， ，文艷，，，,，

(1.中國(guó)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.渤?？滮埩黧w控制設(shè)備(天津)有限公司，天津 300280)

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)具有非接觸測(cè)量、無需標(biāo)定、數(shù)學(xué)模型精確、對(duì)結(jié)構(gòu)物表面要求低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于海洋結(jié)構(gòu)物的缺陷檢測(cè)[1-3]。其檢測(cè)原理是：利用通有正弦激勵(lì)信號(hào)的載流線圈在工件表面感應(yīng)出一定的勻強(qiáng)電流區(qū)域，如果工件表面存在缺陷，勻強(qiáng)電流會(huì)從裂紋兩端繞過，裂紋中心處的電流就變得稀疏，使得x方向的磁通密度Bx出現(xiàn)波谷，同時(shí)，裂紋兩端電流聚集，使得z方向的磁通密度Bz出現(xiàn)波峰和波谷[4-5]。

ACFM技術(shù)在檢測(cè)海洋結(jié)構(gòu)物時(shí)，探頭提離高度難免會(huì)發(fā)生變化或者受到擾動(dòng)影響，檢測(cè)傳感器很容易引入干擾信號(hào)。傳統(tǒng)的基于信號(hào)特征或者蝶形圖的判別方法可能將干擾信號(hào)作為缺陷信號(hào)，造成缺陷的誤判[6]。同時(shí)，基于信號(hào)特征或者蝶形圖的判別方法要在完成整個(gè)缺陷檢測(cè)后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判定，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)判定與評(píng)估[7]。

針對(duì)以上問題，筆者建立了ACFM陣列探頭檢測(cè)系統(tǒng)并提取裂紋特征信號(hào)，采用能量譜和相位導(dǎo)數(shù)相結(jié)合的閾值判定方法實(shí)時(shí)獲取裂紋特征信號(hào)，利用閾值參數(shù)對(duì)裂紋的危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：基于能量譜和相位導(dǎo)數(shù)閾值的判別方法搭建的ACFM裂紋檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)裂紋的實(shí)時(shí)判別與評(píng)估，對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物缺陷的檢測(cè)具有重要意義。

圖1 ACFM裂紋檢測(cè)系統(tǒng)框圖與實(shí)物圖

1 系統(tǒng)搭建

根據(jù)ACFM技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了交流電磁場(chǎng)裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖與實(shí)物圖片如圖1所示。系統(tǒng)的信號(hào)源基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)，利用AD 9850芯片作為信號(hào)激勵(lì)源芯片，結(jié)合8位微控制器AT89S52控制芯片，輸出頻率為6 kHz，幅值為1 V 的正弦激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大加載至激勵(lì)線圈。檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)線圈在試件表面感應(yīng)出垂直于裂紋的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)經(jīng)過缺陷時(shí)發(fā)生畸變，引起空間磁場(chǎng)發(fā)生畸變；檢測(cè)線圈拾取磁場(chǎng)畸變信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸至調(diào)理電路。信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路放大和濾波處理，被檢測(cè)線圈檢測(cè)得到，再經(jīng)過采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)(PC)[8-11]。計(jì)算機(jī)通過工控機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)帶動(dòng)探頭在試件表面掃描。計(jì)算機(jī)內(nèi)部基于LABVIEW和MATLAB軟件編寫的智能可視化算法能夠?qū)Σ杉降娜毕菪盘?hào)進(jìn)行分析處理，顯示缺陷特征信號(hào)并對(duì)缺陷危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。

為了避免漏檢，增加檢測(cè)范圍，ACFM探頭采用1×3陣列檢測(cè)傳感器探測(cè)畸變磁場(chǎng)信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框圖與實(shí)物圖片如圖2所示。其中，激勵(lì)線圈在U型錳鋅鐵氧體磁芯橫梁上纏繞500圈。檢測(cè)線圈由共同纏繞在矩形磁芯的兩個(gè)線圈組成，x方向線圈在磁芯上纏繞150圈，用于提取x方向的磁通密度(沿著裂紋方向)；z方向線圈在磁芯上纏繞200圈，用于提取z方向的磁通密度(垂直于試件)。檢測(cè)線圈排布在U型磁芯的正下方，間距為5 mm[10]。

圖2 陣列檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)框圖與實(shí)物圖片

試件為(長(zhǎng)×寬×厚)400 mm×400 mm×20 mm的低碳鋼板，裂紋為電火花加工的矩形缺陷。利用設(shè)計(jì)的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其中一條長(zhǎng)40 mm，寬0.5 mm，深6 mm的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，探頭下方中間傳感器輸出的裂紋信號(hào)如圖3所示。

圖3 裂紋的ACFM特征信號(hào)

由圖3可以看出， 特征信號(hào)Bx出現(xiàn)波谷，與此同時(shí)，在同樣位置處特征信號(hào)Bz產(chǎn)生方向相反的峰值。特征信號(hào)的畸變規(guī)律與ACFM原理一致，表明設(shè)計(jì)的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)裂紋特征信號(hào)的測(cè)量。

2 基于能量譜和相位導(dǎo)數(shù)閾值的判定方法

2.1 能量譜閾值判定方法

設(shè)fT(t)為時(shí)域信號(hào)，F(xiàn)T(ω)為fT(t)的傅里葉變換，根據(jù)帕塞瓦爾定理，fT(t)的能量ET可表示為[12]

(1)

(2)

式中:Qf為信號(hào)的能量譜(密度)。

由式(1),(2)可計(jì)算出信號(hào)Bx的能量譜(見圖4)。由圖4 可以看出，Bx信號(hào)畸變量峰值區(qū)域大于Bz的信號(hào)峰值區(qū)域，為了使得裂紋長(zhǎng)度的估算擁有更多的安全余量，對(duì)Bx信號(hào)求能量譜，依據(jù)Bx信號(hào)峰值位置對(duì)應(yīng)的能量譜數(shù)值，來確定裂紋長(zhǎng)度的判定閾值。

圖4 裂紋Bx,Bz信號(hào)幅值及Bx能量譜曲線

由圖4可以看出，位于裂紋區(qū)域的Bx能量譜曲線處于下降狀態(tài)。對(duì)于試驗(yàn)中的40 mm裂紋，Bx峰值位置處對(duì)應(yīng)的能量譜閾值為285.8。對(duì)于任意檢測(cè)到的Bx信號(hào)實(shí)時(shí)求能量譜，當(dāng)能量譜數(shù)值小于規(guī)定閾值時(shí)，則可以實(shí)時(shí)評(píng)估裂紋的長(zhǎng)度信息。

針對(duì)試件上深度和寬度相同、長(zhǎng)度不同的裂紋進(jìn)行測(cè)試，得到不同長(zhǎng)度的裂紋特征信號(hào)Bx的能量譜閾值，如表1所示。

利用表1中數(shù)據(jù)，借助MATLAB軟件多項(xiàng)式擬合，得到不同長(zhǎng)度裂紋的能量譜閾值，如圖5所示。

表1 不同長(zhǎng)度裂紋的Bx能量譜閾值

圖5 不同裂紋的能量譜閾值與裂紋長(zhǎng)度擬合曲線

可以看出，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，能量譜閾值不斷增大。依據(jù)該特性曲線可根據(jù)裂紋長(zhǎng)度判定要求自適應(yīng)地調(diào)節(jié)能量譜閾值Q的初始設(shè)定值。能量譜閾值Q與裂紋長(zhǎng)度L之間的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系為

Q=0.000 158 2L3+0.016 01L2+

0.082 67L+246.7

(3)

圖6 Bz相位變化關(guān)系

2.2 相位導(dǎo)數(shù)譜閾值判定方法

由于檢測(cè)線圈進(jìn)入裂紋區(qū)域時(shí)，內(nèi)部的磁通密度方向發(fā)生改變，造成z方向線圈進(jìn)入缺陷時(shí)Bz的相位發(fā)生變化[13-14]。如圖6所示，當(dāng)檢測(cè)傳感器進(jìn)入裂紋時(shí)，Bz的相位有兩次翻轉(zhuǎn)突變，Bz相位導(dǎo)數(shù)變化出現(xiàn)三個(gè)峰值，正的峰值位于裂紋的中心，負(fù)的峰值位于裂紋長(zhǎng)度方向的兩側(cè)。同時(shí)，在檢測(cè)線圈未進(jìn)入裂紋區(qū)域時(shí)，Bz的相位保持恒定，其導(dǎo)數(shù)為0。因此，Bz相位導(dǎo)數(shù)變化屬于裂紋的另一明顯特征信號(hào)，選定Bz相位的導(dǎo)數(shù)作為裂紋實(shí)時(shí)判定的又一依據(jù)。

2.3 基于能量譜和相位導(dǎo)數(shù)閾值的判定算法

依據(jù)Bx能量譜和Bz相位導(dǎo)數(shù)閾值的裂紋實(shí)時(shí)判定方法的計(jì)算流程如圖7所示，主要步驟如下：

(1) 對(duì)于連續(xù)信號(hào)采用逐點(diǎn)方式對(duì)采集到的Bx、Bz和激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行鎖相放大和數(shù)據(jù)處理，得到Bx能量譜QEx和Ez相位φz。

(2) 判斷QEx與初始設(shè)定閾值Q的大小關(guān)系。若QEx不大于Q，則保存數(shù)據(jù)。對(duì)Bz相位求導(dǎo)得到Dz。

(3) 判斷Dz是否滿足要求(文中相位判斷設(shè)有余量，Ez相位導(dǎo)數(shù)閾值設(shè)為180)。Dz大于等于180，則視為有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)i增加一次；若Dz小于180，則按照Bx能量譜閾值曲線遞增更新閾值Q并清空保存的缺陷數(shù)據(jù)，并繼續(xù)進(jìn)行閾值大小判定。若QEx大于Q，則舍棄該數(shù)據(jù)。

(4) 判斷i是否等于連續(xù)點(diǎn)數(shù)N，若該缺陷連續(xù)N個(gè)點(diǎn)滿足能量譜和相位導(dǎo)數(shù)閾值判定方法,則判定缺陷存在；若i不滿足連續(xù)N個(gè)點(diǎn)滿足閾值判定方法規(guī)則,則視為干擾信號(hào)，重新開始數(shù)據(jù)的判定。

可見，文章設(shè)計(jì)的基于能量譜和相位導(dǎo)數(shù)閾值的判定算法能夠自動(dòng)更新閾值，可有效實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)的缺陷實(shí)時(shí)判定，且該算法可排除其他非缺陷的干擾信號(hào)。

3 裂紋判定及評(píng)估試驗(yàn)

裂紋長(zhǎng)度是缺陷的關(guān)鍵因素，且裂紋長(zhǎng)度相關(guān)特征信號(hào)在ACFM檢測(cè)技術(shù)中易于提取。裂紋預(yù)警等級(jí)參數(shù)可根據(jù)工程實(shí)際裂紋長(zhǎng)度預(yù)警值設(shè)置，試驗(yàn)將裂紋危險(xiǎn)程度按照長(zhǎng)度分設(shè)為低預(yù)警(20 mm以下)、中預(yù)警(20～50 mm)和高預(yù)警(50 mm以上)3個(gè)等級(jí)。依據(jù)裂紋判定最終顯示的閾值結(jié)果對(duì)裂紋危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。

3.1 裂紋判定及評(píng)估軟件

基于能量譜閾值和相位導(dǎo)數(shù)的閾值的裂紋判定與評(píng)估軟件界面如圖8所示。其主要由檢測(cè)平臺(tái)控制模塊、DAQ采集模塊、鎖相放大模塊、特征信號(hào)模塊、閾值模塊和裂紋狀態(tài)評(píng)估模塊組成。檢測(cè)平臺(tái)控制模塊主要用于控制試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，DAQ采集模塊用于設(shè)定信號(hào)采集參數(shù)，鎖相放大模塊主要用于提取Bz相位信息，特征信號(hào)實(shí)時(shí)顯示缺陷的Bx和Bz信號(hào)，閾值設(shè)定模塊用于設(shè)定初始閾值并自動(dòng)更新閾值，裂紋狀態(tài)評(píng)估模塊可根據(jù)閾值參數(shù)對(duì)裂紋危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。

圖8 裂紋判定與評(píng)估軟件界面

3.2 裂紋檢測(cè)試驗(yàn)

試件為(長(zhǎng)×寬×厚)400 mm×400 mm×20 mm的普通低碳鋼板，裂紋由電火花加工而成，其尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為45 mm×0.5 mm×6 mm。激勵(lì)信號(hào)為幅值1 V,頻率6 kHz的正弦信號(hào)。設(shè)定好檢測(cè)臺(tái)架的控制參數(shù)、DAQ采集參數(shù)、鎖相放大參數(shù)和初始閾值，利用檢測(cè)臺(tái)架帶動(dòng)探頭在試件上方沿著裂紋方向以5 mm·s-1的速度掃描激勵(lì)線圈，從而在試件表面感應(yīng)出局部均勻電場(chǎng)，電場(chǎng)經(jīng)過裂紋發(fā)生畸變，裂紋上方的3個(gè)檢測(cè)線圈將提取磁場(chǎng)信號(hào)畸變量Bx和Bz，Bx和Bz被放大濾波處理，經(jīng)過采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部基于LABVIEW軟件編寫的鎖相放大模塊提取Bz相位信息，基于LABVIEW和MATLAB軟件編寫的缺陷判定與評(píng)估算法對(duì)裂紋進(jìn)行判定與預(yù)警[15-16]。最終，軟件顯示3個(gè)檢測(cè)線圈拾取的裂紋特征信號(hào)及判定與評(píng)估結(jié)果，如圖9所示。

圖9 裂紋檢測(cè)判定與評(píng)估結(jié)果

從圖9可以看出，在2號(hào)檢測(cè)線圈位置(中間傳感器)信號(hào)Bx出現(xiàn)波谷，Bz出現(xiàn)相反的峰值，符合ACFM原理的特征信號(hào)。同時(shí)，軟件基于能量譜閾值和相位導(dǎo)數(shù)判定方法對(duì)2號(hào)檢測(cè)線圈得到的缺陷特征信號(hào)進(jìn)行判定和評(píng)估，結(jié)果顯示危險(xiǎn)等級(jí)為中預(yù)警。由于該裂紋長(zhǎng)度為45 mm，屬于裂紋閾值判定算法中的中預(yù)警范圍，可見軟件判定結(jié)果正確。1號(hào)檢測(cè)線圈測(cè)試的特征信號(hào)較為微弱，Bx和Bz信號(hào)特征出現(xiàn)失真。3號(hào)檢測(cè)線圈信號(hào)紊亂，看不出缺陷特征信號(hào)。因此2號(hào)傳感器和3號(hào)傳感器無法顯示缺陷預(yù)警。由此可以看出，基于能量譜和相位導(dǎo)數(shù)閾值的ACFM裂紋實(shí)時(shí)判定與評(píng)估檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)α鸭y實(shí)時(shí)判定，并進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。同時(shí)，由檢測(cè)線圈的位置可確定裂紋的位置，實(shí)現(xiàn)定量與定位評(píng)估。

4 結(jié)論

交流電磁場(chǎng)Bx信號(hào)能量譜可作為裂紋長(zhǎng)度的評(píng)估閾值；Bz信號(hào)相位在裂紋區(qū)域發(fā)生明顯的翻轉(zhuǎn)?；谀芰孔V和相位導(dǎo)數(shù)閾值的判定方法能夠?qū)崟r(shí)判定裂紋；利用閾值參數(shù)可對(duì)裂紋危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估?；谀芰孔V和相位導(dǎo)數(shù)閾值的ACFM裂紋判定與評(píng)估系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)裂紋的實(shí)時(shí)定量與定位評(píng)估。