CN104330469B - 基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法，具体步骤为：设定无缺陷区域；采集参考信号；调试提离高度；建立校准信号数据库；建立差分峰值数据库；采集初始测试信号；提取差分峰值；确定数据库索引号；选择提离校准信号；获得消除提离效应后的测试信号。本发明由于使用了新的特征量来判断提离的近似高度，经高通滤波后，信号的差分峰值对提离距离有较好的指示，其物理意义明确，且能准确指示提离高度，具有在实际检测中加以应用的价值。

Description

基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法

技术领域

本发明属于电磁涡流无损检测领域，涉及一种抑制提离效应的方法，具体涉及基于高通滤波的自动消除脉冲涡流检测过程中提离效应的方法。

背景技术

涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，其检测对象为导电材料的表面及近表面缺陷。脉冲涡流检测技术是在传统涡流检测的基础上快速发展起来的，与传统技术中使用单个频率作为激励不同，使用了脉冲激励，为周期性矩形脉冲。脉冲激励电流的电磁场在导体中激励出脉冲涡流，脉冲涡流产生的电磁场被传感器接收。如果导体中有缺损，那么导体中的脉冲涡流及其产生的电磁场会有不同。由于脉冲激励包含了从直流到高频（高频一般为几十kHz到几百kHz）的很宽的频谱，不同频率形成的涡流在金属中具有不同的渗透深度，因此能够一次扫描检测多层结构不同深度的缺陷。

提离效应是脉冲涡流检测技术走向实用化亟待解决的一个问题。在实际的检测过程中，由于被检对象表面的不平整、涂层厚度变化以及操作者操作不当等因素的影响，都会引起提离效应。在时域内，提离引起的信号变化与缺陷引起的信号变化具有相似性，很容易淹没检测中的有用信号，对检测结果造成严重的干扰；在频域内，提离主要影响检测信号的高频部分，缺陷主要影响信号的低频部分。所以，对提离效应进行抑制和补偿不可缺少，否则该种方法在实际检测中的实用性就很受限。

中国专利（公开号：CN101413923A）公开了一种用于脉冲涡流检测的自动提离补偿的方法和设备。该方法采用测试信号与参考信号的差分信号的一阶微分的峰值作为标定提离高度的特征量。该方法的缺点是当缺陷较大时，这个特征量不能准确与提离高度进行匹配。

中国专利（公开号：CN103399083A）公开了一种脉冲涡流检测提离效应的抑制方法。该方法采用测试信号与参考信号的差分信号的二阶微分零时刻值作为标定提离高度的特征量。该方法中对存在腐蚀缺陷时提离效应的抑制和补偿进行了实施，达到了抑制的效果。但是零时刻值的提取容易受到噪声的影响，不够稳定。

中国专利（公开号：CN103336049A）公开了一种消除提离效应的脉冲涡流检测方法及装置。该方法对检测信号和参考信号的时域曲线做差分处理，提取差分信号峰值，获取在不同缺陷深度下差分峰值、电压和提离高度的关系曲线的斜率，将直线斜率和缺陷深度关系拟合为三次函数曲线，从而消除了提离效应在脉冲涡流检测系统中的影响。但时域内差分信号的电压也容易受到噪声的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种消除检测过程中探头与被检样品表面之间的提离效应的方法，排除提离干扰，提高检测结果的可靠性。寻找合适的匹配提离高度的特征量以及合适的补偿方式，消除检测信号中提离引起的干扰，恢复缺陷信息，以便得到可靠的检测结果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法，被检样品与探头之间设置的塑料膜片，探头包括铁氧体，铁氧体内安装有激励线圈，铁氧体的中心安装有磁传感器，铁氧体安装有信号线；

其步骤如下：

1）设定无缺陷区域：将探头放置在与被检样品同材质试块的区域，判定为无缺陷的区域，并且探头没有提离；

2）采集参考信号：采集此时的脉冲涡流信号，并保存为参考信号；

3）调试提离高度：增加探头与被检样品的提离高度；

4）建立校准信号数据库：采集不同提离高度时探头信号，并保存为提离校准信号，建立提离校准信号数据库；

5）建立差分峰值数据库：对提离校准信号和参考信号进行高通滤波，将滤波后的提离校准信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号；提取其差分峰值，并建立差分峰值数据库；

6）采集初始测试信号：将探头放置在被检样品表面待检区域，采集此时的信号并保存为初始测试信号；

7）提取差分峰值：对初始测试信号进行高通滤波，将滤波后的初始测试信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号，提取其差分峰值；

8）确定数据库索引号：将计算得到的差分峰值减去差分峰值数据库中的元素，并根据差值的绝对值最小的原则，确定上述初始测试信号的差分峰值在差分峰值数据库中的索引号；

9）选择提离校准信号：按照差分峰值数据库与提离校准信号数据库一一对应的关系，确定上述差分峰值数据库中的索引号在提离校准信号数据库中的索引号，最后从提离校准信号数据库中选择索引号对应的提离校准信号；

10）获得消除提离效应后的测试信号：将上述初始测试信号减去上述提离校准信号，得到差分信号，用差分信号乘以幅值补偿率，最后得到消除提离效应后的测试信号。

所述差分峰值数据库的元素与提离校准信号数据库的元素相对应。

所述幅值补偿率的计算是首先将高通滤波后的初始测试信号减去高通滤波后的参考信号，提取差分峰值；其次找到上述差分峰值在差分峰值数据库内最接近的值，且差分峰值与差分峰值数据库内最接近的值相除，然后再乘以一个经验系数而得到，其公式为：

R= K（M/F(n)）；

式中：R表示幅值补偿率；K表示经验系数；M表示差分峰值；F(n)表示差分峰值数据库内元素的值；n表示索引号。

所述经验系数是由1减去上述索引号除以提离校准信号个数的两倍，其公式为：

K=1-n/(2*N)；

式中：K表示经验系数；n表示索引号；N表示提离校准信号的个数。

本发明的有益效果是：提出了一种新的特征量即高通滤波信号的差分峰值用来指示提离的高度，该特征量的由来具有明确的物理背景，即：已有的理论和实验表明与提离相比较，缺陷主要影响信号的低频部分，而提离对高频部分的影响较大。高通滤波后的脉冲涡流检测信号抑制了低频部分的信号，也即抑制了缺陷对提离判断的影响，使得对提离高度的指示更加的准确。由于使用了新的特征量来判断提离的近似高度，经高通滤波后，信号的差分峰值对提离距离有较好的指示，其物理意义明确，且能准确指示提离高度，具有在实际检测中加以应用的价值。

附图说明

图1是本发明的探头在提离效应下检测被检样品状态的剖面示意图。

图2是本发明消除提离效应方法的实施流程图。

图3a是本发明的高通滤波后提离信号与参考信号做差分的信号曲线图。

图3b是本发明的图3a中局部时间段放大的曲线图。

图4a是本发明的直径30mm深度0.1mm腐蚀缺陷的原始信号和消除提离效应后的效果图。

图4b是本发明的直径30mm深度0.5mm腐蚀缺陷的原始信号和消除提离效应后的效果图。

图5a是本发明的长度为6mm裂纹缺陷的原始信号和消除提离效应后的效果图。

图5b是本发明的长度为4mm裂纹缺陷的原始信号和消除提离效应后的效果图。

图中：1.探头，11.铁氧体，12.激励线圈，13.磁传感器，14.信号线，2.被检样品，3.塑料膜片，4.缺陷处。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。参见图1，探头1在提离效应下检测被检样品2状态，探头1由激励线圈12、铁氧体11、磁传感器（TMR）13和信号线14构成，用均匀厚度的塑料膜片3来模拟探头距被检样品2表面之间的提离高度h，形成所谓的提离效应。将磁传感器13检测到缺陷处4的电压信号由信号线14输出到外部设备，用来显示和保存数据，便于进行后续的信号处理。

本发明所述的消除脉冲涡流检测提离效应的方法，即一种消除检测探头1和被检样品2之间的距离对检测信号造成干扰的方法，包括建立提离校准信号数据库、建立差分峰值数据库及抑制和补偿的方法，如图2所示。

产生脉冲涡流信号的过程如下：

信号源产生矩形脉冲电流信号201，通过信号线14激励探头线圈12，激励线圈12在电磁感应原理基础上，产生了激励磁场202，导体置于激励磁场之中时就会有感应电流产生，即在导体内部产生出涡流203。磁传感器13接收磁场的变化，并将磁场信号转化为电压信号204，通过信号线14输出给外部设备。

建立数据库及消除提离的过程如下：

提离校准信号数据库和差分峰值数据库建立过程：

将探头1放置在与被检样品2同材质试块的可判定为无缺陷区域处，且探头1没有提离205，采集脉冲涡流信号并作为参考信号206用于后续信号差分。将探头1放置在无缺陷处增加提离高度207，然后采集信号并保存为提离校准信号，建立提离校准信号数据库208。提离可以用已知厚度的不导电均匀塑料膜片3放在探头1和被检样品2表面之间来模拟。为了获得更为精确的抑制效果，不同提离高度之间的间隔应该较小，试验次数应该较多。对提离校准信号和参考信号进行高通滤波，将滤波后的提离校准信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号，提取其差分峰值并建立差分峰值数据库209，且差分峰值数据库的元素和提离校准信号数据库的元素是一一对应的。

当建立了合适数量的提离校准信号和差分峰值数据库后，在检测过程中就可以以此为基础来消除提离效应的影响。

消除提离效应的过程：

将探头1放在被检样品2表面的待检区域210，然后，采集测试信号211。

在实际检测过程中，将探头1置于飞机机身、热交换管等表面时，其提离距离将随着探头1的移动而改变，例如表面涂层厚度的变化或者操作者对探头1施加压力的变化等都会引起提离距离的变化，提离高度是不可知的并且是不可避免的。

对测试信号进行高通滤波，将滤波后的测试信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号，提取差分峰值212。确定提离高度并选择提离校准信号213的过程：将测试信号计算得到的差分峰值减去差分峰值数据库中的元素，根据两者差值的绝对值最小的原则确定其在差分峰值数据库中的索引号，再根据数据库一一对应的关系确定其在提离校准信号数据库中的索引号，最后从提离校准信号数据库中选择索引号对应的提离校准信号。

然后计算幅值补偿率，接着用测试信号与从提离校准信号数据库中匹配得到的提离校准信号相减，得到的差分信号乘以幅值补偿率，得到消除提离后的信号214。最后显示消除提离前后的信号215效果图。

实施例：实现本发明的实施例流程如下：

1）首先，将探头1放置在与被检样品2同材质试块的可判定为无缺陷处，且探头1没有提离，采集此时的信号作为参考信号,提离高度逐渐增加,采集N个提离校准信号，建立提离校准信号数据库并记为{L(n);n=0,1,…,N-1}。

例如，提离高度(mm)依次为0,0.1,0.3,0.5,0.8,1.0,1.5,2.0，产生8个提离校准信号，n=0,1,2,3,4,5,6,7.

2）其次，对提离校准信号和参考信号进行高通滤波，将滤波后的提离校准信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号,提取其差分峰值，建立差分峰值数据库并记为{F(n);n=0,1,…,N-1}.

3）然后，对于待测区域的未知缺陷及未知提离的测试信号T,执行下面的操作：

①对测试信号T进行高通滤波，将滤波后的测试信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号，提取其差分峰值M。

②根据差值的绝对值最小的原则，将当前的M与差分峰值数据库的值进行比较，找到最接近的F(n)，获取其所在的索引号n，查询到对应的提离高度值。

③依据索引号n，在提离校准信号数据库中查询到对应的提离校准信号L(n)。

④最后，利用M和F(n)计算幅值补偿率，用T和L(n)得到消除提离效应后的测试信号。

幅值补偿率计算如下：

R= K（M/F(n)）；

K=1-n/(2*N)；

式中：R表示幅值补偿率；K表示经验系数；n表示索引号；N表示提离校准信号个数。

然后，将幅值补偿率R带入到如下计算式得到消除提离效应后的测试信号：

S= R (T- L(n))；

式中：S表示消除提离效应后的测试信号。

图3示出了高通滤波后的提离信号与高通滤波后的参考信号做差分的信号曲线图。试验中被检样品2为10层，每层铝板厚度为1.5mm，其中缺陷放在第三层铝板上。保持其他条件不变，仅改变探头1的提离高度，分别采集无提离及提离0.1、0.3、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0mm的八组信号，每组信号中又包括了无缺陷、直径为30mm、深度分别为0.5、0.4、0.25、0.15、0.1mm的腐蚀缺陷几种情况。由图3可发现对于不同大小的缺陷，只要提离高度相同，其差分峰值的大小非常接近，缺陷对差分峰值的影响很小，说明差分峰值对脉冲涡流检测信号中的提离高度构成了良好的指示。利用该特征量匹配提离高度，结合幅值补偿率，可实现消除提离效应。

图4a、图4b示出了依据本发明消除脉冲涡流检测过程中提离效应的效果图。无提离及提离0.1mm、1.0mm、1.5mm，对第二层直径为30mm、深度分别为0.1mm、0.5mm的腐蚀缺陷，进行消除提离效应的实验。图中绘出了同个缺陷无提离及有提离时的差分信号和采用本发明消除提离效应后的信号。图4a为本发明对直径为30mm、深度为0.1mm的腐蚀缺陷消除提离效应前后的效果图；图4b为本发明对直径为30mm、深度为0.5mm的腐蚀缺陷消除提离效应前后的效果图。

图5a、图5b示出了依据本发明消除脉冲涡流检测过程中提离效应的效果图。无提离及分别提离0.1mm、0.3mm、1.7mm，对第二层长度为6mm和4mm的裂纹缺陷进行消除提离效应的实验。图中绘出了同个缺陷无提离及有提离时的差分信号和采用本发明消除提离效应后的信号。图5a为本发明对长度为6mm的裂纹缺陷消除提离效应前后的效果图；图5b为本发明对长度为4mm的裂纹缺陷消除提离效应前后的效果图。

由图4a、图4b和图5a、图5b清楚地看到，消除提离效应之后的信号很好的覆盖在了无提离时的缺陷信号周围，很好地还原了提离效应下的缺陷信号，有效的消除了提离效应造成的干扰。这样有助于提高检测的准确性及缺陷定量的可靠性。

Claims (4)

1.基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法，其特征在于，被检样品与探头之间设置有塑料膜片，探头包括铁氧体，铁氧体内安装有激励线圈，铁氧体的中心安装有磁传感器，铁氧体安装有信号线；其步骤如下：

1)设定无缺陷区域：将探头放置在与被检样品同材质试块的判定为无缺陷的区域处，并且探头没有提离；

2)采集参考信号：采集此时的脉冲涡流信号，并保存为参考信号；

3)调试提离高度：增加探头与被检样品的提离高度；

4)建立校准信号数据库：采集不同提离高度时探头信号，并保存为提离校准信号，建立提离校准信号数据库；

5)建立差分峰值数据库：对提离校准信号和参考信号进行高通滤波，将滤波后的提离校准信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号；提取其差分峰值，并建立差分峰值数据库；

6)采集初始测试信号：将探头放置在被检样品表面待检区域，采集此时的信号并保存为初始测试信号；

7)提取差分峰值：对初始测试信号进行高通滤波，将滤波后的初始测试信号减去滤波后的参考信号，得到差分信号，提取其差分峰值；

8)确定数据库索引号：将计算得到的差分峰值减去差分峰值数据库中的元素，并根据差值的绝对值最小的原则，确定上述初始测试信号的差分峰值在差分峰值数据库中的索引号；

9)选择提离校准信号：按照差分峰值数据库与提离校准信号数据库一一对应的关系，确定上述差分峰值数据库中的索引号在提离校准信号数据库中的索引号，最后从提离校准信号数据库中选择索引号对应的提离校准信号；

10)获得消除提离效应后的测试信号：将上述初始测试信号减去上述提离校准信号，得到差分信号，用差分信号乘以幅值补偿率，最后得到消除提离效应后的测试信号。

2.根据权利要求1所述的基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法，其特征在于，所述差分峰值数据库的元素与提离校准信号数据库的元素相对应。

3.根据权利要求1所述的基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法，其特征在于，所述幅值补偿率的计算是首先将高通滤波后的初始测试信号减去高通滤波后的参考信号，提取差分峰值；其次找到上述差分峰值在差分峰值数据库内最接近的值，且差分峰值与差分峰值数据库内最接近的值相除，然后再乘以一个经验系数而得到，其公式为：

R＝K(M/F(n))；

式中：R表示幅值补偿率；K表示经验系数；M表示差分峰值；F(n)表示差分峰值数据库内元素的值；n表示索引号。

4.根据权利要求3所述的基于高通滤波的脉冲涡流检测提离效应抑制方法，其特征在于，所述经验系数是由1减去上述索引号除以提离校准信号个数的两倍，其公式为：

K＝1-n/(2*N)；

式中：K表示经验系数；n表示索引号；N表示提离校准信号的个数。