脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)頻域分析

0渦流檢測(cè)技術(shù)的分類脈沖軸檢測(cè)技術(shù)是一種新的脈沖軸損失檢測(cè)方法。20世紀(jì)50年代初,美國(guó)密蘇里大學(xué)的Waidelich最早對(duì)脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究,到20世紀(jì)80年代中后期,國(guó)外學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行初步的理論和應(yīng)用研究。進(jìn)入21世紀(jì),脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)在世界范圍內(nèi)逐漸得到了較為廣泛的理論和應(yīng)用研究。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)采用的激勵(lì)信號(hào)通常為具有一定占空比的周期矩形波電壓/電流,根據(jù)傅里葉信號(hào)分析理論,矩形波信號(hào)是一系列不等幅正弦信號(hào)的合成信號(hào),具有很寬的頻譜。因此,從廣義上講,可以認(rèn)為脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)屬于多頻渦流檢測(cè)技術(shù)范疇。脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的分析通常在時(shí)域進(jìn)行,但也可以在頻域進(jìn)行。缺陷的檢測(cè)、分類和定量評(píng)估是渦流檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分。缺陷分類即把已檢測(cè)到的缺陷區(qū)分為正確的缺陷類型,如表面缺陷或內(nèi)部缺陷。在時(shí)域分析方面,文獻(xiàn)采用主成分分析法(principalcomponentanalysis,PCA),提取脈沖渦流瞬態(tài)響應(yīng)信號(hào)峰值時(shí)間作為特征量對(duì)缺陷進(jìn)行分類識(shí)別。文獻(xiàn)提出了時(shí)間上升點(diǎn)這一新的特征量,對(duì)缺陷分類識(shí)別進(jìn)行研究。文獻(xiàn)采用脈沖渦流響應(yīng)差分信號(hào)的峰值時(shí)間和過(guò)零時(shí)間作為特征量對(duì)缺陷進(jìn)行分類識(shí)別。在頻域分析方面,文獻(xiàn)[16-17]提出頻譜分離點(diǎn)對(duì)缺陷進(jìn)行分類識(shí)別,但這一特征量在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中不易準(zhǔn)確提取。文獻(xiàn)選擇脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)頻譜中3個(gè)特定頻率點(diǎn)的幅值作為特征量對(duì)缺陷進(jìn)行分類識(shí)別。在目前研究工作中,頻域方面主要針對(duì)脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的幅頻譜進(jìn)行特征提取分析,很少對(duì)脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的相頻譜進(jìn)行研究。本文將脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)中的激勵(lì)信號(hào)選定為周期方波信號(hào),對(duì)檢測(cè)信號(hào)的幅頻特性和相頻特性進(jìn)行研究,分別從幅頻譜和相頻譜中提取新的特征量,分析其變化特點(diǎn)并應(yīng)用于缺陷分類識(shí)別。1渦流傳感器的多頻特性當(dāng)在渦流傳感器中加載脈沖電流時(shí),傳感器中的電流感應(yīng)出一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng),變化的脈沖磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流。瞬時(shí)渦流在導(dǎo)體內(nèi)部傳播時(shí),產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng),進(jìn)而使得渦流傳感器中感應(yīng)出隨時(shí)間變化的電壓。如果導(dǎo)體試件中有缺陷存在,勢(shì)必會(huì)對(duì)渦流分布產(chǎn)生影響,從而影響到磁場(chǎng)分布,最終使得渦流傳感器中的感應(yīng)電壓發(fā)生變化。因此,通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓信號(hào),就可以判斷試件近表面特性及是否存在缺陷等。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)中采用的激勵(lì)信號(hào)一般為周期矩形波信號(hào),可以認(rèn)為是一種多頻信號(hào)。為了便于在頻域分析時(shí)使脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的幅頻譜和相頻譜具有較強(qiáng)的規(guī)律性,經(jīng)過(guò)分析比較,選定激勵(lì)信號(hào)為周期方波信號(hào)。對(duì)周期方波信號(hào)s(t)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開,表示如下式中:E為方波信號(hào)的幅值;ω為角頻率?？梢钥闯?式(1)中只包含直流分量、基波分量和各奇次諧波分量。周期方波信號(hào)幅頻譜中各次諧波的幅值隨著頻率的增加不斷減小;相頻譜中各次諧波分量的初始相位均為-π/2rad。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可以判斷,脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)仍然為與激勵(lì)信號(hào)頻率成分相同的多頻信號(hào),但各頻率成分的幅值和相位發(fā)生了不同的變化。2脈沖流傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)2.1掃描路徑變化本文所采用的脈沖渦流傳感器如圖1所示。傳感器由矩形激勵(lì)線圈和小尺寸圓柱檢測(cè)線圈構(gòu)成,其中矩形激勵(lì)線圈加載周期方波電壓,產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng);檢測(cè)線圈位于激勵(lì)線圈底部中央,用于檢測(cè)掃描路徑上磁場(chǎng)量的變化。與阻抗式渦流傳感器不同,該傳感器檢測(cè)試件表面磁場(chǎng)量的變化,所以稱其為場(chǎng)量式脈沖渦流傳感器。在傳感器中,矩形激勵(lì)線圈的尺寸為40mmuf0b425mmuf0b425mm,用直徑為0.2mm的漆包線繞了400匝;檢測(cè)線圈的內(nèi)徑為1mm,高為4mm,用直徑為0.05mm的漆包線繞了500匝構(gòu)成。2.2信號(hào)和數(shù)字模塊檢測(cè)系統(tǒng)采用ADLINK公司的PXI主控機(jī)(PXI3800)和多功能模塊(PXI2204)設(shè)計(jì)。根據(jù)脈沖渦流檢測(cè)要求,設(shè)計(jì)了功率放大電路、前置放大電路和二級(jí)放大電路。在上位機(jī)上,基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了信號(hào)處理軟件。檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。3脈沖軸檢測(cè)信號(hào)的譜特性3.1脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)頻率式(1)所表示的周期方波激勵(lì)信號(hào),由直流分量、基波分量和各奇次諧波分量組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,直流分量不會(huì)感生渦流,所以脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)也將由與激勵(lì)信號(hào)同頻的基波分量和各奇次諧波分量組成。由此可見,脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)在頻域是非帶限信號(hào),但各奇次諧波分量的能量隨著頻率增加不斷減小,高頻諧波分量的能量是非常小的。在脈沖渦流檢測(cè)中,通過(guò)選擇較高的采樣頻率,就可以忽略頻域的混疊效應(yīng)。根據(jù)脈沖渦流中激勵(lì)信號(hào)的頻譜分布特點(diǎn),脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)頻譜應(yīng)當(dāng)為離散譜。選擇采樣頻率為其基波頻率的整數(shù)倍時(shí),檢測(cè)信號(hào)頻譜的真實(shí)譜線恰好落在其離散傅里葉變換(discreteFouriertransform,DFT)的每個(gè)數(shù)值點(diǎn)上,避免了柵欄效應(yīng),同時(shí)也有效降低了頻譜泄露。在進(jìn)行頻譜分析時(shí),由于脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)為周期信號(hào),可以截取單個(gè)周期的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。在相頻特性分析方面,假設(shè)信號(hào)x(n)循環(huán)移-m位后的信號(hào)為y(n),即根據(jù)離散傅里葉變換的時(shí)移特性,若則有式中:RN(n)為矩形函數(shù);W=e-j2uf070/N。這表明,時(shí)移–m位,其離散傅里葉變換將出現(xiàn)相移因子Wmk,且相移隨著頻率增加而逐漸變大。因此,對(duì)單個(gè)周期信號(hào)的截取位置不同,相當(dāng)于信號(hào)具有不同的時(shí)移,幅頻特性不受影響,僅對(duì)相頻特性影響較大。在實(shí)際的脈沖渦流檢測(cè)過(guò)程中,常常將激勵(lì)頻率選擇較低,以獲取較大的趨膚深度。本文設(shè)計(jì)的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)中,激勵(lì)信號(hào)采用頻率為100Hz的周期方波信號(hào)。結(jié)合以上的討論,為了盡可能避免對(duì)脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)頻譜分析時(shí)的信號(hào)處理問(wèn)題,采樣頻率fs應(yīng)為激勵(lì)信號(hào)頻率f的整數(shù)倍,且足夠大。因此,試驗(yàn)中采樣頻率fs取為100kHz。3.2幅頻譜的采樣圖3為脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)單個(gè)周期的時(shí)域信號(hào)波形。可以看出,脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)不僅是周期的,而且是奇諧對(duì)稱的。為了改善檢測(cè)信號(hào)的波形,對(duì)其進(jìn)行去噪處理,得到較為光滑的檢測(cè)信號(hào)波形。圖3中,脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)存在一個(gè)波谷和一個(gè)波峰,分別對(duì)應(yīng)方波激勵(lì)信號(hào)的上跳沿和下跳沿。檢測(cè)信號(hào)的幅值隨著時(shí)間增加迅速衰減,當(dāng)方波的跳變結(jié)束1ms之后,檢測(cè)信號(hào)的幅值趨于零。對(duì)圖3所示脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換,得到檢測(cè)信號(hào)幅頻譜和相頻譜如圖4和圖5所示。與上文理論分析結(jié)果一致,圖4(a)幅頻譜中的直流分量為零,只在基波分量和各奇次諧波分量上存在譜線?？梢钥闯?各奇次諧波分量的能量隨著頻率的增加迅速衰減。在高頻奇次諧波分量部分(20kHz以上),其能量幾乎趨于零。為了便于幅頻特性觀察,將幅頻譜的包絡(luò)繪制成圖4(b)。圖5(a)為脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的相頻譜。根據(jù)其幅頻譜中各頻率分量分布特點(diǎn),只繪制了相應(yīng)的基波分量和各奇次諧波分量的相頻值。采用和圖4(a)同樣的處理方法,將圖5(a)相頻譜的包絡(luò)繪制成圖5(b)。相頻譜中的相位值在基波和低頻各奇次諧波分量部分為正。隨著頻率的增加相位值逐漸減小并變?yōu)樨?fù),存在一個(gè)過(guò)零點(diǎn),這里定義為“相位過(guò)零點(diǎn)”,記為fpz。在低頻奇次諧波分量部分,相頻曲線比較光滑;在高頻奇次諧波分量部分,相頻曲線出現(xiàn)波動(dòng)。這是由于高頻奇次諧波分量部分能量很小,相位值比較容易受到噪聲干擾所致。4試驗(yàn)結(jié)果4.1u3000缺陷的尺寸結(jié)合脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)和本文采用渦流傳感器及系統(tǒng)的檢測(cè)能力,在尺寸為300mmuf0b4300mmuf0b43mm的鋁制平板試件上分別加工了3個(gè)尺寸為10mmuf0b41mmuf0b41mm、10mmuf0b41mmuf0b41.5mm和10mmuf0b41mmuf0b42mm的長(zhǎng)方體缺陷。缺陷的長(zhǎng)度和寬度相同,深度不同。鋁制試件的橫截面如圖6所示。由于試件內(nèi)部缺陷不易加工,在試驗(yàn)研究過(guò)程中,分別在鋁制平板試件的上表面和下表面對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)在上表面進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí),認(rèn)為缺陷表示表面缺陷;當(dāng)在下表面對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí),認(rèn)為缺陷表示內(nèi)部缺陷。4.2脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的特征對(duì)3個(gè)缺陷分別進(jìn)行檢測(cè),在缺陷檢測(cè)過(guò)程中,脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域峰值連續(xù)變化,分別提取峰值最大時(shí)刻檢測(cè)信號(hào)。對(duì)波峰局部進(jìn)行放大,如圖7所示。在脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域波形中,波峰的峰值時(shí)間可以用來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行分類。對(duì)于表面缺陷,峰值時(shí)間比無(wú)缺陷時(shí)變小;對(duì)于內(nèi)部缺陷,峰值時(shí)間比無(wú)缺陷時(shí)變大,但峰值時(shí)間這一特征量變化比較微弱。4.3譜相對(duì)變化特征量的檢測(cè)對(duì)表面缺陷檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換,得到其幅頻譜如圖8所示。圖8(a)為表面缺陷檢測(cè)信號(hào)幅頻譜,表面缺陷存在時(shí),各次諧波分量的幅值增大。由于激勵(lì)信號(hào)中各諧波分量幅值不同,采用相對(duì)變化量能有效地反映每個(gè)諧波分量的變化特點(diǎn)。計(jì)算表面缺陷檢測(cè)信號(hào)幅頻譜中各次諧波分量相對(duì)于無(wú)缺陷時(shí)檢測(cè)信號(hào)幅頻譜變化量,記為“譜相對(duì)變化”,如圖8(b)所示。對(duì)于3個(gè)不同深度的表面缺陷,譜相對(duì)變化在低頻諧波分量部分出現(xiàn)一個(gè)峰值,在高頻諧波分量部分幾乎保持恒定,略有增加趨勢(shì)。對(duì)內(nèi)部缺陷檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換,得到其幅頻譜如圖9所示。圖9(a)為內(nèi)部缺陷檢測(cè)信號(hào)幅頻譜,內(nèi)部缺陷存在時(shí),各次諧波分量的幅值增大。同樣,計(jì)算內(nèi)部缺陷檢測(cè)信號(hào)的譜相對(duì)變化,如圖9(b)所示。對(duì)于3個(gè)不同深度的內(nèi)部缺陷,譜相對(duì)變化在低頻諧波分量部分同樣出現(xiàn)一個(gè)峰值,但在高頻諧波分量部分不斷減小。根據(jù)渦流趨膚效應(yīng),頻率的增加會(huì)降低趨膚深度。因此,對(duì)于內(nèi)部缺陷,諧波分量的頻率越高,諧波分量的相對(duì)變化越小,甚至沒(méi)有變化。與表面缺陷檢測(cè)信號(hào)譜相對(duì)變化曲線相同的是,在低頻諧波分量部分,相對(duì)變化曲線較為光滑;在高頻諧波分量部分(大于5kHz),相對(duì)變化曲線出現(xiàn)較大的波動(dòng)。當(dāng)諧波分量的頻率大于10kHz時(shí),相對(duì)變化曲線波動(dòng)很大,在圖8(b)和9(b)中沒(méi)有繪制。在幅頻特性中,采用譜相對(duì)變化這一特征量有利于發(fā)現(xiàn)不同類型缺陷檢測(cè)信號(hào)各次諧波分量的變化規(guī)律,而且物理意義清楚,這是時(shí)域分析中所不具備的。在實(shí)際脈沖渦流的缺陷檢測(cè)過(guò)程中,譜相對(duì)變化可以有效應(yīng)用于缺陷分類,即將缺陷分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷。當(dāng)譜相對(duì)變化曲線中高頻部分呈恒定或略有上升狀態(tài)時(shí),缺陷為表面缺陷;當(dāng)譜相對(duì)變化曲線中高頻部分呈明顯下降狀態(tài)時(shí),缺陷為內(nèi)部缺陷。4.4相位過(guò)回收點(diǎn)比無(wú)缺陷時(shí)的相頻特性對(duì)缺陷檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換,計(jì)算其相頻譜如圖10和圖11所示。從表面缺陷檢測(cè)信號(hào)的相頻譜圖(圖10)可以看出,3個(gè)表面缺陷檢測(cè)信號(hào)的相頻譜變化較小,但文中定義的特征量相位過(guò)零點(diǎn)fpz均大于無(wú)缺陷時(shí)檢測(cè)信號(hào)。從內(nèi)部缺陷檢測(cè)信號(hào)相頻譜圖11可以看出,3個(gè)內(nèi)部缺陷檢測(cè)信號(hào)的相頻曲線中相位過(guò)零點(diǎn)fpz均小于無(wú)缺陷時(shí)檢測(cè)信號(hào)。與譜相對(duì)變化曲線類似,相頻曲線在低頻諧波分量部分光滑,而在高頻諧波分量部分出現(xiàn)較大的波動(dòng)。在相頻特性中,缺陷檢測(cè)信號(hào)相頻譜中的相位過(guò)零點(diǎn)變化較小。對(duì)于表面缺陷,相位過(guò)零點(diǎn)比無(wú)缺陷時(shí)增大;但對(duì)于內(nèi)部缺陷,相位過(guò)零點(diǎn)比無(wú)缺陷時(shí)減小。當(dāng)缺陷很小時(shí),這一特征量變化非常微弱,分類作用是不