孔慶曉，李　偉，葛玖浩，張傳榮，劉　健

(1.中國石油大學(xué)(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(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)非表面缺陷埋深的識(shí)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(xué)(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(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是一種新型的電磁無損檢測(cè)技術(shù)，但由于趨膚效應(yīng)的存在，其對(duì)表面裂紋檢測(cè)具有較高的敏感性，但對(duì)于非表面缺陷檢測(cè)存在著技術(shù)瓶頸。借助脈沖激勵(lì)源在工件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流滲透深度大的特點(diǎn)，進(jìn)行非表面缺陷的脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)仿真與試驗(yàn)，提出了基于小波熵理論的非表面缺陷埋深識(shí)別算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，所構(gòu)建的脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)缺陷識(shí)別算法可有效識(shí)別和區(qū)分不同埋深缺陷。

非表面缺陷；脈沖激勵(lì)；小波熵；缺陷識(shí)別

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)(Alternating Current Field Measurement)是一種廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)的非接觸檢測(cè)技術(shù)，具有無需清理表面、數(shù)學(xué)模型完備、量化精度高、對(duì)提離高度不敏感的優(yōu)點(diǎn)[1]。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)原理為：當(dāng)缺陷存在于感應(yīng)勻強(qiáng)場(chǎng)中時(shí)，感應(yīng)電流無法穿過缺陷，因此會(huì)在缺陷附近產(chǎn)生擾動(dòng)電場(chǎng)。當(dāng)檢測(cè)探頭掃過缺陷時(shí)，平行裂紋方向的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凹信號(hào)，而垂直裂紋方向的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生波峰波谷信號(hào)[1-2]。但由于趨膚效應(yīng)的存在，感應(yīng)電流集中在工件的近表層，因此交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)僅對(duì)表面缺陷具有較高的靈敏度，而對(duì)非表面缺陷的檢測(cè)存在著技術(shù)瓶頸。

目前發(fā)展比較快的非表面缺陷檢測(cè)技術(shù)主要有脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)和脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)。采用脈沖信號(hào)作為激勵(lì)能夠克服趨膚效應(yīng)的限制，檢測(cè)信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)非表面缺陷的檢測(cè)。SOPHIAN等利用時(shí)頻分析方法，采用過零時(shí)間、信號(hào)幅值和相位變化等參數(shù)表征缺陷的位置和尺寸，試驗(yàn)證明這三個(gè)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(shí)間作為脈沖渦流信號(hào)特征量對(duì)缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)。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(duì)脈沖渦流缺陷信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型缺陷的識(shí)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(shí)別研究，試驗(yàn)表明該方法可對(duì)亞表面缺陷進(jìn)行有效識(shí)別。上述研究表明，將脈沖激勵(lì)技術(shù)融入到傳統(tǒng)技術(shù)中，可有效增加檢測(cè)深度，達(dá)到對(duì)非表面缺陷的檢測(cè)。

筆者在交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，引入脈沖激勵(lì)技術(shù)，開展針對(duì)非表面缺陷的脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)仿真和試驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)提取信號(hào)的特點(diǎn)構(gòu)建非表面缺陷參數(shù)特征量，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件不同埋深缺陷的識(shí)別。最終，搭建了脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)裝置對(duì)非表面缺陷進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。

1　脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)原理

脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)采用方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，如圖1所示。通有方波激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)線圈感生出一個(gè)快速變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在試件中感應(yīng)出電流。該感應(yīng)電流在試件中的分布隨著深度的增加，強(qiáng)度和范圍都單調(diào)減少，但在同一個(gè)深度處近似均勻。當(dāng)試件中存在缺陷時(shí)，會(huì)引起周圍的電流發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生擾動(dòng)磁場(chǎng)，通過檢測(cè)該擾動(dòng)磁場(chǎng)便可以檢測(cè)出缺陷的存在。

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

(1)

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

根據(jù)集趨膚深度計(jì)算公式,可得各個(gè)諧波的趨膚深度為：

(2)

式中：σ為電導(dǎo)率；μ為磁導(dǎo)率。

從式(2)可看出，周期性的方波信號(hào)作為脈沖激勵(lì)時(shí)，能夠在工件中產(chǎn)生不同的趨膚深度，可對(duì)不同深度的缺陷產(chǎn)生作用。顯然當(dāng)n=1時(shí)，即基頻時(shí)，趨膚深度值最大，滲透深度最大。同時(shí)當(dāng)激勵(lì)頻率一定時(shí)，脈沖信號(hào)的占空比越大，其趨膚深度也隨之增大，對(duì)應(yīng)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(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)三維有限元模型，采用磁路耦合方法對(duì)激勵(lì)線圈施加脈沖信號(hào)，實(shí)體模型采用SOLID97單元，電路模型采用CIRCU124單元。對(duì)模型最外層節(jié)點(diǎn)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(dòng)電磁場(chǎng)磁路模型

2.2提取電壓信號(hào)

圖3　檢測(cè)探頭瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)

檢測(cè)探頭瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)如圖3所示，由圖3可知,瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號(hào)分別在脈沖激勵(lì)信號(hào)的上升沿和下降沿出現(xiàn)波峰和波谷，當(dāng)探頭經(jīng)過缺陷時(shí)，信號(hào)峰值和谷值會(huì)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(shí)檢測(cè)探頭從缺陷中心左側(cè)x=-40 mm運(yùn)動(dòng)到缺陷中心右側(cè)x=40 mm，探頭每次移動(dòng)2 mm，提取檢測(cè)探頭x和z方向的感應(yīng)電壓信號(hào)在脈沖激勵(lì)上升沿處對(duì)應(yīng)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(lì)信號(hào)對(duì)鋁試件非表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，可得到交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)特征信號(hào)，因此將脈沖激勵(lì)技術(shù)和交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)非表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖4　Bx與Bz感應(yīng)電壓信號(hào)峰值掃描曲線

2.3特征提取

在脈沖信號(hào)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(jìn)行分析而忽略了信號(hào)的時(shí)域信息，故很難對(duì)缺陷位置進(jìn)行實(shí)時(shí)確定，同時(shí)主成分分析法需要花費(fèi)巨大的計(jì)算時(shí)間，而很難做到在線檢測(cè)[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(gè)概率分布序列，則每個(gè)尺度上的小波系數(shù)相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源發(fā)出的信息，用由這些序列或系數(shù)計(jì)算得到的熵值來反應(yīng)此系數(shù)矩陣的系數(shù)程度，也就是信號(hào)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(duì)稱db6小波函數(shù)，對(duì)脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，根據(jù)小波包分解系數(shù)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)能量Ei和信號(hào)缺陷特征向量T，最終計(jì)算信號(hào)小波熵以表征缺陷深度。

3　檢測(cè)系統(tǒng)與試驗(yàn)結(jié)果

3.1檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)源、檢測(cè)探頭、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)組成，其系統(tǒng)框架如圖5(a)所示。

脈沖激勵(lì)信號(hào)源主要由單片機(jī)、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(hào)。檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，主要由激勵(lì)線圈，檢測(cè)傳感器和U型磁芯組成。激勵(lì)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(cè)傳感器采用2個(gè)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(chǎng)信號(hào)，TMR傳感器位于U型磁芯正中央。

圖5　脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖和檢測(cè)探頭外觀

通有方波信號(hào)的激勵(lì)線圈在試件中感應(yīng)產(chǎn)生電流，當(dāng)電流經(jīng)過缺陷時(shí)引起周圍空間磁場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，檢測(cè)傳感器拾取磁場(chǎng)的畸變信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后輸入到信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)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(duì)Bx和Bz信號(hào)均放大100倍。數(shù)據(jù)采集模塊采用NI采集卡，對(duì)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的Bx和Bz信號(hào)進(jìn)行采集，并輸送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部用LabVIEW和MATLAB編寫的程序可對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行小波熵計(jì)算。

3.2檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)中脈沖激勵(lì)源采用100 Hz，占空比50%，幅值為1 V的方波信號(hào)。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(gè)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(yàn)結(jié)果

為分析脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同埋深缺陷的識(shí)別能力，分別對(duì)埋深為1,3 mm的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)采集到的Bx磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)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(diǎn)1時(shí)埋深3 mm缺陷能量大于埋深1 mm缺陷，在高頻節(jié)點(diǎn)3，4，5時(shí)埋深3 mm缺陷能量小于埋深1 mm缺陷，計(jì)算埋深分別為1,3 mm的非表面缺陷的小波熵，得到兩個(gè)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(yàn)結(jié)果可知，脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)非缺陷具有良好的識(shí)別和區(qū)分能力，對(duì)于鋁試件Bx磁場(chǎng)信號(hào)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(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)埋深缺陷具有良好的檢測(cè)前景。

4　結(jié)論

(1) 使用有限元方法構(gòu)建脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)有限元模型，驗(yàn)證脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)埋藏缺陷檢測(cè)能力。仿真和試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，表明了脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)方法的正確性，缺陷特征信號(hào)也驗(yàn)證了該技術(shù)與交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)(ACFM)的一致性。

(2) 搭建的脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)埋深1,3 mm缺陷進(jìn)行的試驗(yàn)表明：脈沖擾動(dòng)電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)鋁試件埋深缺陷進(jìn)行檢測(cè)，采用小波熵理論可對(duì)埋深為1,3 mm的缺陷進(jìn)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(xué)基金資助項(xiàng)目(51574276);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(15CX05024A，16CX06017A);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0802300);山東省自然科學(xué)基金英才基金資助項(xiàng)目(ZR2015EM009);青島市科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)計(jì)劃(青年專項(xiàng))資助項(xiàng)目(14-2-4-49-jch)。

孔慶曉(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)。

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