脈沖擾動電磁場檢測非表面缺陷埋深的識別算法

孔慶曉，李　偉，葛玖浩，張傳榮，劉　健

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心, 青島 266580；2.海洋石油工程(珠海)有限公司, 珠海 519000)

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脈沖擾動電磁場檢測非表面缺陷埋深的識別算法

孔慶曉1，李偉1，葛玖浩1，張傳榮2，劉健1

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心, 青島 266580；2.海洋石油工程(珠海)有限公司, 珠海 519000)

交流電磁場檢測技術(shù)是一種新型的電磁無損檢測技術(shù)，但由于趨膚效應的存在，其對表面裂紋檢測具有較高的敏感性，但對于非表面缺陷檢測存在著技術(shù)瓶頸。借助脈沖激勵源在工件中產(chǎn)生的感應電流滲透深度大的特點，進行非表面缺陷的脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)仿真與試驗，提出了基于小波熵理論的非表面缺陷埋深識別算法。試驗結(jié)果表明，所構(gòu)建的脈沖擾動電磁場缺陷識別算法可有效識別和區(qū)分不同埋深缺陷。

非表面缺陷；脈沖激勵；小波熵；缺陷識別

交流電磁場檢測技術(shù)(Alternating Current Field Measurement)是一種廣泛應用于石油工業(yè)的非接觸檢測技術(shù)，具有無需清理表面、數(shù)學模型完備、量化精度高、對提離高度不敏感的優(yōu)點[1]。交流電磁場檢測技術(shù)原理為：當缺陷存在于感應勻強場中時，感應電流無法穿過缺陷，因此會在缺陷附近產(chǎn)生擾動電場。當檢測探頭掃過缺陷時，平行裂紋方向的磁場會產(chǎn)生一個凹信號，而垂直裂紋方向的磁場會產(chǎn)生波峰波谷信號[1-2]。但由于趨膚效應的存在，感應電流集中在工件的近表層，因此交流電磁場檢測技術(shù)僅對表面缺陷具有較高的靈敏度，而對非表面缺陷的檢測存在著技術(shù)瓶頸。

目前發(fā)展比較快的非表面缺陷檢測技術(shù)主要有脈沖渦流檢測技術(shù)和脈沖漏磁檢測技術(shù)。采用脈沖信號作為激勵能夠克服趨膚效應的限制，檢測信號具有豐富的頻域信息，其低頻成分能反映深層缺陷信息，高頻成分反映表層或近表面缺陷信息，從而實現(xiàn)對非表面缺陷的檢測。SOPHIAN等利用時頻分析方法，采用過零時間、信號幅值和相位變化等參數(shù)表征缺陷的位置和尺寸，試驗證明這三個特征參數(shù)能夠較好地區(qū)別不同深度的缺陷[3]。LEBRUN B等[4]采用峰值以及峰值時間作為脈沖渦流信號特征量對缺陷進行定量檢測。TANG Y等[5]采用三維有限元軟件構(gòu)建了脈沖漏磁有限元模型。TIAN G Y等采用主成分分析法對脈沖渦流缺陷信號進行分類識別研究，實現(xiàn)了對不同類型缺陷的識別[6-7]。HE Y等[8]采用脈沖渦流C掃描方式開展了構(gòu)件隱藏缺陷成像的識別研究，試驗表明該方法可對亞表面缺陷進行有效識別。上述研究表明，將脈沖激勵技術(shù)融入到傳統(tǒng)技術(shù)中，可有效增加檢測深度，達到對非表面缺陷的檢測。

筆者在交流電磁場檢測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，引入脈沖激勵技術(shù)，開展針對非表面缺陷的脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)仿真和試驗。同時，根據(jù)提取信號的特點構(gòu)建非表面缺陷參數(shù)特征量，實現(xiàn)對工件不同埋深缺陷的識別。最終，搭建了脈沖擾動電磁場檢測裝置對非表面缺陷進行實際檢測。

1　脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)原理

脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)采用方波信號作為激勵信號，如圖1所示。通有方波激勵信號的激勵線圈感生出一個快速變化的磁場，變化的磁場在試件中感應出電流。該感應電流在試件中的分布隨著深度的增加，強度和范圍都單調(diào)減少，但在同一個深度處近似均勻。當試件中存在缺陷時，會引起周圍的電流發(fā)生擾動，產(chǎn)生擾動磁場，通過檢測該擾動磁場便可以檢測出缺陷的存在。

根據(jù)傅里葉公式，一個方波信號可以展開成含有基波和許多諧波成分的組合。對于如圖1所示的方波信號，其傅里葉展開形式為：

(1)

式中:角頻率ω0=2πf；當方波信號的占空比為50%時，ω0=π/D(D為脈寬)。

根據(jù)集趨膚深度計算公式,可得各個諧波的趨膚深度為：

(2)

式中：σ為電導率；μ為磁導率。

從式(2)可看出，周期性的方波信號作為脈沖激勵時，能夠在工件中產(chǎn)生不同的趨膚深度，可對不同深度的缺陷產(chǎn)生作用。顯然當n=1時，即基頻時，趨膚深度值最大，滲透深度最大。同時當激勵頻率一定時，脈沖信號的占空比越大，其趨膚深度也隨之增大，對應的傅里葉變換量也增大。

2　有限元仿真及特征提取

2.1模型建立

采用有限元軟件ANSYS建立如圖2所示的脈沖擾動電磁場檢測三維有限元模型，采用磁路耦合方法對激勵線圈施加脈沖信號，實體模型采用SOLID97單元，電路模型采用CIRCU124單元。對模型最外層節(jié)點的磁矢量xyz方向分量施加0自由度，并采用瞬態(tài)分析模塊。

圖2　脈沖擾動電磁場磁路模型

2.2提取電壓信號

圖3　檢測探頭瞬態(tài)感應電壓信號

檢測探頭瞬態(tài)感應電壓信號如圖3所示，由圖3可知,瞬態(tài)感應電壓信號分別在脈沖激勵信號的上升沿和下降沿出現(xiàn)波峰和波谷，當探頭經(jīng)過缺陷時，信號峰值和谷值會發(fā)生變化，從而能夠有效地表征缺陷。仿真模型中，非表面缺陷存在于距鋁試件表面1 mm處，其尺寸長×深×寬為45 mm×7 mm×4 mm。仿真時檢測探頭從缺陷中心左側(cè)x=-40 mm運動到缺陷中心右側(cè)x=40 mm，探頭每次移動2 mm，提取檢測探頭x和z方向的感應電壓信號在脈沖激勵上升沿處對應的峰值，并沿著掃描路徑繪制峰值-路徑圖，如圖4所示。從圖4可以看出，使用脈沖激勵信號對鋁試件非表面缺陷進行檢測，可得到交流電磁場檢測技術(shù)特征信號，因此將脈沖激勵技術(shù)和交流電磁場檢測技術(shù)相結(jié)合，可對非表面缺陷進行檢測。

圖4　Bx與Bz感應電壓信號峰值掃描曲線

2.3特征提取

在脈沖信號特征量提取方面，頻譜分析法和主成分分析方法是比較常用的缺陷埋深判別方法，但頻譜分析法單從頻率域進行分析而忽略了信號的時域信息，故很難對缺陷位置進行實時確定，同時主成分分析法需要花費巨大的計算時間，而很難做到在線檢測[7-8]。小波熵是小波分析和信息熵原理相結(jié)合的產(chǎn)物，即將小波變換的系數(shù)矩陣處理成一個概率分布序列，則每個尺度上的小波系數(shù)相當于一個信號源發(fā)出的信息，用由這些序列或系數(shù)計算得到的熵值來反應此系數(shù)矩陣的系數(shù)程度，也就是信號概率分布的有序程度，這種熵被稱作小波熵[9]。小波熵Eentropy的定義為：

(3)

式中：T為特征向量。

筆者借助MATLAB軟件小波包工具，使用正交對稱db6小波函數(shù)，對脈沖擾動電磁場信號進行3層小波包分解，根據(jù)小波包分解系數(shù)計算各節(jié)點能量Ei和信號缺陷特征向量T，最終計算信號小波熵以表征缺陷深度。

3　檢測系統(tǒng)與試驗結(jié)果

3.1檢測系統(tǒng)設計

脈沖擾動電磁場檢測系統(tǒng)主要由信號源、檢測探頭、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和計算機組成，其系統(tǒng)框架如圖5(a)所示。

脈沖激勵信號源主要由單片機、DDS芯片、濾波電路、整形電路和功放電路組成，可以產(chǎn)生頻率為100 Hz 、幅值為1 V、占空比為50%的方波信號。檢測探頭結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，主要由激勵線圈，檢測傳感器和U型磁芯組成。激勵線圈采用直徑為0.15 mm的繞組線，在U型磁芯纏繞500圈。檢測傳感器采用2個TMR傳感器，它們正交布置，分別用于拾取x方向和z方向的磁場信號，TMR傳感器位于U型磁芯正中央。

圖5　脈沖擾動電磁場檢測系統(tǒng)框圖和檢測探頭外觀

通有方波信號的激勵線圈在試件中感應產(chǎn)生電流，當電流經(jīng)過缺陷時引起周圍空間磁場發(fā)生擾動，檢測傳感器拾取磁場的畸變信號并轉(zhuǎn)化為電信號，然后輸入到信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路主要采用低功耗、高精度的儀表放大器AD 620以及電阻、電容構(gòu)成濾波放大電路，對Bx和Bz信號均放大100倍。數(shù)據(jù)采集模塊采用NI采集卡，對經(jīng)過信號調(diào)理的Bx和Bz信號進行采集，并輸送至計算機。計算機內(nèi)部用LabVIEW和MATLAB編寫的程序可對檢測的信號進行小波熵計算。

3.2檢測試驗

試驗中脈沖激勵源采用100 Hz，占空比50%，幅值為1 V的方波信號。所使用的試件結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，試件厚度分別為10, 9, 8 mm，裂紋深7 mm，長45 mm，寬2 mm，因此三個裂紋埋藏深度分別為3, 2, 1 mm。

圖6　缺陷試件結(jié)構(gòu)示意

3.3試驗結(jié)果

為分析脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)對不同埋深缺陷的識別能力，分別對埋深為1,3 mm的缺陷進行檢測，對采集到的Bx磁場信號進行小波熵分析，得到如表1所示特征向量。由結(jié)果可知,在低頻節(jié)點1時埋深3 mm缺陷能量大于埋深1 mm缺陷，在高頻節(jié)點3，4，5時埋深3 mm缺陷能量小于埋深1 mm缺陷，計算埋深分別為1,3 mm的非表面缺陷的小波熵，得到兩個缺陷的小波熵分別為0.170 3和0.144 5，埋深1mm缺陷熵值大于埋深3 mm缺陷。

表1　埋深1,3 mm缺陷的特征向量

由試驗結(jié)果可知，脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)對非缺陷具有良好的識別和區(qū)分能力，對于鋁試件Bx磁場信號而言，埋深為1 mm缺陷的小波熵大于埋深為3 mm缺陷的小波熵。故，脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)對埋深缺陷具有良好的檢測前景。

4　結(jié)論

(1) 使用有限元方法構(gòu)建脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)有限元模型，驗證脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)對埋藏缺陷檢測能力。仿真和試驗結(jié)果相互驗證，表明了脈沖擾動電磁場檢測方法的正確性，缺陷特征信號也驗證了該技術(shù)與交流電磁場檢測技術(shù)(ACFM)的一致性。

(2) 搭建的脈沖擾動電磁場檢測系統(tǒng)，對埋深1,3 mm缺陷進行的試驗表明：脈沖擾動電磁場檢測技術(shù)可以對鋁試件埋深缺陷進行檢測，采用小波熵理論可對埋深為1,3 mm的缺陷進行區(qū)分。

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Algorithm for Recognition of the Buried Depth of Non-surface Crack Using Pulse Perturbation Electromagnetic Field

KONG Qing-xiao1, LI Wei1, GE Jiu-hao1, ZHANG Chuan-rong2, LIU Jian1

(1.Center for Offshore Equipment and Safety Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2.Offshore Oil Engineering (Zhuhai) Co., Ltd., Zhuhai 519000, China)

Alternating current filed measurement (ACFM) is an emerging electromagnetic for nondestructive testing technology. Because of skin effect, ACFM is highly sensitive to surface open crack, but critical for non-surface defect. In this paper, the pulse excitation is presented for non-surface crack detection based on alternating current field measurement technique. According to the simulation and experimental results, the wavelet entropy theory is proposed for non-surface defect recognition. Results show that the proposed algorithm can distinguish different buried crack depths effectively.

Non-subsurface defect; Pulse excitation; Wavelet entropy; Defect recognition

2016-06-22

國家自然科學基金資助項目(51574276);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(15CX05024A，16CX06017A);國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0802300);山東省自然科學基金英才基金資助項目(ZR2015EM009);青島市科技成果轉(zhuǎn)化引導計劃(青年專項)資助項目(14-2-4-49-jch)。

孔慶曉(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為電磁無損檢測。

李偉(1980-)，男，副教授，博士，E-mail:ronald8044@163.com。

10.11973/wsjc201610006

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0021-04