點DFT分解為N/2個兩點DFT。圖5.2為8點FFT的分解運算流程圖。圖5.2 8點FFT運算流程圖利用FFT處理DFT是非?？焖俑咝У模現(xiàn)FT的出現(xiàn)和發(fā)展對推動信號的數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展有著非常重要的意義。從傅里葉展開式知,一個脈沖信號可以看成是由基波和許多諧波成分的疊加15。例如對一個頻率為100Hz,電壓幅值為10V的方波,其幅值頻譜如圖5.3所示。由此可以看出,脈沖激勵信號由基波和許多諧波組成。根據(jù)趨膚效應(yīng),隨著頻率的增加,渦流滲透深度將逐漸減小16。激勵信號中包含的高頻分量的滲透深度比較小，只能影響到表面或近表面缺陷。而低頻分量因為其滲透深度比較大所以能夠影響到下表面的缺陷。所以我們可以明顯的了解到表面或近表面缺陷受到高頻和低頻分量的共同影響下表面缺陷只受到低頻的影響17。 圖5.3 方波激勵信號的幅值頻譜5.2 頻率對不同提離高度的缺陷信號的影響圖5.4同一層缺陷不同提離高度頻譜分析圖圖5.4為腐蝕缺陷試塊第三層同一位置的缺陷，探頭提離高度分別為0.1mm，1.0mm，1.5mm的頻譜分析圖。由圖中我們可以清晰的看到不同的提離高度其信號的幅值不同，提離越大其對應(yīng)的幅值越大。這是由于提離效應(yīng)對檢測信號產(chǎn)生畸變的影響很大，因此我們對于多層金屬內(nèi)層缺陷進行檢測時，我們要對提離效應(yīng)進行抑制。否則很有可能使我們對缺陷信號產(chǎn)生錯誤的判斷。5.3 頻率對不同缺陷層的信號的影響圖5.5為不同缺陷層的頻譜分析圖。圖中藍色實線表示的是：直徑為30mm，深度為0.5mm的第一層腐蝕缺陷信號的幅值曲線。紅色的實線表示的是：直徑為30mm，深度為0.5mm的第三層腐蝕缺陷信號的幅值曲線。由圖可知，對于同一大小和深度的缺陷，第一層的腐蝕缺陷信號的幅值均大于第三層的幅值。分別取頻率為50、350、1050、3050Hz時第一層幅值與第三層幅值之比，計算幅值比分別為：1.055,1.120,1.203,1.433。作出幅值比與頻率關(guān)系圖，如圖5.6。由圖可得到：低頻對深層缺陷影響較大,隨著頻率的增加,高頻對淺層的影響增大。當頻率很高時，兩者的幅值都接近于零。圖5.5不同缺陷層頻譜分析圖圖5.6 第一層與第三層的信號幅值比與頻率關(guān)系圖圖5.7 不同缺陷層與無缺陷參考信號頻譜分析圖圖5.8 參考信號與不同缺陷層的幅值比與頻率關(guān)系圖圖5.7為不同缺陷層與無缺陷參考信號的頻譜分析圖，由圖中可以看出，無論第一層還是第三層缺陷信號的幅值均比參考信號的幅值要大。分別計算頻率為50、350、750、1050Hz時，參考信號幅值與第一層、第三層信號幅值的幅值比，得到幅值比與頻率的關(guān)系曲線圖如圖5.8。由圖知時，參考信號與第一層的信號幅值比在低頻時變化較大，參考信號與第三層的信號幅值比在頻率較高時變化較大，因此，低頻有利于第一層缺陷信號的檢測，頻率較高時有利于第三層缺陷信號的檢測5.4 頻率對不同深度的缺陷信號的影響圖5.9 同層不同深度缺陷頻譜分析圖圖5.10 不同深度幅值比與頻率關(guān)系圖圖5.9為同層不同深度缺陷的頻譜分析圖。由圖可知，在低頻時深度為0.1mm的缺陷幅值小于0.5mm的缺陷幅值。但是在高頻時0.5mm的缺陷幅值反而小于0.1mm的缺陷幅值。這可以從趨膚效應(yīng)理解，由于低頻對內(nèi)部缺陷影響較大，而高頻對表面或近表面缺陷影響較大。分別取頻率為150、450、950、1550Hz時，深度為0.1mm與深度0.5mm的缺陷幅值之比，計算分別得到幅值比為：0.964，0.992,1.027,1.059。作出幅值比與頻率關(guān)系圖，如圖5.10，由此圖可得到：低頻對深度為0.5mm的缺陷影響大，頻率逐漸增加時，頻率對深度為0.1mm的缺陷的影響也逐漸加大。5.5 頻率對不同大小缺陷信號的影響圖5.11 同一層不同直徑缺陷頻譜分析圖圖5.12不同直徑缺陷幅值比與頻率關(guān)系圖圖5.11為同一層不同直徑缺陷的頻譜分析圖。如圖所示，深度同為0.5mm的第一層腐蝕缺陷，直徑為30mm的幅值大于直徑為10mm的幅值。取頻率為50,450,1550,2450Hz時，求直徑為30mm與直徑10mm的幅值比，計算得到幅值比分別為0.803,0.772,0.762,0.747。作出幅值比與頻率關(guān)系圖如圖5.12,。由圖知：頻率較低時對直徑30mm的缺陷影響大，當頻率增大時對10mm的缺陷的影響也加大。6結(jié)論與展望6.1 結(jié)論脈沖渦流檢測技術(shù)是一門迅速發(fā)展的無損檢測技術(shù),在石油化工、航空維修等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。對金屬材料部件中的缺陷進行無損檢測與評估是它的重要應(yīng)用體現(xiàn)之一。目前，一般對渦流缺陷識別的研究主要是集中在時域上或者就是基于頻譜分析，這些方法都忽略了脈沖渦流含有不同的頻譜分量，以及缺陷對不同的頻率分量會產(chǎn)生不同的影響的優(yōu)點，當然也就沒有充分利用這個優(yōu)點。本文基于脈沖渦流信號的頻譜分析，綜合分析了不同頻率分量對缺陷的影響。論文對采集的信號通過FIR濾波、IIR濾波以及小波進行降噪方面的研究，比較了三種去噪方法，最后選取了去噪效果更好的小波去噪方法對檢測信號進行去噪。 論文接著對時域的缺陷信號進行差分處理，然后再對差分處理過的時域信號利用MATLAB編寫分析算法進行傅里葉變換，進行頻譜分析方面的研究。分析了不同頻率對腐蝕缺陷信號的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)低頻分量有利于檢測深層缺陷，高頻分量有利于檢測淺層缺陷。6.2 展望本論文的主要工作是分析頻率對不同缺陷的影響，但是由于在實際檢測中缺陷一般是多種多樣的,加上作者的水平有限和時間關(guān)系,并不能對眾多的缺陷進行分析,因此需要在以后工作中進行再一步研究。主要可以從以下幾個方面開展:1. 本論文只是分析了頻率對缺陷的影響，可以說是一種定性的分析。所以可以在進一步研究信號的頻域的基礎(chǔ)上，可以提取出充分的合適的缺陷特征參數(shù)，進行缺陷類型的識別判定。2本論文對缺陷的檢測僅僅只是定點檢測，但是一般在實際應(yīng)用中，很多情況下都是掃描檢測。可以在以后的工作中對掃描情況下的脈沖渦流進行分析處理，提取出某種特征量來對缺陷進行定量分析。3.本論文只是對腐蝕缺陷進行頻域分析，并沒有對其他類型的缺陷進行分析，在以后的工作中可以對裂紋等缺陷進行定性甚至定量方面的分析。參考文獻1 李巖松. 脈沖渦流檢測頻域特征提取與缺陷表征研究D.廈門大學碩士學位論文，2014:13-35.2 Zhiwei Zeng, Yansong Li, Lin Huang and Minfang Luo. 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