脈沖渦流檢測方法在裂紋分類中的應用

1脈沖渦流檢測脈沖軸檢測方法是脈沖檢測技術的一個新興分支。與傳統(tǒng)的單頻頻繁輸出相比，脈沖輸出具有許多優(yōu)點。傳統(tǒng)渦流采用單一頻率的正弦電流作為激勵,脈沖渦流則采用具有一定占空比的方波作為激勵;傳統(tǒng)渦流檢測對感應磁場進行穩(wěn)態(tài)分析,即通過測量感應電壓的幅值和相角來確定缺陷的位置,而脈沖渦流則對感應磁場進行時域的瞬態(tài)分析,以直接測得的感應磁場最大值出現(xiàn)的時間來進行缺陷檢測。在理論上,脈沖渦流比單頻正弦渦流能提供更多信息,因為脈沖渦流可提供某一范圍的連續(xù)多頻激勵。此外,脈沖渦流信號比多頻渦流信號響應更快,因為它同時運行一列不同的電流頻率。脈沖渦流檢測是一種可實現(xiàn)定量檢測導電材料表面及近表面缺陷深度的有效方法,尤其對于定量檢測飛機多層結構中出現(xiàn)在第2層中難以檢測的缺陷證實也同樣有效。本文根據(jù)上述脈沖渦流的特性,設計了一套脈沖渦流無損檢測系統(tǒng),在鋁合金板上加工缺陷來模擬飛機結構中出現(xiàn)的裂紋,通過數(shù)據(jù)采集卡采集裂紋信息,提取峰值及峰值時間來定量裂紋的深度,并對裂紋的分類提出了有效的識別方法。2脈沖渦流信號分析脈沖渦流系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。脈沖渦流的激勵信號為具有一定占空比的方波,施加在探頭上的激勵方波會在激勵線圈中感生出一個快速衰減的脈沖磁場,變化的磁場在導體試件中感應出瞬時渦流(脈沖渦流),此脈沖渦流向導體試件內部傳播,又會感應出一個快速衰減的渦流磁場,隨著渦流磁場的衰減,檢測線圈或磁傳感器就會感應出隨試件變化的電壓。假如有裂紋缺陷存在,勢必使得磁感應強度B發(fā)生變化,導致檢測線圈或磁傳感器上的感應電壓隨之改變,由于脈沖包含很寬的頻譜,感應的電壓信號中就包含有關裂紋的重要信息。與常規(guī)渦流信號不同,脈沖渦流信號獲得的是瞬態(tài)信號,因此其數(shù)值分析主要是在時域中進行。如果將檢測線圈或磁傳感器放置在被檢試樣的無缺陷處,所獲得的基本響應信號為參考信號,被檢試樣的響應信號減去參考信號即為差分信號。圖2為一個典型脈沖渦流的差分瞬時信號響應圖。通常所采用的特征值是脈沖渦流的差分瞬時信號的峰值和峰值到達時間,由此對表面、亞表面及腐蝕裂紋進行定量檢測。其中,峰值是指脈沖渦流時域瞬態(tài)波形的最大值,峰值時間是指從脈沖渦流的上升沿激勵開始到脈沖渦流感應信號瞬時峰值到達的時間。3結構表面及亞表面裂紋檢測脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)如圖3所示。其中信號發(fā)生器采用方波激勵信號,在本系統(tǒng)中,方波信號的電壓為1.7V,頻率為100Hz,占空比為0.5。探頭包括激勵線圈和磁傳感器,激勵線圈采用圓柱型磁芯,內徑10mm,外徑16mm,高為5mm,由線徑0.3mm的漆包線繞制而成,共繞了400匝。磁傳感器采用霍爾傳感器(Hall)UGN3503,位于圓柱型磁芯底部的中心,用來對受裂紋缺陷擾動而產(chǎn)生的磁場垂直分量進行檢測。數(shù)據(jù)采集電路采用凌華數(shù)據(jù)采集卡DAQ2010,采樣頻率為100kHz。為了模擬飛機結構中出現(xiàn)的不同類型裂紋缺陷,實驗中采用一塊厚度為10mm,長度為300mm,寬度為30mm的鋁塊(LY12)來模擬飛機結構中出現(xiàn)的表面及亞表面裂紋,裂紋缺陷尺寸如圖4(a)所示,探頭通過對A、B表面的檢測來完成表面及亞表面裂紋的檢測;另一塊采用長度為400mm,寬度為30mm,厚度變化的鋁塊(LY12)來模擬飛機結構中出現(xiàn)的大面積腐蝕減薄的缺陷,其缺陷尺寸如圖4(b)所示。4實驗分析4.1缺陷輸出的峰值和深度關系通過探頭對A表面裂紋、B亞表面裂紋及腐蝕裂紋進行檢測,實驗發(fā)現(xiàn),當探頭在試塊上沒有裂紋的區(qū)域掃描時,Hall傳感器上感應信號的峰值保持不變。當探頭掃描到不同深度的裂紋區(qū)域時,Hall傳感器上感應信號的峰值明顯變化,在探頭進入裂紋時,感應信號的峰值達到最大值,當探頭離開裂紋時,感應信號的峰值出現(xiàn)最小值。由此,可以根據(jù)Hall傳感器上感應信號的輸出峰值變化來判斷裂紋的位置。將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)運用MATLAB工具首先進行差分、濾波、分析、處理等環(huán)節(jié),提取缺陷的輸出峰值和峰值時間特征,從而判定裂紋的深度,結果如圖5和圖6所示。由圖5分析可知,對于表面、亞表面及腐蝕裂紋,隨著裂紋深度的加深,輸出的峰值都增大。但對于表面裂紋,輸出峰值與裂紋深度幾乎是線性關系。而對于亞表面和腐蝕裂紋,輸出峰值與裂紋深度成指數(shù)關系。根據(jù)渦流檢測原理(1)可知,被測導體中感應的渦流密度隨著深度的加深成指數(shù)下降,而Hall傳感器所測磁場為激勵線圈產(chǎn)生磁場與渦流產(chǎn)生磁場矢量和,這就證實了實驗結果與理論相一致。對于定量,在相同裂紋深度條件下,由于亞表面裂紋損失的面積更小,因此它的峰值在相同深度下比腐蝕裂紋的小。J渦流(z)=J0(z)exp(-z/√2ωσμ)(1)J渦流(z)=J0(z)exp(?z/2ωσμ???√)(1)式中:J是渦流密度,z是裂紋深度,ω=2πf是激勵角頻率,σ是被測導體電導率,μ是被測導體磁導率。由圖6分析可知,對于表面裂紋,隨著裂紋的深度加深,峰值時間幾乎相同,集中出現(xiàn)在110μs附近,根據(jù)渦流檢測原理,這是因為試塊導體中產(chǎn)生的渦流最大密度J0集中在表面。而對于亞表面和腐蝕裂紋,隨著缺陷的深度加深,峰值時間逐漸減小,這是因為渦流在試塊中傳播的速度隨著深度的加深成指數(shù)下降。由于亞表面和腐蝕裂紋的缺陷損失具有一定的相似性,因此它們的峰值時間和深度之間的關系定性來說是相似的。因此,首先可根據(jù)脈沖渦流信號輸出的峰值變化來判斷裂紋的位置,然后根據(jù)脈沖渦流差分信號的輸出峰值及峰值時間來完成對3種裂紋深度的定量檢測。4.2識別裂縫分類4.2.1流差分時信號的峰值和峰值時間傳統(tǒng)的缺陷信號分析方法主要是在時域中進行,通常所采用的特征值是脈沖渦流差分瞬時信號的峰值和峰值時間。圖7為利用峰值及峰值時間兩個特征值對3種裂紋進行了分類識別,表明利用峰值及峰值時間兩個特征值能夠成功地分離出表面裂紋、亞表面裂紋及腐蝕裂紋,但亞表面裂紋與腐蝕裂紋分離得不夠好。4.2.2主成分分析方法主成分分析也叫做主成分變換、主分量分析或K-L(Karhunen-Loeve)變換,是建立在統(tǒng)計特征基礎上的多維(如多波段)正交線性變換。主成分分析是在最小平方誤差損失前提下把多個特征轉化為幾個綜合特征的多元統(tǒng)計方法,通常把轉化生成的綜合特征稱為主成分,其中每個主成分都是原始特征的線性組合,并且各個主成分之間互不相關,這就使得主成分比原始特征具有某些更優(yōu)越的性能。其主要應用在人臉識別、語音信號識別、信號壓縮等方面。主分量分析主要通過以下步驟來實現(xiàn):1)樣本數(shù)據(jù)來源于不同缺陷的差分數(shù)據(jù),每一組缺陷數(shù)據(jù)構成一列矢量Γn,因此樣本矩陣可表示為:Γ=[Γ1,Γ2,…,ΓM](2)式中:M為樣本數(shù)。2)對原始樣本差分數(shù)據(jù)進行平均,有:ˉΓ=1Μ.Μ∑n=1Γn(3)?！ァァ?1M.∑n=1MΓn(3)3)對原始樣本差分數(shù)據(jù)中心化,得到:Φi=Γi-ˉΓ(4)Φi=Γi??！ァァ?4)4)計算協(xié)方差矩陣:C=1ΜΜ∑n=1Φn?ΦΤn=1ΜA?AΤ(5)式中:A=[Φ1,Φ2,…,ΦM]。5)求協(xié)方差矩陣C的特征值λi和與其相對應的特征矢量νi。按特征值λi的大小(降序)對特征矢量νi進行排序,并重新編號。如果認為最大的特征值對應的特征矢量為ν1,第二大的特征值對應的特征矢量為ν2,那么就得到一特征矢量序列ν1,ν2,ν3,…,νn。該特征矢量序列就是待求的基函數(shù)序列。因為計算上的需要,可把基函數(shù)寫成n×n維基函數(shù)矩陣ν:ν=(ν1,ν2,ν3…,νn)(6)6)利用所得基函數(shù)矩陣ν和第3步構造出來的矩陣Φ,求出矩陣Φ用基函數(shù)ν表示的系數(shù)矩陣ω,即:ω=νTΦ(7)矩陣ω中包含了測試信息在由特征矢量組成的空間中的各階分量(即主分量)。其中第i個特征值(或特征矢量)對應的行即為第i階分量。因為首先對特征值進行了從大到小的排序,所以階數(shù)較小的主分量對應于較大的特征值,描述信號的主要特征。階數(shù)較大的主分量對應的特征值較小,描述信號的細微特征。采用主分量分析方法,按照上述步驟,對表面、亞表面、腐蝕裂紋缺陷差分信號進行了分析處理。從圖8中可以看出,采用主成分分析法能夠成功的將3種裂紋進行分類。利用峰值和峰值時間和主成分分析法都可以將3種裂紋分離出來,但根據(jù)分類識別評判標準:1)每一類應盡可能聚集在一起;2)不同類的距離應該足夠大。比較圖7與圖8,主成分分析方法具有更好的分類性能。主成分分析法具有多尺度的性質,可很好地提取缺陷的特征,這為判定缺陷和建立缺陷特征庫提供了一種有效的方法。5表面裂紋檢測與分類通過實驗和分析得出:根據(jù)脈沖渦流輸出信號的峰值變化可以判斷裂紋的位置;脈沖渦流檢測