渦流檢測(cè)的現(xiàn)狀及其新進(jìn)展

流量法是一種重要的損失檢測(cè)方法，在各種材料的檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，并在管道檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著管道運(yùn)輸液體和氣體的發(fā)展，尤其是西部管道輸送工程的實(shí)施，流量法的檢測(cè)必然會(huì)有新的應(yīng)用和發(fā)展。本文從流量檢測(cè)中的激勵(lì)電流、數(shù)據(jù)分析變量、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)值計(jì)算方法等方面論述了流量檢測(cè)的現(xiàn)狀和進(jìn)展情況。1流量檢測(cè)概論1.1渦流檢測(cè)的最佳條件目前,大多數(shù)渦流檢測(cè)都使用單頻正弦交流電作為激勵(lì)電場(chǎng).由于單頻檢測(cè)要考慮最佳缺陷檢測(cè)頻率,對(duì)表面深度以下的缺陷無能為力,且信噪比難以提高,這限制了渦流檢測(cè)的發(fā)展.為了克服這些困難,人們做了以下嘗試.1.1.1檢測(cè)系統(tǒng)的解調(diào)和放大技術(shù)多頻檢測(cè)技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)處理、阻抗平面分析、信號(hào)轉(zhuǎn)換處理、信息傳輸理論以及相關(guān)的電子線路的基礎(chǔ)之上,實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)的檢測(cè).根據(jù)所需檢測(cè)的參數(shù)和所要排除的干擾信號(hào),適當(dāng)選取多個(gè)頻率組合電流去激勵(lì)檢測(cè)線圈,然后對(duì)受作用參數(shù)調(diào)制的輸出信號(hào)按多個(gè)檢測(cè)通道加以放大,分別進(jìn)行解調(diào),把解調(diào)信號(hào)的各個(gè)分量以指定的方式組合起來,綜合分析處理.對(duì)于n個(gè)參數(shù),要求有n個(gè)或2n個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)通道,以便能將所有的參數(shù)分離,使每一個(gè)通道表示一個(gè)參數(shù).該技術(shù)在大亞灣核電站冷凝器管道檢測(cè)中取得了巨大成功.1.1.2渦流檢測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)譚明娟等人把傳遞函數(shù)理論引入到渦流無損檢測(cè)中,將渦流檢測(cè)系統(tǒng)看成是一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng),用傳遞函數(shù)描述該系統(tǒng)的特征.對(duì)于典型的渦流檢測(cè)系統(tǒng),若定義該系統(tǒng)的相應(yīng)傳遞函數(shù),則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)之間存在如下關(guān)系:其中:H(ω),T(ω),R(ω),X(ω)分別為系統(tǒng),發(fā)射探頭,接收探頭,被測(cè)材料傳遞函數(shù);E(ω),O(ω)分別為激勵(lì)信號(hào),接收信號(hào)頻率特性.實(shí)驗(yàn)表明,該方法使檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)范圍大幅度增加,能有效區(qū)分缺陷和提離,使信噪比大大提高.1.2渦流檢測(cè)技術(shù)的提出傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)方法是基于阻抗的分析法,它根據(jù)電磁場(chǎng)基本規(guī)律,把被測(cè)物等效成一個(gè)線圈,探頭和被測(cè)物耦合程度由互感表示,分析線圈阻抗的變化,會(huì)得到缺陷的形狀、大小、位置信息,從而達(dá)到識(shí)別缺陷的目的.但是,阻抗分析中的阻抗變化值,是由缺陷產(chǎn)生的擾動(dòng)磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈內(nèi)的積分效果,無法揭示擾動(dòng)磁場(chǎng)的分布情況.在檢測(cè)尺度小于1mm的微小裂紋時(shí),為了獲得較大的空間分辨能力和檢測(cè)靈敏度,提出了基于場(chǎng)量分析的渦流檢測(cè)技術(shù),圖1給出該問題的基本描述.根據(jù)電磁場(chǎng)基本理論,分別列出不存在缺陷時(shí)和存在缺陷時(shí)各區(qū)域的控制方程,把渦流檢測(cè)基本問題轉(zhuǎn)化為求解有缺陷和無缺陷時(shí)電磁場(chǎng)的差值(擾動(dòng)場(chǎng)),分析擾動(dòng)場(chǎng)從而得到缺陷的各參數(shù).理論和實(shí)踐表明擾動(dòng)磁場(chǎng)能夠反映阻抗法無法揭示的細(xì)節(jié)信息,它將成為切實(shí)可行的渦流檢測(cè)技術(shù).2在檢測(cè)工作量的情況下數(shù)據(jù)集方法2.1缺陷模糊性模糊不確定性是造成無法準(zhǔn)確測(cè)量缺陷尺寸的主要原因,即使將檢測(cè)儀器校準(zhǔn)后,對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行多次重復(fù)獨(dú)立檢測(cè),其平均檢測(cè)值與缺陷的真實(shí)尺寸仍不相等.為了消除模糊不確定性,人們提出了模糊理論,其理論基礎(chǔ)如下:設(shè):缺陷所在論域?yàn)閃,含有元素w1,…,wn,其缺陷模式為A(x)=A(x1,…,xn),其中xi是缺陷的第i個(gè)特性指標(biāo);Ai是第i個(gè)缺陷的模糊子集.根據(jù)模糊子集表示方法,在論域中標(biāo)準(zhǔn)模糊子集為:未知缺陷模糊子集為:其中:Ai=Ai(xi1/w1+xi2/w2+…xin/wn);xij/wj-wj所對(duì)應(yīng)的隸屬度有標(biāo)準(zhǔn)缺陷樣本集時(shí),采用函數(shù)逼近方法研究隸屬度,沒有標(biāo)準(zhǔn)缺陷樣本集時(shí),采用聚類分析方法研究隸屬度.經(jīng)過多年的努力,建立了檢測(cè)的模糊理論,提出了缺陷尺寸與檢測(cè)尺寸之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,得到了在指定檢測(cè)尺寸下的缺陷真實(shí)尺寸的分布規(guī)律、模糊區(qū)間以及缺陷尺寸的模糊表征方法,構(gòu)造隸屬函數(shù).2.2bp學(xué)習(xí)算法的基本思想人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作抽象為數(shù)理模型的神經(jīng)元,每個(gè)神經(jīng)元只能完成簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算,然而,把這些簡(jiǎn)單的神經(jīng)元高度并聯(lián)、串聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)后,卻能完成復(fù)雜的運(yùn)算功能,并具有某些智能功能.它具有大規(guī)模的并行結(jié)構(gòu),信息分布式存儲(chǔ)和并行處理,因此,具有良好的自適應(yīng)性、自組織性和容錯(cuò)性,具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、記憶和聯(lián)想、識(shí)別功能.這里以前向網(wǎng)絡(luò)及誤差反傳算法(簡(jiǎn)稱BP算法)為例,這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是信息前向傳播,誤差反向傳播修正.前向網(wǎng)絡(luò)一般由輸入層、隱含層、輸出層構(gòu)成,每一層包含若干個(gè)神經(jīng)元,第k層中第j個(gè)神經(jīng)元的輸入輸出關(guān)系為:其中:為第k-1層中第i個(gè)神經(jīng)元到第k層第j個(gè)神經(jīng)元的連接強(qiáng)度;M為總層數(shù),為神經(jīng)元閾值;為神經(jīng)元傳遞函數(shù);Nk為第k層神經(jīng)元數(shù)目.則信息前向傳播的數(shù)學(xué)表示如下:隱層單個(gè)神經(jīng)元的凈輸入:Ij=∑WjiXi+Wjo;輸出:Oj=f(Ij);輸出單個(gè)神經(jīng)元的凈輸入:Im=∑WmiXi+Wmo;輸出:Om=f(Im);誤差反向修正的數(shù)學(xué)表示為:隱含層與輸出層間權(quán)值修正其中:Dm為輸出層期望輸出;α為學(xué)習(xí)效率;β為慣性參數(shù).輸入層與輸出層間權(quán)值修正該網(wǎng)絡(luò)通過信息正向傳播,誤差反向傳播修正使輸入模式與期望輸出模式誤差最小,達(dá)到模式識(shí)別的目的.只要解決好輸入?yún)⒘刻卣魈崛栴},使模式識(shí)別的算法簡(jiǎn)單,操作時(shí)間短,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,既可滿足實(shí)時(shí)處理和在線識(shí)別的要求,其應(yīng)用于渦流檢測(cè)有很大的潛力.2.3小波函數(shù)的獲取小波變換是近年來從傅里葉變換發(fā)展起來又優(yōu)于傅里葉變換的新技術(shù),它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì),且由于對(duì)高頻成分采用逐漸精細(xì)的時(shí)域或空域取樣步長(zhǎng),從而可以聚焦到對(duì)象的任意細(xì)節(jié),它綜合了時(shí)域信息和頻域信息,是一種諧波分析的方法.設(shè)F(t)是能量有限的信號(hào),其小波變換定義為f(t)與一個(gè)波函數(shù)集ψab(t)的內(nèi)積,即:其中:ψab(t)=a-1/2ψ[(t-b)/a]稱為小波函數(shù),為分析函數(shù)ψ(t)經(jīng)平移擴(kuò)展后得到的函數(shù)集;a為小波的尺度系數(shù),a∈R+;b為小波的時(shí)間系數(shù),b∈R.設(shè):ψ∈L1(R)∩L2(R)且Cψ=[JF(Z][JF)]R|ψ(w)|2|w|dw<∞Cψ=[JF(Ζ][JF)]R|ψ(w)|2|w|dw<∞,則f(t)在t連續(xù),其逆變換為:通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波變換,根據(jù)具體問題的先驗(yàn)知識(shí),利用信號(hào)和噪聲在時(shí)域和頻域的差別,使含有噪聲信號(hào)的變換系數(shù)為零,然后,進(jìn)行逆小波變換,得到去噪后的信號(hào)信息.實(shí)踐表明該方法不僅消除噪聲性能好,有高的缺陷定位能力和高的縱向分辨率,還可降低硬件成本、簡(jiǎn)化調(diào)試,方便維護(hù),因此是一種非常好的去除噪聲和特征提取的方法,已得到廣泛的應(yīng)用.3渦流檢測(cè)理論模型有限差分法和邊界元法廣泛應(yīng)用于渦流檢測(cè),但隨著生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展,邊界條件和求解區(qū)域越來越復(fù)雜,對(duì)數(shù)值計(jì)算提出越來越高的的要求,有限元數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)運(yùn)而生.渦流檢測(cè)問題可以描述為在一個(gè)連續(xù)區(qū)域內(nèi)滿足某個(gè)偏微分方程.有限元方法從變分原理出發(fā),將偏微分方程問題轉(zhuǎn)化為等價(jià)的泛函極值問題.然后,利用有限維近似思想,將求解區(qū)域分割為有限個(gè)單元,并在每個(gè)單元內(nèi)采用假設(shè)的近似函數(shù)(由場(chǎng)變量在節(jié)點(diǎn)處的函數(shù)值或其導(dǎo)數(shù)值插值得到)來表示未知場(chǎng)變量,近而轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組的求解問題,渦流檢測(cè)理論模型的基本假設(shè):電流密度及常量均隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化,并不考慮諧波分量,線圈激勵(lì)電流在其窗口中均勻分布,忽略探頭運(yùn)動(dòng)速度的影響,線圈導(dǎo)體中的渦流忽略不計(jì),模型中各種材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率均為常數(shù),忽略位移電流.對(duì)于軸對(duì)稱問題,可以化簡(jiǎn)為:其對(duì)應(yīng)的能量泛函為:其中D為求解區(qū)域,求解即可獲得軸對(duì)稱情況下,渦流無損檢測(cè)中正問題的數(shù)值解.由于有限元可以方便靈活的處理復(fù)雜形狀邊界和交界面,而且成功的用于多種介質(zhì)和非均勻介質(zhì)問題,從而使得在電磁檢測(cè)問題的數(shù)值計(jì)算和仿真研究中大多采用這種方法.4泥石流檢測(cè)的前景與展望4.1檢測(cè)儀器和檢測(cè)設(shè)計(jì)儀器是檢測(cè)的工具,探頭是檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵器件,目前,對(duì)儀器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)探頭設(shè)計(jì)的理論進(jìn)行研究是重要課題.4.2多功能檢測(cè)方法每一種無損檢測(cè)方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),而單一的無損檢測(cè)方法只能檢測(cè)出部分缺陷,不能完成全面的無損檢測(cè).因此發(fā)展多功能多參數(shù)的綜合檢測(cè)方法成為一種潮流.4.3渦流無損檢測(cè)的改進(jìn)方法盡管采用有限元計(jì)算方法推動(dòng)了理論和實(shí)踐的發(fā)展,采用以上信號(hào)處理方法提高了信噪比,但是如何快速解決渦流無損檢測(cè)中的三維問題,完成逆問題的求解,重構(gòu)缺陷,把無損檢測(cè)方法從定性檢測(cè)發(fā)展到定量檢測(cè),仍是急待研究的問題.4.4其他無損檢測(cè)技術(shù)由于計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展,