趙建超，李 偉，袁新安，趙建明，蔣維宇，尚亞期，邵鑫宇，劉 杰

(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.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213)

圖1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)原理示意

渦流檢測(cè)技術(shù)的激勵(lì)頻率較高，傳統(tǒng)阻抗分析方法很容易受到結(jié)構(gòu)表面鉚釘?shù)忍犭x因素的干擾，造成缺陷的誤判和漏檢。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是一種新興的電磁無損檢測(cè)技術(shù)，是目前結(jié)構(gòu)表面缺陷的有效檢測(cè)方法[1]，具有非接觸檢測(cè)、數(shù)學(xué)模型精確及定量精度高等優(yōu)勢(shì)。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)原理如圖1所示，激勵(lì)線圈中加載正弦交流電時(shí)，試件表面感應(yīng)出交變電流，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，由于空氣與工件電阻率不同，交變電流發(fā)生畸變，進(jìn)而引起空間磁場(chǎng)的畸變，通過磁場(chǎng)傳感器測(cè)量畸變的磁場(chǎng)信號(hào)，就可獲取缺陷特征[2-4]。筆者基于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理，引入了雙頻激勵(lì)技術(shù)，構(gòu)建了雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，提出雙頻提離抑制算法，在不影響缺陷檢出的情況下，有效去除了由提離抖動(dòng)引起的干擾信號(hào)。

1 雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 檢測(cè)探頭

圖2 檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物

檢測(cè)探頭的作用是為了在試件表面激發(fā)均勻的電流以及檢測(cè)畸變的磁場(chǎng)信號(hào)，設(shè)計(jì)的檢測(cè)探頭主要由激勵(lì)線圈、檢測(cè)傳感器、信號(hào)處理模塊、U型磁芯及殼體等組成(見圖2)。激勵(lì)線圈采用0.15 mm的銅線均勻纏繞在U型錳鋅鐵氧體磁芯上，匝數(shù)為500匝，用于在試件表面產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)；檢測(cè)傳感器為隧道磁阻(TMR)磁場(chǎng)傳感器，具有功耗低、線性范圍大、靈敏度高和尺寸小等特點(diǎn)[4]，其安裝在U型磁芯底部中心，提離高度為1 mm；探頭殼體內(nèi)部的信號(hào)處理模塊對(duì)檢測(cè)到的微弱磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，其中采用AD620作為TMR傳感器輸出信號(hào)的放大器，電路中的RC(電阻和電容)低通濾波器用于濾除高頻噪聲信號(hào)，最終輸出處理后的磁場(chǎng)信號(hào)。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)

雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)探頭、檢測(cè)機(jī)箱及計(jì)算機(jī)等組成(見圖3)。檢測(cè)探頭與檢測(cè)機(jī)箱采用雷莫線纜連接，檢測(cè)機(jī)箱與計(jì)算機(jī)采用USB接口進(jìn)行信號(hào)通信。圖3(a)中的紅色線條代表電源連接關(guān)系，綠色線條代表激勵(lì)信號(hào)，紫色線條代表采集的磁場(chǎng)信號(hào)。

圖3 雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意及實(shí)物

整個(gè)系統(tǒng)采用鋰電池供電，電源轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊將鋰電池輸出電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的±12 V和+5 V輸出；激勵(lì)模塊采用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)，結(jié)合STM8單片機(jī)和FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)構(gòu)架設(shè)計(jì)了一款數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，可同時(shí)輸出兩路不同頻率的正弦信號(hào)，加法器將兩路信號(hào)疊加后傳入探頭的激勵(lì)線圈；探頭內(nèi)TMR傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步處理。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)軟件主要對(duì)采集卡采集到的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，采集到的磁場(chǎng)時(shí)域信號(hào)如圖4(a)所示，時(shí)域信號(hào)為兩個(gè)不同頻率正弦信號(hào)的疊加，在軟件中對(duì)時(shí)域信號(hào)采用傅里葉變換獲取響應(yīng)信號(hào)的頻譜，如圖4(b)所示，進(jìn)而獲得兩個(gè)頻率的缺陷響應(yīng)信號(hào)分量。檢測(cè)軟件主要包括采集參數(shù)、控制按鈕和信號(hào)顯示等3個(gè)部分，軟件界面如圖5所示。

圖4 磁場(chǎng)響應(yīng)信號(hào)

圖5 雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)軟件界面

2 提離抖動(dòng)信號(hào)抑制方法

2.1 提離抖動(dòng)干擾信號(hào)畸變機(jī)理

提離抖動(dòng)本質(zhì)上是指提離高度發(fā)生變化，提離高度是指檢測(cè)探頭和試件表面之間的距離，利用雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行提離抖動(dòng)試驗(yàn)，分析不同激勵(lì)頻率下探頭提離變化對(duì)特征信號(hào)Bx和Bz的影響。試件為鋁板，裂紋長(zhǎng)度為30 mm，寬度為0.5 mm，深度為5 mm。激勵(lì)頻率分別為80，100，200，300，400，500，1 000，2 000，10 000 Hz，將檢測(cè)探頭夾裝至三軸機(jī)械臺(tái)架上，利用臺(tái)架z軸的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)探頭向上抖動(dòng)，將探頭緊貼試件表面，探頭由三軸臺(tái)架驅(qū)動(dòng)，掃查速度設(shè)置為10 mm·s-1，在進(jìn)入缺陷區(qū)域之前，選擇一個(gè)區(qū)域?qū)⑴_(tái)架z軸向上抬高1 mm，并且在2 s之后自然落下，繼續(xù)緊貼試件,在缺陷區(qū)域保持提離高度為0 mm處勻速掃查。提取每個(gè)頻率下該檢測(cè)探頭的特征信號(hào)Bx和Bz，如圖6所示。

圖6 探頭向上抖動(dòng)時(shí)的特征信號(hào)

保持試驗(yàn)參數(shù)不變的條件下，利用臺(tái)架z軸的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)探頭向下抖動(dòng)，將探頭提離高度保持在1 mm處，在進(jìn)入缺陷區(qū)域之前，選擇一個(gè)位置將臺(tái)架z軸下降1 mm,使探頭觸碰試件表面，并在2 s之后自然提升至原提離高度處，在缺陷區(qū)域繼續(xù)保持提離高度1 mm狀態(tài)下勻速掃查。提取每個(gè)頻率下該檢測(cè)探頭的特征信號(hào)Bx和Bz(見圖7)。

圖7 探頭向下抖動(dòng)時(shí)的特征信號(hào)

由圖6,7可以看出，在缺陷區(qū)域，Bx產(chǎn)生明顯的波谷，Bz產(chǎn)生明顯的波峰和波谷，且在不同激勵(lì)頻率下，Bx和Bz的畸變量均不同。在無缺陷區(qū)域，當(dāng)檢測(cè)探頭發(fā)生提離抖動(dòng)時(shí)，背景磁場(chǎng)Bx0會(huì)產(chǎn)生畸變，提離高度越小，激勵(lì)線圈在試件表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，從而導(dǎo)致x方向磁場(chǎng)分量Bx0越大，因此探頭在向上抖動(dòng)時(shí)背景磁場(chǎng)Bx0在不同頻率下均出現(xiàn)一個(gè)波谷，反之探頭向下抖動(dòng)時(shí)背景磁場(chǎng)Bx0會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波峰；背景磁場(chǎng)Bz0在不同頻率下基本為0，且在探頭抖動(dòng)時(shí)基本不受提離高度的影響。

通過提離抖動(dòng)試驗(yàn)可以看出，特征信號(hào)Bx較易受到提離抖動(dòng)的影響，且探頭向上抖動(dòng)時(shí)，特征信號(hào)Bx呈現(xiàn)波谷的形式，極易與缺陷信號(hào)混淆，造成檢測(cè)人員的誤判，當(dāng)探頭向下抖動(dòng)時(shí)，特征信號(hào)Bx呈現(xiàn)波峰的形式，若與缺陷信號(hào)進(jìn)行疊加，極易掩蓋缺陷信號(hào)，造成漏檢，所以需要對(duì)提離擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行抑制；特征信號(hào)Bz對(duì)探頭提離抖動(dòng)不敏感，具有一定的抗干擾能力，所以無需采取相應(yīng)的抖動(dòng)抑制措施。

2.2 雙頻提離抖動(dòng)抑制算法

通過提離抖動(dòng)試驗(yàn)可以看出，高頻10 kHz分量對(duì)缺陷的檢測(cè)靈敏度較低，缺陷信號(hào)畸變量較小，但提離抖動(dòng)信號(hào)對(duì)高頻檢測(cè)信號(hào)的影響依然明顯。在2 kHz以下的低頻區(qū)域，隨頻率的不同，信號(hào)受缺陷的影響程度也不同，其受提離抖動(dòng)的影響較為明顯。抑制提離抖動(dòng)的頻率選擇依據(jù)為：高頻檢測(cè)信號(hào)選擇對(duì)缺陷不敏感、對(duì)提離敏感的10 kHz信號(hào)，低頻檢測(cè)信號(hào)選擇對(duì)缺陷最敏感、對(duì)提離敏感的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過試驗(yàn)可知，對(duì)于鋁材表面缺陷的最佳檢測(cè)頻率為1 kHz，所以抑制提離抖動(dòng)的頻率選擇為1 kHz和10 kHz。

為了探究?jī)蓚€(gè)頻率下背景磁場(chǎng)Bx0隨提離高度變化的規(guī)律，利用雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)探頭在1 kHz與10 kHz激勵(lì)頻率下的提離曲線進(jìn)行分析，試驗(yàn)中將兩個(gè)頻率的激勵(lì)信號(hào)同步合成，將檢測(cè)探頭安裝在三軸臺(tái)架上，探頭正下方為鋁板無缺陷區(qū)域，利用三軸臺(tái)架z軸的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)提離高度的改變，首先同時(shí)提取兩個(gè)頻率下的掃描曲線，并同時(shí)減去每個(gè)頻率下首個(gè)位置的背景磁場(chǎng)Bx0，三軸臺(tái)架夾持探頭保持提離高度為30 mm，臺(tái)架z軸從提離高度30 mm處以2 mm·s-1的速度勻速下降，在臺(tái)架啟動(dòng)的瞬間，提離高度下降至0 mm時(shí)，停止提離曲線的繪制。檢測(cè)系統(tǒng)得到探頭背景磁場(chǎng)Bx0隨提離高度變化的曲線，如圖8所示。

圖8 不同頻率下的提離曲線

由兩條不同頻率的提離曲線可以看出，隨著提離高度的減小，背景磁場(chǎng)Bx0隨之增大，且兩條提離曲線的變化趨勢(shì)基本一致。為了進(jìn)一步分析這兩個(gè)頻率背景磁場(chǎng)Bx0之間的關(guān)系，以10 kHz信號(hào)的提離曲線為x軸，1 kHz信號(hào)的提離曲線為y軸，得到兩個(gè)頻率下Bx0提離擬合曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，雙頻提離曲線呈線性關(guān)系，采用線性擬合方式，得到頻率為1 kHz和10 kHz之間的提離曲線關(guān)系擬合公式，如式(1)所示。

y=5.76x+18.07

(1)

式中:x為10 kHz頻率時(shí)的Bx的背景磁場(chǎng);y為1 kHz頻率時(shí)的Bx的背景磁場(chǎng)。

圖9 雙頻提離擬合曲線

通過數(shù)據(jù)處理將低頻檢測(cè)信號(hào)減去轉(zhuǎn)換后的高頻檢測(cè)信號(hào)即可將提離抖動(dòng)效應(yīng)消除，與此同時(shí)，低頻和高頻下的缺陷響應(yīng)信號(hào)并非該線性擬合關(guān)系，所以經(jīng)過提離消除之后的缺陷信息仍將保留，但是缺陷響應(yīng)信號(hào)的幅值畸變量會(huì)衰減。

3 提離抖動(dòng)抑制試驗(yàn)

為了模擬實(shí)際檢測(cè)過程，利用三軸臺(tái)架攜帶探頭，保持提離高度為0 mm，緊貼試件表面，當(dāng)經(jīng)過裂紋區(qū)域后，將臺(tái)架z軸在03 mm提離范圍內(nèi)連續(xù)抖動(dòng)，保持5 s抖動(dòng)后繼續(xù)按照提離高度0 mm勻速掃查，探頭掃查路徑如圖10所示。根據(jù)提離抖動(dòng)抑制算法，選取1 kHz和10 kHz頻率對(duì)缺陷干擾信號(hào)進(jìn)行提離抑制，得到抑制前后的特征信號(hào)Bx和Bz，如圖11所示。

圖10 連續(xù)抖動(dòng)探頭掃查路徑

由圖11(a)可以看出，在抑制之前,當(dāng)探頭連續(xù)抖動(dòng)時(shí)，兩個(gè)頻率成分的特征信號(hào)Bx均產(chǎn)生明顯的波谷，且抖動(dòng)信號(hào)也呈現(xiàn)雜亂的波谷，抖動(dòng)信號(hào)的畸變幅值較大，在抑制提離抖動(dòng)之前很容易造成缺陷的錯(cuò)判；由圖11(b)可以看出,低頻成分的特征信號(hào)Bz在缺陷區(qū)域產(chǎn)生明顯的波峰和波谷，在抖動(dòng)位置未曾出現(xiàn)明顯的波動(dòng);由圖11(c)可以看出，在經(jīng)過提離抑制算法后，特征信號(hào)Bx基本只存在明顯波谷，其抖動(dòng)信號(hào)有很大程度的衰減；特征信號(hào)Bz無需處理，所以仍然是低頻成分的Bz信號(hào)，由此看出雙頻提離抑制算法可在不影響缺陷檢出的前提下有效去除由提離擾動(dòng)引起的干擾信號(hào)。

圖11 抑制前后Bx和Bz信號(hào)

4 結(jié)語(yǔ)

基于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理，引入雙頻激勵(lì)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套完整的雙頻交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)研究了不同激勵(lì)頻率下提離抖動(dòng)對(duì)特征信號(hào)Bx和Bz的影響機(jī)理，提出了雙頻交流電磁場(chǎng)提離抖動(dòng)抑制算法，利用三軸臺(tái)架開展提離抖動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：Bx信號(hào)對(duì)提離敏感，需要進(jìn)行提離抑制，Bz信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；1 kHz信號(hào)對(duì)于缺陷及提離擾動(dòng)均敏感，10 kHz信號(hào)對(duì)缺陷不敏感，但對(duì)提離抖動(dòng)較敏感；雙頻交流電磁場(chǎng)提離抑制算法可有效去除由提離擾動(dòng)引起的干擾信號(hào)，為干擾信號(hào)的抑制提供了新方法。