Study on pulsed eddy current defect signal detection technology based on multi-feature extract technology

莊立東，楊龍興，黃明鑫，潘　輝

ZHUANG Li-dong, YANG Long-xing, HUANG Ming-xin, PAN Hui

（江蘇理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，常州 213000）

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基于多特征量提取技術(shù)的脈沖渦流缺陷檢測方法研究

Study on pulsed eddy current defect signal detection technology based on multi-feature extract technology

莊立東，楊龍興，黃明鑫，潘輝

ZHUANG Li-dong, YANG Long-xing, HUANG Ming-xin, PAN Hui

（江蘇理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，常州 213000）

摘 要：為了提高脈沖渦流缺陷檢測的準(zhǔn)確性，更加全面的反應(yīng)缺陷的特征，對多特征量提取技術(shù)進行了研究。定義了矩形缺陷的最小特征集與最小特征數(shù)，得出了脈沖渦流缺陷檢測的特征數(shù)應(yīng)該大于等于缺陷的最小特征數(shù)的結(jié)論。利用MATLAB軟件及數(shù)值方法，建立多特征量與多反饋指標(biāo)的數(shù)值映射模型。最后，通過實例驗證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：脈沖渦流；缺陷檢測；模式識別；多特征量

0 引言

隨著航空航天業(yè)的迅猛發(fā)展，航空設(shè)備的安全性受到更為廣泛的關(guān)注。無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于缺陷檢測與識別、金屬探傷及應(yīng)力監(jiān)測等領(lǐng)域，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)之一[1]。脈沖渦流無損檢測屬于渦流檢測的新型分支，其在定量檢測及識別導(dǎo)電材料的表面缺陷上有比較明顯的優(yōu)勢。脈沖渦流檢測只需一次掃描就完成對多層金屬結(jié)構(gòu)中不同位置不同深度下的缺陷檢測，便于同時在時域和頻域?qū)π盘栠M行數(shù)據(jù)分析和處理[2]；脈沖渦流檢測速度更快、效率更高、成本更低；它同時運行一系列不同的電流頻率，因此信號比多頻渦流信號響應(yīng)更快。

目前，國內(nèi)外學(xué)者與研究機構(gòu)對脈沖渦流做了廣泛而深入的研究。英國QinetiQ公司與澳大利亞航空和航海研究實驗室采用脈沖渦流差值信號的峰值與峰值時間對飛機機身結(jié)構(gòu)缺陷進行定量檢測[3]，發(fā)現(xiàn)脈沖渦流信號峰值與腐蝕引起的金屬損失量成比例；美國Iowa State University無損評估中心對飛機機身結(jié)構(gòu)缺陷進行檢測，發(fā)現(xiàn)峰值與峰值時間分別與缺陷的損傷嚴(yán)重程度和深度有關(guān)[4]；加拿大國防研究部門對飛機結(jié)構(gòu)缺陷進行定量分析，取得了良好的實驗成果[5～7]，并提出了“提離交叉點”的概念[8]。在國內(nèi)，國防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等開展了相應(yīng)的研究工作，廈門愛德森公司開研發(fā)了EEC-83帶保溫層鋼管壁厚減薄脈沖渦流檢測儀[9]。

在脈沖渦流缺陷檢測領(lǐng)域，研究較多的是單一特征量與單一反饋指標(biāo)的映射關(guān)系，如表面缺陷深度與峰值的關(guān)系。對于多變量與多反饋指標(biāo)的映射關(guān)系研究，目前較為缺乏。

矩形缺陷是一種常見的缺陷形式，鋼板的裂紋、劃痕等都可以近似成矩形缺陷處理。矩形缺陷有長、寬、高三個特征，若采用單一特征量描述缺陷，很難清楚、完整的描述該類特征。若采用多特征量描述，同時識別矩形缺陷的長、寬、高，即可完整的描述該缺陷。有鑒于此，研究基于多特征量提取技術(shù)的脈沖渦流缺陷檢測方法具有很重要的理論及實際意義。

1 脈沖渦流檢測原理

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生磁場，該磁場如果也是變化的，則會在較遠的空間產(chǎn)生新的電場。

利用該原理，脈沖渦流采用周期方波信號作為激勵源，激勵線圈中的脈沖電流在周圍空間感應(yīng)出一個快速衰減的磁場，該磁場又在導(dǎo)體中感應(yīng)出脈沖渦流，渦流的大小、相位及流動形式會受到試件導(dǎo)電性能和導(dǎo)磁性能的影響（導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性又與試件的組織成份、硬度、應(yīng)力應(yīng)變和缺陷等有關(guān)），而渦流的反作用磁場又會使得檢測線圈中的阻抗發(fā)生變化或者原磁場強度的大小發(fā)生變化，因此通過測量檢測線圈阻抗的變化或者是原磁場強度大小的變化，就可以間接地推導(dǎo)出被測試件的導(dǎo)電性能以及有無缺陷等情況[1]。

根據(jù)傅里葉級數(shù)公式可知，脈沖信號可以展開成多次諧波信號的組合。對于一個矩形脈沖激勵，其周期為T，脈寬為?，矩形脈沖幅度V可以表示為:

則其傅里葉級數(shù)展開式為：

式中: ω1為基波角頻率；

An為振幅譜；

其中基頻和振幅譜為：

則激勵脈沖信號中的頻率譜為：

將式(5)帶入到單頻渦流趨膚深度δ=2ωσμ[10]，可得到：

由式(6)可知: 當(dāng)n=1時，取信號的基波分量，此時趨膚深度的分量也最大，可以近似地取其在基頻分量下的趨膚深度作為脈沖渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度。

由式(7)中可知: 適當(dāng)?shù)亟档图铑l率ω1，可以相應(yīng)地提高脈沖渦流的滲透深度，從而有利于脈沖渦流檢測技術(shù)對深層缺陷的檢測[10]。

2 多特征量提取技術(shù)

2.1 矩形缺陷的最小特征集與最小特征數(shù)

為了方便描述，需要定義缺陷的最小特征集與最小特征數(shù)。如圖1所示，矩形一般可用長a、寬b、高c，體積V及底面積S等特征描述。若集合X=a,b,c，則X包含了矩形的所有信息，或者說該矩形可用集合X描述（特征V=abc，S=bc）。類似的集合Y=a,b,S,V也包含了矩形的所有信息，該矩形也可用集合Y描述（特征c=Vab）。此類可以包含矩形所有信息的特征的集合，稱為矩形的特征集，其中包含元素最少的集合，稱為最小特征集。最小特征集中包含元素的個數(shù)，稱為最小特征數(shù)，其中包含的全部特征稱為矩形的一組最小特征基。不難發(fā)現(xiàn)，矩形的最小特征數(shù)為3，長a、寬b、高c為矩形的一組最小特征基。

由矩形的最小特征集及最小特征數(shù)的定義發(fā)現(xiàn)，若要完整的識別一個矩形缺陷，需要識別的特征數(shù)最少為3個。若不需要考慮矩形缺陷的長度，如細長裂紋缺陷，則最少需要識別該缺陷的兩個特征。

圖1　矩形特征模型

2.2 多特征量的提取方法

由前文2.1可知，對于任意矩形缺陷，只要識別其一組最小特征基k1,k2,k3,就能識別該缺陷。若在脈沖渦流檢測信號的反饋值中找到三個獨立的指標(biāo)z1，z2，z3，并建立其與最小特征基的映射關(guān)系，即可解決該問題。見式(8)。

采用多特征量耦合分析方法識別矩形缺陷總體上分為兩個步驟，第一步：通過試驗建立數(shù)學(xué)模型；第二步：將缺陷的反饋信號帶入模型求解。其流程圖如圖2所示。

圖2　多特征耦合分析脈沖渦流缺陷檢測流程圖

首先，搭建脈沖渦流缺陷檢測用實驗平臺，如圖3所示，主要包括探頭、信號發(fā)生器、功率放大器、磁敏傳感器、信號放大器、采集卡和PC機。試驗平臺搭建完畢后，需要制作試樣。試樣制作的總數(shù)N見式(9)。

式中，Vki為特征ki的維數(shù)，表示所有試樣的ki特征有Vki種。

圖3　脈沖渦流缺陷檢測用實驗平臺示意圖

準(zhǔn)備好試樣后，對試樣進行試驗并采集數(shù)據(jù)。采集完數(shù)據(jù)后需要對數(shù)據(jù)進行降噪處理，采用比較廣泛的降噪方法有2階或3階消失距的小波和小波包（例如DB4或Sym4）。此外，為了提取到有用信息，如基頻幅值、三次諧波幅值等，還需要將信號做FFT（快速傅里葉變換）處理。根據(jù)式(8)，若要識別缺陷的特征需要建立特征ki與指標(biāo)zi的映射關(guān)系f，該映射關(guān)系是連續(xù)的（或者密度很大的離散點），而之前提取的信號是離散的點與點之間的映射，并且點的數(shù)量受到試樣數(shù)量的限制。通過插值或擬合等數(shù)值方法將離散的點與點的映射轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的映射函數(shù)。至此，式(8)所示的數(shù)學(xué)模型就建立完畢。值得注意的是，若采用計算機數(shù)值分析軟件（如MATLAB）輔助數(shù)值計算，那么建立的模型一般為數(shù)值模型，該模型僅有數(shù)值解，很難求得解析解。最后檢測缺陷，將反饋值zi帶入式(8)可得方程組：

z1=f1k1,k2,k3 z2=f2k1,k2,k3 z3=f3k1,k2,k3 (10)

式中，z1,z2,z3為缺陷的反饋值。

式(10)的解k1,k2,k3就是被測矩形缺陷的一組最小特征基，即k1,k2,k3可以完整地描述被測矩形缺陷。

3 實驗驗證

3.1 實驗設(shè)備與參數(shù)

根據(jù)圖2所示的流程圖，設(shè)計實例檢測矩形缺陷T0。矩形缺陷T0的長度、寬度、深度為30mm×5mm×5mm。硬件配置如表1所示。根據(jù)文獻[1]測量探頭的規(guī)格如表2所示，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。實驗試塊的材料為鋁合金AL7075，數(shù)量及規(guī)格如表3所示，所有試塊的長度均為30mm。

表1　硬件配置表

圖4　探頭結(jié)構(gòu)圖

表2　線圈規(guī)格表

表3　試樣規(guī)格表

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在本例中，矩形缺陷的長度都是30mm，因此只需要識別矩形缺陷的寬度k1和深度k2兩個特征即可識別該缺陷。根據(jù)前文2.1的分析，需要從信號中獲取兩個特征量指標(biāo)z1,z2以便建立映射關(guān)系，為后續(xù)的求解做準(zhǔn)備。根據(jù)文獻[1]可知，在時域范圍內(nèi)，脈沖渦流的差分瞬時信號的峰值和峰值到達時間是比較顯著的指標(biāo)，差分瞬時信號的峰值與表面缺陷的深度及寬度都有較高的線性相關(guān)性；在頻域范圍內(nèi)，基頻分量的頻譜幅值與表面缺陷的深度也有較高的線型相關(guān)性。因此，本文選用差分瞬時信號的峰值作為指標(biāo)z1，基頻分量的頻譜幅值作為指標(biāo)z2。

將采集的原始信號經(jīng)FFT變換，為信號的時域和頻域特征量提取做準(zhǔn)備。FFT變換可利用MATLAB軟件的FFT()函數(shù)快速實現(xiàn)。差分瞬時信號的峰值是指時域瞬態(tài)波形的最大值，將各試樣的峰值提取后匯總?cè)绫?所示?；l分量的幅值可利用MATLAB的abs（）函數(shù)獲取信號的幅頻圖快速方便地獲得，將各試樣的基頻幅值提取后匯總?cè)绫?所示。

表4　時域峰值提取值

表5　基頻幅值提取值

3.3 建立模型與求解

本例中要建立的數(shù)學(xué)模型可表示為如下公式：

式中，z1為差分瞬時信號的峰值；

z2為基頻分量的頻譜幅值；

k1為矩形試樣寬度；

k2為矩形試樣深度。

根據(jù)表4和表5，利用MATLAB的surf()函數(shù)繪制離散點的曲面圖，如圖5所示。

圖5　原始數(shù)據(jù)曲面圖

利用interp2()函數(shù)完成二維插值運算，數(shù)值點的密度可調(diào)節(jié)，一般在0.01～0.5之間，本文取0.2。本文采用的插值方法為三次立方插值，插值后的圖像如圖6所示。

圖6　插值處理后曲面圖

采用脈沖渦流檢測矩形缺陷T0，測得其時域峰值z1=1.862，基頻幅值z2=1320.264。求解圖6(a)中的曲面與平面z1=1.862的交線L1，如圖7(a)所示，該曲線表示滿足時域峰值z1=1.862的所有長度等于30mm的矩形缺陷的集合；同理，求解圖6(b)中的曲面與平面z2=1320.264的交線L2，如圖7(b)所示，該曲線表示滿足基頻幅值z2=1320.264的所有長度等于30mm的矩形缺陷的集合。將曲線L1與曲線L2繪制在同一坐標(biāo)系，并求解交點P0k1,k2。該交點的橫坐標(biāo)k1即矩形缺陷T0的寬度，縱坐標(biāo)k2即為矩形缺陷T0的深度。求得交點為P04.700，5.489，即矩形缺陷寬度的理論值為4.7mm，缺陷深度的理論值為5.489mm。與實際值5mm×5mm的誤差在9%以內(nèi)。

圖7　曲面與特定平面的交線

圖8　曲線L1與曲線L2的交點P0

4 結(jié)論

1）本文提出了基于多特征量耦合分析的脈沖渦流矩形缺陷檢測方法，豐富了脈沖渦流缺陷檢測理論，理論分析和實驗驗證表明該理論具有可行性。

2）本文提出了一種通過實驗建立多特征量耦合的數(shù)值模型的方法，并給出了求解其數(shù)值解的方法，為多特征量同時提取提供了新的工具。

3）本文定義了矩形缺陷的最小特征集、最小特征數(shù)及最小特征集等新概念，并得出了只有識別的特征量大于等于矩形缺陷的最小特征數(shù)才能完整識別該矩形缺陷的結(jié)論。該結(jié)論可以被推廣到其他形式的缺陷。

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作者簡介：莊立東（1990 -），男，江蘇南京人，碩士，研究方向為無損檢測。

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0019-05