田明明 解社娟, 韓 捷 李 鵬 裴翠祥 陳振茂

1.西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省無損檢測結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)中心，西安，710049 2.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，烏魯木齊，830011 3.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢，430074 4.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢，430223

0 引言

與傳統(tǒng)壓電超聲檢測方法相比，電磁超聲(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)檢測方法具有無需媒介、無需與被測物體接觸、對檢測工件表面質(zhì)量要求不高和檢測速度快等特點(diǎn)，多應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的殘余厚度測量。然而電磁超聲檢測方法依然存在近表面盲區(qū)，即結(jié)構(gòu)的殘余厚度很小(1～2 mm)時(shí)，缺陷回波信號(hào)會(huì)與激勵(lì)信號(hào)幾乎重疊，難以區(qū)分。相比于電磁超聲檢測，脈沖渦流(pulse eddy current testing，PECT)檢測方法對近表面缺陷檢測有較高的精度，但是由于趨膚深度的限制，無法對深埋部位缺陷進(jìn)行有效檢測[1-7]。經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，電磁超聲信號(hào)本身包含脈沖渦流的部分，因此如果能夠有效利用電磁超聲中的脈沖渦流信號(hào)部分，即可實(shí)現(xiàn)電磁超聲、脈沖渦流的復(fù)合無損檢測。通過高效的信號(hào)處理方法對兩種信號(hào)進(jìn)行分離提取是實(shí)現(xiàn)該復(fù)合檢測方法的關(guān)鍵。相比于壓電超聲與渦流復(fù)合無損檢測方法，上述方法具有探頭簡單、工作范圍廣、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。筆者近來基于上述原理實(shí)現(xiàn)了電磁超聲、脈沖渦流兩種方法的初步復(fù)合檢測，但對復(fù)合檢測信號(hào)的分離提取還需進(jìn)一步研究[8-11]。

基于此，本文提出了一種基于小波分析的對脈沖渦流/電磁超聲復(fù)合檢測方法的檢出信號(hào)的分離提取策略，并進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 PECT/EMAT復(fù)合檢測方法的基本原理

電磁超聲檢測原理如圖1所示。線圈中通入瞬態(tài)激勵(lì)電流，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)電試件中會(huì)產(chǎn)生渦流，該渦流引起的次生磁場誘發(fā)線圈產(chǎn)生電壓信號(hào)，稱之為脈沖渦流信號(hào)。同時(shí)，線圈正上方的永磁鐵會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的靜磁場，靜磁場和試件中的脈沖渦流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，從而引起試件振動(dòng)，試件振動(dòng)會(huì)切割磁感線，又會(huì)產(chǎn)生新的渦流，該渦流引起的磁場信號(hào)變化誘發(fā)線圈產(chǎn)生電壓信號(hào)，稱之為超聲渦流信號(hào)[7-9]。在做傳統(tǒng)EMAT檢測時(shí)，往往舍棄脈沖渦流信號(hào)，只提取超聲渦流信號(hào)成分。而本文研究了混合渦流信號(hào)，包括兩種渦流信號(hào)的特征，以及基于小波分析的信號(hào)分離提取技術(shù)。復(fù)合檢測方法的原理[10-11]如圖2所示。

圖1 電磁超聲檢測原理圖Fig.1 Schematic of EMAT

圖2 脈沖渦流/電磁超聲復(fù)合檢測方法原理圖Fig.2 Schematic of hybrid PECT/EMAT method

2 數(shù)值仿真與信號(hào)分析

本研究利用COMSOL軟件中的電磁場與固體力學(xué)場模塊計(jì)算了電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合信號(hào)。仿真模型為一個(gè)二維軸對稱模型，如圖3所示，試件為長方體鋁板，表1列出了模型主要參數(shù)。激勵(lì)線圈中通入沿垂直面內(nèi)的半個(gè)周期的脈沖正弦激勵(lì)電流，頻率為2 MHz。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

長度(mm)50密度(103 kg/m3)8.9寬度(mm)50彈性模量(1011 Pa)1.1厚度(mm)5磁導(dǎo)率(H/m)0.37 磁鐵直徑(mm)18電導(dǎo)率(107 S)5.714磁鐵高度(mm)30線圈直徑(mm)12

該模型是典型的電磁-機(jī)械耦合場模型。首先利用COMSOL軟件中的磁場模塊分別計(jì)算偏置磁場線圈產(chǎn)生的恒定磁場和激勵(lì)線圈產(chǎn)生的脈沖磁場，即可得到試樣內(nèi)部的渦流，定義為脈沖渦流。脈沖渦流的檢出電壓信號(hào)為

(1)

然后使用COMSOL軟件的固體力學(xué)模塊計(jì)算由洛倫茲力產(chǎn)生的試樣內(nèi)部的速度和位移的空間分布。其中洛倫茲力為

Fpulse,t=Jpulse,t×Bpulse,t

(2)

其中，F(xiàn)pulse,t為瞬態(tài)洛倫茲力；Jpulse,t為瞬態(tài)渦流；Bpulse,t為瞬態(tài)磁場，由瞬態(tài)渦流和永磁體產(chǎn)生的恒定磁場組成。

最后創(chuàng)建了另外一個(gè)磁場模塊用來計(jì)算由于金屬板振動(dòng)切割磁感線引發(fā)的超聲渦流產(chǎn)生的磁場：

Bul,t=σ(vt×Bpm)

(3)

其中，Bul,t為超聲渦流產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場信號(hào)；σ為電導(dǎo)率；vt為計(jì)算點(diǎn)的速度矢量；Bpm為永磁體產(chǎn)生的恒定磁場。

那么超聲渦流引發(fā)的感應(yīng)線圈的電壓為

(4)

由脈沖渦流和超聲渦流引起的復(fù)合檢出電壓信號(hào)Uh,t如下：

Uh,t=Uu,t+Up,t

(5)

計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，脈沖渦流信號(hào)在激勵(lì)信號(hào)之后趨于平緩；超聲渦流信號(hào)則在始波之后有多個(gè)底面反射回來的回波信號(hào)；復(fù)合信號(hào)中脈沖渦流信號(hào)占據(jù)主導(dǎo)地位，去除始波之后如圖7所示，依然未見超聲信號(hào)，考慮采

圖4 單純的脈沖渦流信號(hào)Fig.4 Pure PECT signal

圖5 單純的超聲渦流信號(hào)Fig.5 Pure EMAT signal

圖6 復(fù)合信號(hào)結(jié)果Fig.6 Hybrid signal

圖7 復(fù)合信號(hào)去除始波結(jié)果Fig.7 Hybrid signal without initial wave

用信號(hào)分離技術(shù)。由于超聲信號(hào)中具有多個(gè)凸起小波，且每個(gè)凸起的小波形狀非常類似，其余激勵(lì)信號(hào)的波形是相關(guān)的，因此可以基于小波分析，通過尋找與小凸起類似的波形作為母波，從而對復(fù)合信號(hào)進(jìn)行遍歷，找出復(fù)合信號(hào)中的超聲信號(hào)。

3 基于小波閾值去噪技術(shù)對復(fù)合檢出信號(hào)的分離提取

小波去噪在一定程度上可視為低通濾波，但是在去噪后還能保留信號(hào)特征[12-14]。首先認(rèn)為脈沖渦流信號(hào)與復(fù)合信號(hào)具有很好的相關(guān)性，因?yàn)閺男盘?hào)形狀來看，復(fù)合信號(hào)的主要趨勢是由脈沖渦流信號(hào)主導(dǎo)的，而超聲中底面回波的小凸起可以看作脈沖渦流信號(hào)的噪聲，因?yàn)榈酌婊夭ㄅc脈沖渦流信號(hào)之間不具備相關(guān)性。因此對圖7中的復(fù)合信號(hào)去噪，利用自適應(yīng)軟閾值去噪方法，使用sym8小波基，對復(fù)合信號(hào)分解到第6層，結(jié)果如圖8所示，可以看到，去噪之后分離出的脈沖渦流信號(hào)和計(jì)算得到的脈沖渦流信號(hào)具有很好的重合性。之后用復(fù)合信號(hào)與分離的脈沖渦流信號(hào)作差分就可得到只包含超聲渦流信號(hào)的結(jié)果，如圖9所示，可以看出，通過小波閾值去噪分離的方式可以從復(fù)合檢測信號(hào)中分離出脈沖渦流信號(hào)和超聲信號(hào)。

圖8 從復(fù)合信號(hào)中分離出的脈沖渦流信號(hào)Fig.8 Pulse eddy current component extracted from hybrid signal

圖9 從復(fù)合信號(hào)中分離出的超聲渦流信號(hào)Fig.9 Ultrasonic eddy current component extracted from hybrid signal

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本研究搭建了PECT/EMAT復(fù)合檢測系統(tǒng)，如圖10所示。檢測均采用同一探頭，探頭由一個(gè)直徑18 mm、高30 mm的永磁鐵和直徑12 mm的單層螺旋形線圈構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中使用RITEC-RAM 5000電磁超聲儀激發(fā)一個(gè)半個(gè)周期、頻率為2 MHz的正弦波信號(hào)作為激勵(lì)，通入線圈中，同時(shí)線圈中的信號(hào)進(jìn)入雙工器進(jìn)行信號(hào)分離得到檢出信號(hào)，復(fù)合檢出信號(hào)直接通過信號(hào)采集器進(jìn)入電腦，通過小波分析算法就可以得到復(fù)合信號(hào)中的脈沖渦流信號(hào)成分和超聲渦流信號(hào)成分，從而同時(shí)得到試件中的表面缺陷信息和底部全局減薄信息。

1.RAM-5000前后面板 2.各接線 3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及軟件界面4.雙工器 5.探頭 6.前置放大器 7.信號(hào)選擇器8.信號(hào)濾波器 9.示波器圖10 復(fù)合檢測系統(tǒng)Fig.10 Hybrid EMAT/PECT system

4.1 表面槽狀缺陷檢測

圖11 帶表面槽缺陷的鋁板Fig.11 Aluminum plate with surface grooves defect

圖12 復(fù)合檢出電壓信號(hào)Fig.12 The hybrid detection voltage signals

復(fù)合信號(hào)中的脈沖渦流信號(hào)成分對表面的缺陷非常敏感，可用于檢測試件的表面裂紋。圖11所示是一個(gè)長度為320 mm、寬度為160 mm的鋁板，其上制作了表面的槽狀缺陷，缺陷的長度均為30 mm，寬度均為5 mm，深度D不同，分別為0.5 mm、0.72 mm、0.9 mm、1.3 mm、1.5 mm、1.6 mm、1.9 mm、2.1 mm。復(fù)合信號(hào)的檢出電壓信號(hào)見圖12。通過小波閾值去噪得到脈沖渦流成分的信號(hào)如圖13a所示；以無缺陷區(qū)域復(fù)合檢出信號(hào)中分離出的脈沖渦流信號(hào)成分作為參考信號(hào)做差分，如圖13b所示。為了進(jìn)一步表征缺陷深度和信號(hào)的關(guān)系，提取了差分信號(hào)的峰值和峰值時(shí)間，如圖14所示?？梢钥吹剑毕萆疃群筒罘中盘?hào)峰值以及峰值時(shí)間具備很好的定量關(guān)系，驗(yàn)證了小波閾值去噪方法提取復(fù)合信號(hào)中的脈沖渦流成分的有效性。

(a)小波閾值去噪

(b)差分信號(hào)圖13 從復(fù)合信號(hào)中分離出的脈沖渦流信號(hào)Fig.13 Pulse eddy current component extracted from hybrid signal

(a)峰值

(b)峰值時(shí)間圖14 差分信號(hào)中提取到的峰值與峰值時(shí)間和表面缺陷深度的關(guān)系Fig.14 Extracted peak value and peak time of differential signals VS defect depth

圖15 階梯狀鋁板試件Fig.15 Specimen of aluminum step bar

(a)d=7.76 mm (b)d=10.06 mm

(c)d=12.14 mm (d)d=25.05 mm圖16 不同厚度試件的復(fù)合檢出電壓信號(hào)Fig.16 The hybrid detection voltage signals

4.2 底部全局減薄缺陷檢測

復(fù)合信號(hào)中的超聲渦流成分可以對板材厚度進(jìn)行檢測，可以檢出試件底部減薄缺陷。如圖15所示，試件為一個(gè)不同厚度的階梯狀鋁板，厚度d分別為7.76 mm、10.06 mm、12.14 mm、25.05 mm，每個(gè)階梯的長度為40 mm，寬度為60 mm。4個(gè)不同板厚的復(fù)合檢出信號(hào)見圖16。小波閾值去噪后，使用原始信號(hào)與去噪之后的信號(hào)做差分，就可以得到超聲渦流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中受到高頻噪聲影響(圖17)，且噪聲頻率是高于超聲信號(hào)的，所以可以通過第二次小波閾值去噪以去除實(shí)驗(yàn)噪聲，提取4個(gè)不同板厚的超聲渦流信號(hào)(圖18)?？梢钥闯?，當(dāng)板材厚度從7.76 mm增大到25.05 mm時(shí)，超聲渦流信號(hào)中的回波信號(hào)逐漸遠(yuǎn)離始波信號(hào)，說明該回波信號(hào)對板材厚度有很好的表征，驗(yàn)證了小波閾值去噪方法提取復(fù)合信號(hào)中的超聲渦流成分的有效性。

(a)d=7.76 mm (b)d=10.06 mm

(c)d=12.14 mm (d)d=25.05 mm圖17 復(fù)合信號(hào)中的超聲渦流信號(hào)成分(含噪聲)Fig.17 Ultrasonic eddy current signal componentsin hybrid signals (with noise)

(a)d=7.76 mm (b)d=10.06 mm

(c)d=12.14 mm (d)d=25.05 mm圖18 復(fù)合信號(hào)中的超聲渦流信號(hào)成分(去除噪聲)Fig.18 Ultrasonic eddy current components extracted from hybrid signal (without noise)

5 結(jié)論

本文分析了電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合信號(hào)中的脈沖渦流信號(hào)和超聲信號(hào)各自的特點(diǎn)，從而提出了基于小波分析的電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合檢測信號(hào)的分離提取方法。結(jié)合數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出這一方法是有效的，可以對表面缺陷和底部全局減薄缺陷進(jìn)行同步的檢出，有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。