基于歸一化求導的裂紋缺陷渦流檢測信號處理方法

李朋宇,閆 帥,荊林遠,王高潔,聞東東

(1.國網安徽省電力有限公司 亳州供電公司,亳州 236800;2.徐州工程學院 電氣與控制工程學院,徐州 221000)

壓力容器的管道、鍋爐、容器等關鍵金屬零部件在制造和服役過程中均需實施無損檢測[1]。常規渦流檢測具有響應速度快、無接觸、效率高、成本低等優點,已廣泛應用于金屬構件的疲勞裂紋、腐蝕損傷檢測[2-3]。在壓力容器疲勞裂紋缺陷的渦流檢測中,提離變化、包覆層、不規則曲面、應力變化等影響因素會導致檢測精度降低,甚至引發誤檢、錯檢等問題,嚴重威脅壓力容器的質量安全[4]。其中,材料應力變化作為容易忽略的影響因素,不僅會對檢測信號產生較大干擾,甚至會導致出現錯誤的檢測結果。因此,抑制應力變化對裂紋缺陷渦流檢測的影響是當前亟待解決的關鍵問題。

為抑制渦流檢測變化因素對缺陷檢測結果的影響,眾多學者開展了相關研究。吳斌等[5]研究了線圈彎曲角度變化對柔性渦流傳感器缺陷檢測能力影響,結果表明,圓形線圈的彎曲會導致各向均勻渦流場朝單向渦流場轉變,無論是工作在自感還是互感檢測模式下,柔性渦流傳感器對不同方向裂紋的檢測靈敏度均降低。杜金強等[6]研究了互擾對陣列渦流傳感器裂紋檢測的影響,結果表明,互擾會導致陣列傳感器輸出信號幅值顯著減小、相位出現偏移,也會對陣列渦流傳感器的裂紋檢測靈敏度產生一定影響;若以跨阻抗幅值作為傳感器的特征量,互擾對裂紋檢測靈敏度的影響可以忽略。楊帆等[7]提出了一種U形磁導體聚焦探頭,通過探頭中的U形磁導體結構引導磁場使渦流聚集于磁導體探頭下方,避免了圓柱探頭的渦流檢測盲區實現了對不銹鋼板局部缺陷的檢測,且不受大提離的影響。楊理踐等[8]提出了一種基于平衡電磁技術的檢測方法,該方法在交流勵磁條件下利用U形傳感器能實現該方法對鋼板表面橫縱向裂紋進的效檢測,通過信號特征能夠有效區分裂紋類型。綜上所述,現有研究對裂紋缺陷檢測影響因素的抑制,主要集中在探頭提離、探頭結構、信號處理方法等方面,鮮有研究關注材料應力變化對裂紋缺陷檢測結果的影響。

鐵磁性材料的應力變化會改變其材料的電磁特性,即會改變鐵磁性材料的電導率和磁導率等參數,進而影響渦流檢測的結果[9]。因此,抑制或消除鐵磁性材料應力變化對渦流檢測結果的影響是當前亟待解決的關鍵問題。針對此問題,筆者提出了一種渦流檢測信號的應力變化影響抑制方法,有效提高了鐵磁性材料裂紋缺陷的渦流檢測精度,也為其他鐵磁性材料損傷檢測的應力變化影響抑制提供了一些借鑒。

1 理論分析

根據磁致伸縮理論和磁彈性理論[10-11],當鐵磁性材料被磁化和受到外部應力時,鐵磁性材料磁導率的變化可以表示為

ε=EHσ+dH

(1)

B=d-1σ+μH

(2)

式中:ε為應變;EH為特定磁場條件下的楊氏模量;σ為應力;d為壓磁系數;H為磁場強度,B為磁感應強度;d-1為反壓磁系數;μ為磁導率。

式(1),(2)表示的是鐵磁性材料在彈性應變范圍內的磁場變化關系,即彈性應力作用在鐵磁性材料時,其磁場分布將發生變化。因此,磁彈性效應會影響鐵磁性材料裂紋缺陷的檢測。根據焦耳效應[12],鐵磁性材料應變ε和磁導率μ的關系可以表示為

(3)

式中:λs為磁致伸縮常數;Ms為飽和磁化強度;Kμ為單軸磁各向異性常數;Δμ為磁導率的變化量;θ0為磁場與磁化軸之間的夾角。

根據胡克定律[9]可知,鐵磁性材料應變ε和作用應力F之間的關系可以表示為

F=εEA=σA

(4)

式中:E為彈性模量;A為鐵磁性材料的橫截面積。

將式(4)代入式(3)中,可以獲得

(5)

當被測鐵磁性材料確定時,式(5)中E、λs、Ms、Kμ和θ0是確定的常數。當環境磁場強度H不變時,磁導率變化量Δμ是隨著應力σ變化而變化的。

渦流檢測模型如圖1所示,假定板材是線性、各項同性、均勻的介質,由電磁感應原理和麥克斯韋方程可求出諧波激勵下的磁通密度大小[13],即

圖1 渦流檢測模型

B=Bs+Bec

(6)

式中:Bs為探頭在空氣中的磁通密度;Bec為探頭在被測試件上方時渦流感應的磁通密度。

Bec是與電導率和磁導率相關的系數,磁敏傳感器檢測到的渦流場感應磁通密度與被測試件的電導率、磁導率和厚度參數相關。由式(5)可知,磁導率變化量隨著應力的變化而改變。綜上所述,被測試件應力的變化會影響探頭的感應磁通密度,即被測試件應力的變化會影響渦流檢測信號。

2 歸一化求導方法

針對應力變化對鐵磁性材料裂紋缺陷渦流檢測的影響,筆者提出了一種抑制方法,其流程如圖2所示,主要包括信號特征獲取、歸一化和求導處理等步驟[14-16],旨在通過信號處理的方法抑制應力變化對裂紋缺陷檢測的影響。其中,信號特征是檢測信號數據的標準差值;線性掃描檢測主要是對被測試件進行線性單向掃描檢測;歸一化處理主要是對線性掃描檢測獲取的信號特征進行處理;求導處理主要是對歸一化信號的特征數據進行求導變換。

圖2 歸一化求導方法流程

V=[Vt1,Vt2,…,VT]

(7)

式中:t1為信號采樣時間;T為信號采樣周期。

(2) 對獲取的檢測信號進行特征提取,即對周期檢測信號數據求均方差,得到檢測信號的均方差特征信號,即

(8)

(3) 利用上述單點檢測信號特征進行線性A掃檢測,即對試件進行線性多點掃描檢測,以獲取檢測信號均方差信號特征數據,即

σ=[σV1,σV2,…,σVN]

(9)

式中:N為掃查點數。

(4) 對上述檢測信號的均方差特征數據進行求導處理[17],以提高特種信號的信噪比,可寫為

(10)

式中:?σ為導數信號數據;Δσ為單位時間內均方差信號變化量;Δt為信號采樣時間間隔。

(5) 對上述線性掃描獲取的均方差導數信號進行歸一化處理[18],以抑制外部干擾對導數信號的影響,可寫為

(11)

式中:?σmax為導數信號數據的最大值;?σmin為導數信號數據的最小值。

(6) 對處理后的信號數據進行成像,實現對裂紋缺陷的精確定量評估。

3 檢測系統與試驗材料

應力狀態下試件渦流檢測試驗現場如圖3所示,檢測系統主要包括數據采集系統、三維移動掃描平臺、拉伸機等。其中,數據采集系統包括計算機、PCI-1814型數據采集卡、GWINSTEK-AFG-2225型函數發生器、GWINSTEK-GDS-2102E型示波器、功率放大器、探頭等模塊。探頭結構如圖4所示,其外圓半徑為10 mm,內圓半徑為5 mm,高為18.5 mm,激勵線圈匝數為300匝,線徑為0.1 mm。檢測時通過數據采集卡將信號數據傳輸至計算機保存,同時,檢測信號也在示波器上實時顯示出來,便于監測。三維移動掃描平臺包括計算機、步進電機控制器、三維掃描機構等。計算機通過步進電機控制器完成對步進電機行進距離的控制,以實現對移動平臺的行進點位控制。拉伸機裝置包括液壓缸、應力傳感器、計算機、應力監測儀、專用夾具等。試件固定于夾具上,通過液壓缸機構實現對試件的拉伸,同時,應力傳感器實時檢測應力大小,并通過應力監測儀實時傳送至計算機。試驗所用試件材料為Q235鋼,其結構如圖5所示。

圖3 應力狀態下試件渦流檢測試驗現場

圖4 探頭結構示意

4 試驗過程與試驗結果

試驗中,采用函數發生器生成正弦激勵信號,其幅值為2 V,頻率為200 Hz。正弦激勵信號經過功率放大器放大后施加至探頭激勵線圈。數據采集卡采樣頻率為1 MHz。A掃方向如圖5所示,步進距離為0.25 mm,掃查一個點的時間間隔為1 s,掃查距離為157 mm。在不施加拉伸應力的條件下,試件無裂紋缺陷處檢測獲取的信號如圖6所示,可見,信號曲線不是關于時間軸的對稱曲線,而是存在一定偏移量,即檢測信號是無過零點的變化曲線。在信號特征提取中,經分析發現,相比于檢測信號數據的均方差信號特征,峰值信號更易受應力變化影響,且A掃裂紋缺陷的信號變化量也小于均方差信號特征的變化量。即,在受應力變化影響的裂紋缺陷檢測中,均方差信號特征穩定性優于峰值信號特征。

圖5 試件結構示意

圖6 試件無裂紋缺陷處的檢測信號曲線

接著,用所提方法對去噪后的渦流檢測信號進行處理,計算出周期檢測信號的均方差值,并作為信號特征數據,對裂紋進行A掃檢測,獲取的A掃均方差信號曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著探頭移動距離的增加,均方差信號在裂紋處呈現明顯變化,即隨著裂紋寬度的增加峰值變化量逐漸增大;然而,寬度為0.5 mm的裂紋處的峰值信號沒發生明顯變化。這是由于試驗掃描平臺的精度有一定限制,說明更小步進距離的掃描平臺可以提升掃查信號的顯現效果。因此,只有A掃步進距離小于裂紋寬度的1/2時,才能有效裂紋缺陷。另一方面,從圖7中也可以觀察到,隨著掃查距離的增加,均方差信號總體呈現增加的變化趨勢,僅在裂紋處有減小。

圖7 裂紋的A掃均方差信號曲線

當對試件作用不同的拉伸應力時,其A掃均方差信號隨應力的變化曲線如圖8所示,可見,隨著拉伸應力的增加,均方差A掃信號出現明顯變化。在初始段A掃位置,裂紋處的均方差信號變化量呈現減小的變化趨勢。在A掃末段位置,均方差信號的變化量呈現增加的變化趨勢,且裂紋處的均方差信號幅值也有所差異。由此可知,裂紋缺陷的均方差信號會受到應力變化的影響,且在A掃信號的起始段和末段變化不同。該應力變化結果會對裂紋缺陷的定量評估造成較大影響,引起裂紋缺陷A掃均方差信號的誤判或錯判。因此,抑制金屬材料應力變化對裂紋缺陷檢測的影響是尤為重要的工作。

圖8 A掃均方差信號隨應力的變化曲線

對上述均方差信號進行求導處理,獲取的求導后均方差信號變化曲線如圖9所示。由圖9可知,求導后的均方差信號呈現出以橫軸為中心的對稱狀態,且隨著裂紋寬度的增加均方差信號幅值增加,同時求導后的均方差信號受應力變化的影響得到了一定程度的抑制。

圖9 不同應力時的求導后均方差信號變化曲線

進一步,對隨應力變化的導數信號進行歸一化處理,其結果如圖10所示。由圖10可知,不考慮零拉伸應力的條件下,經歸一化處理后應力對導數信號的影響得到抑制,在A掃末段和初始段,裂紋導數信號變化得到較好抑制。但是,歸一化導數信號在應力變化的條件下,仍會發生一定變化,且在A掃中段的變化相對明顯。對比不同寬度的裂紋缺陷信號發現,峰峰值位置A掃信號特征變化量的橫向距離幾乎一致,即說明峰峰值位置A掃信號變化量的橫向距離不能用于評估裂紋寬度大小。但隨著裂紋寬度的增加,裂紋處的歸一化導數信號幅值增加,即歸一化導數信號幅值的變化量參數能夠用于評價受應力變化影響的裂紋缺陷寬度大小。

圖10 不同應力時的歸一化導數信號

基于上述試驗結果,筆者利用歸一化導數信號幅值的變化量參數來評價裂紋缺陷寬度大小,建立歸一化導數信號幅值變化量與裂紋寬度大小的映射關系,形成的歸一化導數信號幅值變化量隨裂紋寬度變化曲線如圖11所示。由圖11可知,隨著裂紋寬度的增加,歸一化導數信號的幅值變化量增加。即,通過歸一化導數信號的幅值變化量可以評價受拉伸應力變化影響的裂紋寬度大小。對比均方差信號幅值變化量與裂紋寬度的關系,其結果如圖12所示,發現隨著裂紋寬度的增加,均方差信號在裂紋處的幅值變化量增加,受應力變化影響更加明顯。

圖11 歸一化導數信號幅值變化量隨裂紋寬度變化曲線

圖12 均方差信號變化量隨裂紋寬度變化曲線

由上述分析可知,利用提出的應力變化影響抑制方法對檢測信號進行處理后,有效抑制了應力變化對裂紋缺陷檢測的影響,提高了裂紋缺陷的渦流檢測精度。

5 結果討論

綜合上述分析,所提出的應力影響抑制方法可以有效減小應力變化對裂紋缺陷寬度檢測的影響。在實際應用中,金屬材料都會承受到不同大小或方向的應力作用,同時,金屬材料自身也存在殘余應力。在實際工程應用中,金屬材料都處于彈性應變區間,試驗中被測試件所受拉伸應力也僅考慮了金屬材料彈性形變范圍內的應力影響,未考慮塑性形變范圍內的應力變化影響。

對裂紋缺陷渦流檢測的應力影響抑制方法作進一步分析,計算出在應力變化影響條件下均方差信號和歸一化導數信號的裂紋缺陷檢測精度,結果如圖13所示,可見裂紋缺陷寬度為1～2.5 mm時,均方差信號的最大相對誤差達到50%,而歸一化導數信號裂紋缺陷檢測的相對誤差小于10%。相比而言,提出的方法可以有效降低在應力影響下的檢測誤差,對于寬度較小或較大的裂紋缺陷,該方法檢測精度更高。

圖13 均方差和歸一化信號的裂紋缺陷檢測誤差

6 結語

針對應力變化對裂紋缺陷渦流檢測結果的影響,提出了一種應力影響抑制方法。該方法通過均方差求解獲取A掃檢測的信號特征,并進一步利用求導方法對A掃檢測信號進行處理,得到均方差導數信號,然后,利用歸一化方法對導數信號進行處理,獲得歸一化導數信號,最終,通過歸一化導數信號的幅值變化量對裂紋缺陷進行評價,實現應力變化條件下裂紋缺陷的精確定量。試驗結果表明,提出的方法可有效抑制應力變化對裂紋缺陷檢測的影響,提高裂紋缺陷檢測精度。