張國(guó)才 謝小榮 邢秀文 薛 帥

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東珠海519085）

1 引 言

渦流檢測(cè)技術(shù)是工業(yè)常用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于軍工，航空，核電，機(jī)械等領(lǐng)域，在軍工兵器行業(yè)中，常用于炮筒、彈殼、戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)翼、起落架和輪轂等役前和在役檢測(cè)。渦流檢測(cè)是一種基于電磁感應(yīng)原理的技術(shù)，在實(shí)施檢測(cè)過(guò)程中，渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)由于極其微弱，容易受到噪聲干擾，其中噪聲主要包括了測(cè)量噪聲（高頻成分白噪聲），電橋固有噪聲（不平衡噪音）及管子表面沉積干擾（主要低頻成分）等，因此對(duì)渦流缺陷信號(hào)的提取是識(shí)別缺陷的關(guān)鍵技術(shù)之一。

消除渦流檢測(cè)過(guò)程中的噪聲主要有軟硬件兩種方式，目前工業(yè)用渦流檢測(cè)系統(tǒng)由于檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求，普遍采用硬件方法實(shí)現(xiàn)去噪，為提高渦流檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)傳感器前端普遍采用交流電橋電路，但實(shí)際電橋的輸出不可能為零，往往缺陷信號(hào)也遠(yuǎn)小于不平衡電橋輸出信號(hào)，文獻(xiàn)［1 ～3］中各自提出用硬件自平衡技術(shù)消除不平衡電橋輸出，即先放大電橋輸出，然后通過(guò)相敏檢波電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路，采樣保持電路等生成一與不平衡電橋輸出信號(hào)幅值相等相位相反的信號(hào)，然后在檢測(cè)過(guò)程中將該信號(hào)與電橋信號(hào)合成后再進(jìn)行缺陷信號(hào)分析處理。文獻(xiàn)［4］為解決雙向勵(lì)磁渦流檢測(cè)傳感器的信號(hào)調(diào)解問(wèn)題，設(shè)計(jì)了適用于低頻范圍的正交解調(diào)電路（包括移相器、模擬乘法器以及低通濾波器）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷信號(hào)的檢測(cè)。

相關(guān)技術(shù)是微弱信號(hào)檢測(cè)中常用技術(shù)之一，文獻(xiàn)［5］中采用相關(guān)算法對(duì)含噪聲的提離效應(yīng)多頻渦流輸出信號(hào)進(jìn)行消噪處理，提取了輸出信號(hào)幅值比和相位差信息，文獻(xiàn)［6］通過(guò)仿真方式介紹了一種改進(jìn)型相關(guān)方法在渦流檢測(cè)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)［7］通過(guò)多重自相關(guān)提取微弱正弦信號(hào)，有效提高了信噪比，文獻(xiàn)［8］提出一種時(shí)變信號(hào)相位差估計(jì)的相頻匹配方法，有效提高了時(shí)變信號(hào)的相位差估計(jì)精度。文獻(xiàn)［9］在虛擬儀器環(huán)境下，提出基于快速傅里葉變換計(jì)算相關(guān)函數(shù)的多重相關(guān)法測(cè)量?jī)陕沸旁氡葮O低的同頻正弦波相位差的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)［10］提出應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)渦流探傷信號(hào)的非磁性材料裂紋深度估計(jì)方法。在目前渦流信號(hào)提取分析中，小波閾值降噪也是常用的一種方法，文獻(xiàn)［11］中闡述了小波閾值降噪原理，采用多組渦流檢測(cè)信號(hào)，結(jié)合信噪比、均方根誤差兩項(xiàng)指標(biāo)，評(píng)價(jià)降噪過(guò)程中閾值、閾值函數(shù)選取的不同對(duì)降噪效果的影響，對(duì)降噪方法進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選。文獻(xiàn)［12］中利用小波閾值去噪分離方式從復(fù)合檢測(cè)信號(hào)中分離出脈沖渦流信號(hào)和超聲信號(hào)。文獻(xiàn)［13］針對(duì)強(qiáng)背景噪聲下微弱的脈沖渦流信號(hào)的特征量難于準(zhǔn)確提取的問(wèn)題，提出一種基于維納自適應(yīng)濾波和主成分分析的脈沖渦流信號(hào)降噪方法。文獻(xiàn)［14］針對(duì)電渦流位移傳感器輸出信號(hào)中的非穩(wěn)態(tài)噪聲，提出基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD） -去趨勢(shì)分析（DFA） -非局部均值（NLM）原理的去噪方法。文獻(xiàn)［15］采用數(shù)據(jù)擬合的方法找到最適合的擬合函數(shù)，通過(guò)基于遺傳算法的改進(jìn)峰分離方法，優(yōu)化了重疊峰分離的精度，提取了缺陷簇中的渦流信號(hào)。

文中在不借助復(fù)雜硬件自平衡技術(shù)電路前提下，在LABVIEW 圖形化軟件平臺(tái)中設(shè)計(jì)了相關(guān)函數(shù)算法程序，分析處理示波器MDO4024C 所直接采集的交流電橋放大信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)不銹鋼管缺陷渦流信號(hào)的去噪及特征信號(hào)提取分析。

2 渦流檢測(cè)原理及橋式傳感器電路

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，通有交變電流的檢測(cè)線圈經(jīng)過(guò)導(dǎo)電工件時(shí)，工件會(huì)感應(yīng)出渦流，而渦流的分布、大小及相位又受到導(dǎo)體本身電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及幾何形狀等因素的影響，同時(shí)渦流反過(guò)來(lái)也會(huì)引起線圈阻抗發(fā)生變化。因此通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈電壓或阻抗的變化，就可知被檢導(dǎo)體是否存在不連續(xù)性。渦流檢測(cè)中，不連續(xù)性通常指導(dǎo)體中出現(xiàn)缺陷或檢測(cè)過(guò)程中電導(dǎo)率不一致。

為提高渦流檢測(cè)靈敏度及抑制共模信號(hào)（白噪聲），傳感器前端采用交流全橋電路，雙檢測(cè)線圈以對(duì)稱方式接入電橋兩臂中，如圖1 所示。依據(jù)電路理論可以得到

式中:˙Uo——電橋輸出電壓；˙Ui——正弦激勵(lì)電壓；Z1、Z2——檢測(cè)線圈1、2 的總阻抗； （∠φo-∠φi）——電橋輸出電壓與正弦激勵(lì)電壓信號(hào)的相位差。

由式1 可知，只有當(dāng)R1Z2=R2Z1時(shí)，電橋輸出電壓才為零. 但一般情況下，由于兩個(gè)檢測(cè)線圈及電阻R1，R2不可能完全相同，電橋會(huì)有一不平衡電壓輸出，雖然其很微弱，但其相對(duì)于缺陷引起線圈阻抗變化的電壓又是較大的（如圖5、圖6 所示）。由（2）可知，電橋輸出電壓幅值及電橋輸出信號(hào)與正弦激勵(lì)信號(hào)的相位差都與線圈阻抗變化有關(guān)。

圖1 傳感器前置電路Fig.1 Sensor front circuit

傳感器前置放大電路中，電橋輸出電壓經(jīng)儀用放大電路AD620 進(jìn)一步放大，其放大倍數(shù)由式（3）決定

式中:RG——外接電阻；G——前置電壓放大倍數(shù)。本電路中RG=2.7kΩ，故G=19.3。

3 相關(guān)函數(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3.1 相關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)分析

假設(shè)含有隨機(jī)噪音的兩路相同頻率的正弦信號(hào)為

式中:f——信號(hào)的頻率；A1，A2——信號(hào)幅值；φ1，φ2——兩路信號(hào)初相位；r1（t），r2（t）——兩路信號(hào)高頻白噪音。

將兩路信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算可得

式中:Rx1x2，Rx1r2，Rx2r1，Rr1r2——f1與f2兩路信號(hào)分量的互相關(guān)函數(shù)。

根據(jù)相關(guān)理論，同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)，Rx1r2、Rx2r1、Rr1r2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Rx1x2，因此

式中:Δφ——兩路信號(hào)相位差。

當(dāng)τ=0 時(shí)，有

當(dāng)兩路信號(hào)f1與f2分別進(jìn)行各自自相關(guān)運(yùn)算后，由式（6）可得

f1信號(hào)自相關(guān)函數(shù)為

f2信號(hào)自相關(guān)函數(shù)為

由式（7）至式（9）式可得

由式（8）至式（10）可知，兩信號(hào)的幅值及相位差可通過(guò)信號(hào)f1與f2在τ=0 處的自相關(guān)及互相關(guān)函數(shù)值求得。

3.2 相關(guān)函數(shù)運(yùn)算在軟件中的實(shí)現(xiàn)

渦流信號(hào)的分析主要在LabVIEW 軟件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，分析的數(shù)據(jù)來(lái)自于采樣頻率為100MHz 的數(shù)字示波器MDO4024C 所采集得到的同時(shí)刻正弦激勵(lì)信號(hào)及電橋輸出渦流信號(hào)，每組信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)為N=10 000。

LabVIEW 程序中主要采用Auto Correlation. vi及Cross Correlation.vi 兩個(gè)子vi 來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，其運(yùn)算式分別為

式中:N——總采樣點(diǎn)數(shù)；——信號(hào)x（n），y（n）在m處自相關(guān)及互相關(guān)函數(shù)值；m=0，1，2，…2N-1；m=0，1，2，...2N-1。

在求歸一化相關(guān)函數(shù)值時(shí)需將上面兩個(gè)vi 的計(jì)算結(jié)果除于N。

由于LabVIEW 程序總是將信號(hào)輸入輸出的序號(hào)設(shè)為0，因此程序執(zhí)行實(shí)際運(yùn)算時(shí)將信號(hào)序列向右平移N個(gè)單位，式（7）至式（9）在τ=0 處的值在程序運(yùn)算結(jié)果中實(shí)際是第N-1 值。信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算程序如圖2 所示。

圖2 部分程序框圖Fig.2 Part of the block diagram

為實(shí)現(xiàn)式（7）至式（9）的運(yùn)算，圖2 程序中主要運(yùn)用到創(chuàng)建波形、自相關(guān)、互相關(guān)、索引數(shù)組、數(shù)組大小、刪除數(shù)組元素及讀取帶分隔符電子表格等子vi。

4 信號(hào)極坐圖像顯示程序

在渦流信號(hào)分析處理中，以極坐標(biāo)圖顯示缺陷信號(hào)是常用的一種信號(hào)處理方式，極坐標(biāo)圖除了可以反映電壓幅值變化，同時(shí)可以反映出缺陷引起信號(hào)相位變化。渦流信號(hào)極坐標(biāo)顯示程序如圖3 所示。

圖3 中調(diào)用圖2 程序中所計(jì)算出的不同位置電渦流信號(hào)幅值信號(hào)所組成的二維數(shù)組，通過(guò)數(shù)組索引拆分二維數(shù)組形成幅值與相位兩個(gè)一維數(shù)組，然后再通過(guò)角度弧度相互轉(zhuǎn)換的表達(dá)式節(jié)點(diǎn)及極坐標(biāo)至實(shí)部虛部轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)圖像調(diào)整。程序中為實(shí)現(xiàn)信號(hào)極坐標(biāo)顯示的最佳效果，添加了信號(hào)圖像平移、旋轉(zhuǎn)及縮放功能。圖3 程序的前面板如圖7 所示。

圖3 程序框圖中還運(yùn)用到了WHILE 程序結(jié)構(gòu)及FOR 循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中FOR 循環(huán)結(jié)構(gòu)及其中的捆綁鏃運(yùn)算符用來(lái)索引配對(duì)幅值、相位一維數(shù)組從而生成極坐標(biāo)圖vi 可識(shí)別的數(shù)據(jù)數(shù)組。

圖3 渦流信號(hào)極坐標(biāo)圖程序框圖Fig.3 Eddy current signal polar chart program

5 檢測(cè)案例

5.1 穿孔缺陷1 信號(hào)分析

在檢測(cè)過(guò)程中，采用穩(wěn)幅穩(wěn)頻的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出30kHz 正弦信號(hào)來(lái)激勵(lì)傳感器。當(dāng)差分傳感器處在編號(hào)0 位置時(shí)如圖4 所示，電橋信號(hào)經(jīng)放大后的波形及激勵(lì)信號(hào)波形如圖5 所示。從圖像中可知，未經(jīng)軟件或硬件平衡的電橋輸出有一不平衡電壓，幅值為105.538 0mV，與正弦激勵(lì)信號(hào)的相位相差為92.414 7°。

圖4 檢測(cè)實(shí)物模型圖Fig.4 Inspection physical model diagram

圖5 編號(hào)0 位置波形圖Fig.5 No.0 position waveform

將傳感器由左向右推進(jìn)，跨過(guò)編號(hào)1 穿孔人工缺陷時(shí)采集20 個(gè)位置數(shù)據(jù)，經(jīng)圖2 程序可分別得到如下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 穿孔信號(hào)數(shù)據(jù)Tab.1 Punching signa data

圖6 為表1 中序號(hào)2、5、7、10、12、14、17、20 的渦流信號(hào)圖集，每條曲線由10 000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成。8 組信號(hào)幅值差絕對(duì)值最大不超過(guò)18.516 0mV，相位差變化絕對(duì)值最大不超過(guò)23.707 4°。分析可知，即使經(jīng)前置放大器放大19.3 倍，缺陷引起幅值的變化仍然是很小的。圖7（a）是傳感器輸出信號(hào)幅值圖，幅值總體趨勢(shì)先降低后升高，信號(hào)相位差表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)（如圖7（b）所示），幅值變化趨勢(shì)超前相位差。圖7（c）（d）是20 個(gè)測(cè)試點(diǎn)組成的穿孔缺陷信號(hào)極坐標(biāo)圖，傳感器穿過(guò)穿孔時(shí)，渦流信號(hào)在極坐標(biāo)圖中以8 字型圖樣顯示出來(lái)。結(jié)合圖7（a）（b）可知，當(dāng)傳感器從左穿過(guò)穿孔時(shí)，圖7（c）中信號(hào)坐標(biāo)點(diǎn)從8 字中點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周返回到中點(diǎn)。圖7（d）是經(jīng)過(guò)對(duì)原圖平移，旋轉(zhuǎn)，縮放后的缺陷信號(hào)極坐標(biāo)圖。

圖6 缺陷1 信號(hào)幅值圖Fig.6 Defect 1 signal amplitude map

圖7 缺陷1 幅值相位差圖Fig.7 Defect 1 amplitude phase difference diagram

5.2 表面刻槽缺陷2 信號(hào)分析

當(dāng)傳感器穿過(guò)缺陷表面刻槽時(shí)，在激勵(lì)信號(hào)及示波器參數(shù)設(shè)置不改變的情況下，對(duì)23 處不同位置點(diǎn)逐次采集數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)分析如下，表面刻槽的渦流信號(hào)幅值與相位差變化趨勢(shì)反相，即幅值先變大后變小，而相位差是先變小后變大（如圖8（a）（b）所示），這與圖7（a）（b）中缺陷1 幅值及相位差變化趨勢(shì)是不同的。比較23 組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)刻槽信號(hào)相位差變化絕對(duì)值最大不超過(guò)41.669 5°。

結(jié)合圖8（a）（b），當(dāng)傳感器從左穿過(guò)表面刻槽時(shí)，圖8（c）中信號(hào)坐標(biāo)點(diǎn)從8 字中點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周返回到中點(diǎn)。圖8（d）是經(jīng)過(guò)對(duì)原圖平移，旋轉(zhuǎn)，縮放后的缺陷信號(hào)極坐標(biāo)圖。

比較圖7（d）和圖8（d），在經(jīng)過(guò)相同旋轉(zhuǎn)縮放后，穿孔與表面刻槽的信號(hào)極坐標(biāo)8 字形圖像整體取向是不一樣的，這就為通過(guò)渦流缺陷極坐標(biāo)圖辨別穿孔缺陷和表面刻槽提供了參考。

圖8 缺陷2 幅值相位差圖Fig.8 Defect 2 amplitude phase difference diagram

6 結(jié)束語(yǔ)

渦流缺陷信號(hào)的去噪提取分析是渦流檢測(cè)的關(guān)鍵一環(huán)，文中先對(duì)相關(guān)函數(shù)去噪及特征提取做詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析，并結(jié)合LabVIEW 中自相關(guān)、互相關(guān)函數(shù)等vi，設(shè)計(jì)去噪特征提取程序并對(duì)示波器所采集的原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在沒(méi)有依靠相敏檢波電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路，采樣保持電路、濾波器等復(fù)雜電路對(duì)電橋輸出信號(hào)進(jìn)行硬件自平衡的前提下，同樣可以有效提取缺陷信號(hào)及其關(guān)鍵特征。另外文中所設(shè)計(jì)的渦流信號(hào)極坐標(biāo)圖像顯示調(diào)整程序，也為缺陷渦流信號(hào)后續(xù)分析提供較好的分析手段。