基于小波變換電磁應力檢測方法的研究

楊理踐，劉　斌，高松巍

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽　110870)

0　引言

應力集中是金屬構件損壞的根源，因此能夠有效地檢測金屬構件應力集中區(qū)域，對保證金屬構件的安全使用有著積極的意義。目前，應力檢測方法很多，大致可以分為兩大類：一類是有損檢測方法，如盲孔法，雖然該類應力檢測方法檢測精度高，但對被測構件造成不同程度的損壞，在實際應用中有一定的局限性。另一類是無損檢測方法，如超聲波法、X射線衍射法、金屬磁記憶法等，這些方法是利用材料物理特性的變化來實現應力集中區(qū)域的檢測，雖然對被測構件不會造成損壞，但是對應力檢測的精度很低，很容易受外界因素影響[1-6]。

工程實踐證明，電磁應力檢測作為鐵磁構件應力檢測的一種有效方法，成功實現了鐵磁構件上殘余應力、形變應力和焊縫應力的測量，為應力檢測技術揭開了新的篇章。

1　檢測原理

在磁場作用下，鐵磁性材料會發(fā)生磁化，其磁導率將會隨應力或應變狀態(tài)的變化而變化。這就是逆磁致伸縮效應。電磁應力檢測系統在這一現象的基礎上，利用磁疇模型實現的。

無外加磁場時，由于磁疇取向的隨機性，在宏觀上不呈現磁性效果，這時物質的磁化強度M為：

(1)

對于非永磁體，磁化強度M與外加磁場H之間存在關系：

(2)

式中χm為材料的磁化率。

由于應力的存在，磁疇結構發(fā)生形變，即ΔV發(fā)生變化，進而磁化強度M和H發(fā)生變化。通過測量H的變化值來判斷應力的集中情況。

2　系統硬件設計

電磁應力檢測系統主要由信號發(fā)生系統、傳感器系統、濾波器電路、數據采集系統組成。由信號發(fā)生系統產生一定頻率和幅值的交流信號，該信號經功率放大器放大后輸入到傳感器的激勵線圈產生交變磁場，根據電磁感應原理，交變的磁場會在檢測線圈中產生感應電壓，檢測線圈的感應電壓經濾波器后進入PCI-1716數據采集卡，最后將采集的電壓信號進行數據擬合分析來判定被測試件的應力集中情況。

2．1信號發(fā)生電路的設計

信號發(fā)生電路采用單片機來制作，使用靈活，攜帶方便，使得檢測的局限性進一步減小。如圖1所示，以單片機89C52作為核心來控制DAC0832工作，進而產生不同頻率的正弦波。DAC0832的轉換時間為1 s，工作電壓為+5～+15 V，它主要由2個8位寄存器和1個8位D/A轉換器組成。由于DAC0832為電流輸出型D/A，當輸入端全為1時，電流為最大值，即Iout1端輸出最大電流，Iout2端的輸出電流與Iout1的輸出電流之和為常數，該常數約為330 μA．檢測系統需要的是電壓信號，需要將Iout1的電流信號進行轉換。DAC0832的9號端口為反饋電阻端，芯片內部此端與Iout1接有15 kΩ的電阻。因此將這個電阻作為運算放大器OP07的反饋電阻，Iout1直接接到OP07的反向輸入端，即實現了電流到電壓的轉換。

圖1　正弦波信號發(fā)生電路原理圖

2．2傳感器的設計

圖2為傳感器結構，在一個U型鐵氧體上面纏繞2組線圈，一組作為激勵線圈，另一組作為檢測線圈。激勵線圈通上一定頻率和幅值的正弦信號，這樣傳感器與鋼板形成一個磁回路，回路的總磁阻為：

R=R1+R2

(3)

式中：R1為鐵氧體鐵芯的磁阻；R2為被測鋼板的磁阻。

當激勵線圈提供恒定的磁動勢時，由于缺陷或應力集中引起磁通的變化，進而引起被測鋼板的磁阻R2發(fā)生變化，這時檢測線圈感應出的感生電動勢的變化將轉化成電壓信號輸出，這樣就實現了應力的測量。

圖2　傳感器結構

2．3濾波電路的設計

在實際應力測量中，系統會不可避免地受到各種干擾，因此，將信號進行濾波后再采集是必要的手段。圖3為狀態(tài)可變?yōu)V波器電路，它比一般的VCVS(壓控電壓源)濾波器電路復雜很多，但是其穩(wěn)定性有了很大的提高，其中U1、U2、U3是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，失調電壓為0.5 μV/℃，失調偏置電流為1.8 nA，供電電壓范圍為±3～±22 V，轉換速率達到0.17 V/μs，增益帶寬積高達0.6 MHz；RF，RQ，RG為濾波器電路中的4個編程電阻，其中RF決定了中心頻率，RQ和RG一起決定了Q值和通帶的中心增益。計算公式如下：

RF=5.03×107/f0

(4)

RQ=105/(3.48Q+G-1)

(5)

RG=3.16×104Q/G

(6)

式中：f0為帶通濾波器的中心頻率；G為帶通濾波器的通帶增益；Q為帶通濾波器的品質因素，即f=f0時電壓放大倍數與通帶放大倍數之比，對于帶通濾波器，Q為f0與通帶寬之比。

通過改變RF，RQ，RG的阻值可以改變?yōu)V波電路的輸出特性。

圖3　濾波器電路原理圖

2．4高精度數據采集卡的使用

鐵磁性材料處于應力或應變狀態(tài)時，其傳感器檢測線圈所感生出來電動勢為mV級，因此需要數據采集系統有足夠的精度。PCI-1716是高分辨率多功能PCI數據采集卡。它采用基于FPGA的16位A/D轉換器，具有1 K的FIFO緩沖器，最高能夠達到250 KS/s的采樣速率。PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，可以單一使用也可以組合輸入。同時，PCI-1716提供的API函數能夠與LabVIEW對接，實現編程控制。以PCI-1716為硬件平臺，通過32位33 MHz的PCI總線與工控機相連，借助LabVIEW的DAQ驅動程序提供接口，采用LabVIEW圖形化編程語言編程，實現對PCI-1716的硬件控制，完成數據高速高精度采集、傳輸及存儲。

在通道波形采集控件(AI Acquire Waveform)中設定采集卡的各項參數，如采樣頻率、采樣點數、通道選擇、采集電壓的上限和下限。然后將AI Acquire Waveform的輸出連接到波形圖控件的輸入端即可以實現采集波形的實時顯示，采集數據也能夠通過數據至電子表格字符串轉換控件進行實時顯示，最后讓數據進入當前VI路徑控件，再拆分路徑，將數據按事先創(chuàng)建好的路徑進行存儲。

3　信號處理

在管道現場檢測的惡劣環(huán)境中，由于檢測儀器本身和外界環(huán)境的干擾，檢測系統獲取的信號通常含有一些附加的噪聲，這些噪聲使信號本身產生畸變，給信號識別和分析工作帶來極大的困難，因此，選擇適當的信號處理技術，將有用信號有效地分離出來是極為關鍵的。傳統的傅立里變換消噪方法，適用于信號和噪聲頻帶重疊部分非常小或者兩者完全分開的情況下，通過濾波的方法將信號和噪聲分開，而實際獲取的應力信號譜和噪聲是任意重疊的，顯然使用傅立里方法不能達到有效的去噪效果。相比之下，小波變換具有良好的自動對焦功能，能有效地區(qū)分有用信號和噪聲。

3．1離散小波變換原理

對于任意能量有限信號f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為：

(7)

式中：*號表示取共軛；a為尺度因子；b為平移因子。

將a和b離散化之后的分析小波為：

(8)

式中：j為伸縮參數或尺度參數；n為沿時間軸的平移參數；j，n∈Z。

將式(8)帶入式(7)中可得：

(9)

cj，n實際上是連續(xù)小波變換Wf(a，b)在時間-尺度平面的離散網格上的抽樣。

如由小波函數族構成的正交規(guī)范基，即：

〈Ψj，n(t)，Ψl，k(t)〉=δj，lδn，k

(10)

任意f(t)∈L2(R)可展開為正交規(guī)范基的線性組合：

(11)

將式(11)展開得式(9)，由式(9)，式(10)，式(11)不難得到：

(12)

‖f(t)‖=‖cj，n‖

可見，離散小波變換將尺度因子或平移因子離散化，可以有效減少信息的冗余度，滿足工程檢測信號處理的要求。

3．2試驗結果分析

實驗室中，用Q235鋼條在提拉機上進行彈性范圍內的拉伸，使其產生應力集中區(qū)域，用電磁應力檢測設備進行應力檢測。圖4為檢測信號的離散小波分析，原始信號中對應力集中區(qū)域的體現不明顯，通過離散小波分析后，信號波動較大的區(qū)域明顯體現出來，即應力集中區(qū)域。將檢測到的應力集中區(qū)域做好標記，然后對鋼條進行破壞性拉伸，斷裂位置和應力集中位置吻合，誤差小于5 mm，證明了電磁應力檢測的可行性。

(a)原始信號

(b)小波去噪后的信號

4　系統驗證

為進一步驗證該系統的實用性和有效性，利用該系統對新疆克拉瑪依-烏魯木齊Ф457輸油管道進行了應力檢測。在距克拉瑪依金龍首站30～47 km范圍內，對7個可能有應力集中的管段，采用不同的應力檢測技術進行開挖驗證。

檢測過程：根據數字化管道信息和內檢測數據確定問題(應力集中)管段的地理坐標，挖出該管道后，將其表面的防腐層去掉，將管道周向按時鐘分為12個方位，然后分別用電磁應力檢測設備、超聲應力檢測儀、俄羅斯TSC-2M-8智能金屬磁記憶應力檢測儀對該管段進行應力檢測，確定此管道應力集中的具體位置。從表1中可以看出3種方法對應力集中情況的判斷吻合程度大90%以上。

表1　檢測結果

5　結論

在鐵磁材料的逆磁致伸縮效應研究的基礎上，利用法拉第電磁感應原理，設計并實現了可工程應用的電磁應力檢測系統。該系統可對鐵磁構件的殘余應力、形變應力和焊縫應力進行有效的排查。試驗證明了電磁應力檢測系統的可行性。同時該系統在工程應用中，體現了檢測速度快、精度高、抗干擾能力強的特點。

參考文獻：

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