CN104777221B - 基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，其步骤为：设定无缺陷区域；采集参考信号；调试提离高度；建立纯提离信号数据库；将检测信号进行FFT分析后建立纯提离信号的各个谐波的复频谱动态轨迹数据库；采集被检件动态扫描信号；被检件动态扫描信号FFT分解；分析被检件各谐波的复频谱的动态轨迹与纯提离的相应谐波的动态轨迹的夹角；平移被检件动态轨迹至提离为零处；平移后被检件动态扫描信号合成；获得抑制提离效应后被检件缺陷信号。本发明利用脉冲信号丰富的频谱，将复频谱特征向量与动态轨迹相结合，能够检测缺陷，并有效抑制检测过程中的提离效应，具有检测速度快、效果好，抗干扰能力强的特点。

Description

基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法

技术领域

本发明属于涡流无损检测领域，涉及一种脉冲涡流检测方法，具体涉及一种基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法。

背景技术

涡流检测(Eddy Current Testing,ET)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(pulsed eddycurrent，PEC)技术是在常规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。

以目前的脉冲涡流检测来说，时域峰值大小和峰值时间对于进一步提高脉冲涡流检测性能已经表现出局限性。目前寻求的其他时域和时频域特征量尽管各具特色，但也还没有哪方面表现出绝对优势，因此，将脉冲涡流研究推进到动态轨迹的一步，正如传统涡流研究动态轨迹一样，是一个值得大力关注的方向。

中国专利(公开号：CN101413923A)公开了一种变脉宽激励的脉冲涡流检测方法。该方法采用变脉宽激励，可对被检构件的各区域特征进行检测。中国专利(公开号：CN101581699A)公开了一种基于时间闸的脉冲涡流无损检测方法，用阵列区域内各位置点检测信号在同一时间点的相对幅值数据进行成像处理，以得到被检构件的缺陷信息。上述方法存在如下不足：(1)用时域内的特征量进行信号表征，无法充分利用丰富的频域信息；(2)提离效应对检测的影响很大，不能有效地抑制检测过程中未知的提离干扰。

发明内容

为了克服现有技术之不足，本发明提供一种基于快速傅里叶变换(Fast FourierTransform，FFT)动态轨迹的脉冲涡流检测方法，利用丰富的频域信息，将复频谱特征向量和动态轨迹相结合，能够检测缺陷，并有效抑制检测过程中的提离效应，实现检测速度快、效果好，抗干扰能力强的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设定无缺陷区域：将探头放置在与被检件同材质试块的上表面可判定为无缺陷的区域，且探头无提离；

2)采集参考信号：采集步骤1)中探头的脉冲涡流信号，并保存为参考信号；

3)调试提离高度：提升探头与被检件的上表面之间高度距离；

4)建立纯提离信号数据库：采集无提离及不同提离高度时探头信号，并保存为提离信号，建立纯提离信号数据库；

5)提离信号FFT分解：对纯提离信号数据库中的提离信号进行FFT分解，将分解后的各个谐波频率的幅值和相位信息同时绘制在复平面内，建立针对各个谐波信号的纯提离复频谱动态轨迹数据库；

6)采集被检件的动态扫描信号：将探头放置在步骤3)中所述被检件的上表面待检区域，沿一定方向扫查，在扫查过程中连续采集扫查信号并保存；

7)被检件动态扫描信号FFT分解：对被检件的动态扫描信号进行FFT分解，将不同谐波的动态幅值和相位信息同时绘制在相应频率的纯提离信号动态轨迹复平面内；使被检件各个谐波成分的复频谱动态轨迹图与纯提离信号的动态轨迹图处于同一复平面内；

8)比较被检件动态扫描信号和纯提离扫描信号的轨迹，判断提离及缺陷的存在与大小：观察被检件动态扫描信号FFT分解后的动态轨迹点是否位于提离信号FFT分解后的动态轨迹中的提离为零处，如果是，表明无提离，则只需进行步骤9)通过动态轨迹判断缺陷大小；如果否，表明有提离，则需进行步骤9)及后面的步骤；

9)动态轨迹夹角分析：观察各个谐波下被检件的复频谱动态轨迹与纯提离的复频谱动态轨迹是否有夹角；如果出现夹角，则表明缺陷的存在；

10)如果同时存在提离和缺陷，则采用动态轨迹方法抑制提离，得出无提离时的脉冲涡流检测时域差分信号；首先是将被检件各谐波的动态轨迹进行平移：将被检件各谐波的动态轨迹平移到纯提离信号FFT分解后的相应谐波的复频谱动态轨迹中的提离为零处，得到平移后被检件各谐波的动态扫描信号；

11)平移后被检件动态扫描信号合成：采用快速傅里叶逆变换(IFFT)，对扫描路径上同一个采样点的各次谐波中平移后的轨迹点进行合成，则合成后的信号可抑制提离效应；

12)获得抑制提离效应后的被检件缺陷信号：将上述平移后被检件动态扫描信号中采样点的合成信号减去无提离无缺陷时的被检件参考信号，得到差分信号，用差分信号乘以经验系数，最后得到抑制提离效应后的缺陷信号。

进一步地，所述提离高度是探头下表面到被检件上表面的垂直距离。

进一步地，所述经验系数是由交点距提离零点的距离乘以探头的属性系数α，其公式为：

Κ＝αL；

式中：K为经验系数，α是探头的属性系数。

进一步地，所述交点距提离零点的距离是指交点到提离零点之间的直线距离，其公式为：

式中：交点的坐标为(a,b)，a是交点的横坐标，b是交点的纵坐标；提离零点的坐标为(c,d)，c是提离零点的横坐标，d是提离零点的纵坐标。

进一步地，所述交点是被检件动态轨迹的二项式拟合曲线与纯提离动态轨迹的二项式拟合曲线相交的点。

本发明的有益效果是：借鉴了传统涡流检测阻抗分析的思想，利用脉冲涡流信号频谱丰富的特点，将FFT分解后的幅值信息和相位信息组成复频谱特征向量，并与动态轨迹相结合，通过动态轨迹夹角表征缺陷信息，平移被检件动态扫描信号至提离零点处抑制提离效应。该方法具有检测速度快、效果好，抗干扰能力强的特点，具有实际应用价值。

附图说明

图1是本发明基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法的流程图。

图2a是本发明中探头扫查无缺陷区域时FFT分解后的纯提离时的动态轨迹结果图。

图2b是本发明中FFT分解探头扫查有腐蚀无提离及提离动态轨迹的结果图。

图3a是本发明中提离0.5mm第二层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷的FFT结果轨迹及平移后的轨迹曲线图。

图3b是本发明中提离1.0mm第二层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷的FFT结果轨迹及平移后的轨迹曲线图。

图4a是本发明中提离0.5mm第三层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷的FFT结果轨迹及平移后的轨迹曲线图。

图4b是本发明中提离1.0mm第三层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷的FFT结果轨迹及平移后的轨迹曲线图。

图5a是本发明中提离0.5mm第二层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷提离抑制前后的曲线图。

图5b是本发明中提离1.0mm第二层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷提离抑制前后的曲线图。

图6a是本发明中提离0.5mm第三层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷提离抑制前后的曲线图。

图6b是本发明中提离1.0mm第三层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷提离抑制前后的曲线图。

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，本发明的基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，包括建立纯提离信号数据库104、建立纯提离复频谱动态轨迹数据库106、平移被检件动态扫描信号动态轨迹111及合成平移后被检件动态扫描信号112。

纯提离信号数据库104和纯提离复频谱动态轨迹数据库106的建立过程：

将探头放置在与被检件同材质试块的可判定为无缺陷区域处101，且探头没有提离；采集脉冲涡流信号并作为参考信号102用于后续信号差分。将探头放置在无缺陷处调试提离高度103，然后采集信号并保存为纯提离信号，建立纯提离信号数据库104。提离可以用已知厚度的不导电均匀塑料膜片放在探头和被检件表面之间来模拟。对纯提离信号数据库中的提离信号进行FFT分解105，将分解后的各个谐波频率的幅值和相位信息同时绘制在复平面内，建立针对各个谐波信号的纯提离复频谱动态轨迹数据库106。

当建立了合适数量的纯提离信号数据库和纯提离复频谱动态轨迹数据库后，在检测过程中就可以以此为基础来分析缺陷信号。

缺陷检测及抑制提离效应的过程：

将探头放置在被检件表面待检区域，采集被检件的动态扫描信号107。对被检件的动态扫描信号进行FFT分解108，将不同谐波的动态幅值和相位信息同时绘制在相应频率的纯提离信号动态轨迹复平面内。观察被检件动态扫描信号FFT分解后的动态轨迹点是否位于提离信号FFT分解后的动态轨迹中的提离为零处109，如果是，表明无提离，进行动态轨迹夹角分析110，观察各个谐波下被检件的复频谱动态轨迹与纯提离的复频谱动态轨迹是否有夹角。如果出现夹角，则表明缺陷的存在；返回到采集被检件的动态扫描信号107；如果否，表明有提离，进行动态轨迹夹角分析110，同样观察各个谐波下被检件的复频谱动态轨迹与纯提离的复频谱动态轨迹是否有夹角。如果出现夹角，则表明缺陷的存在。如果同时存在提离和缺陷，首先将被检件的动态轨迹平移到纯提离信号FFT分解后的复频谱动态轨迹中的提离为零处，得到平移后被检件动态扫描信号动态轨迹111。然后，采用快速傅里叶逆变换(IFFT)，对扫描路径上同一个采样点的各次谐波中平移后的轨迹点进行合成，则合成后的信号可抑制提离效应112。最后，将上述平移后被检件动态扫描信号中采样点的合成信号减去无提离无缺陷时的被检件参考信号，得到差分信号，用差分信号乘以经验系数，最后获得抑制提离效应后被检件缺陷信号113。

实施例：以下列举本发明的一个较佳具体实施方式。基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，实施流程如下：

1)首先，将探头放置在与被检件同材质试块的可判定为无缺陷处101，且探头没有提离，采集此时的信号作为参考信号R 102,提离高度逐渐增加103,采集N个提离信号，建立纯提离信号数据库104，并记为{L(n)；n＝0,1,…,N-1}。

例如，提离高度(mm)依次为0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0，产生7个提离信号，n＝0,1,2,3,4,5,6.

2)其次，对纯提离信号进行FFT分解105，将分解后的各个谐波频率的幅值和相位信息同时绘制在复平面内，建立针对各个谐波信号的纯提离复频谱动态轨迹数据库106。

3)然后，对于被检件待测区域的未知缺陷及未知提离的动态扫描信号,执行下面的操作：

①对采集被检件的动态扫描信号107进行FFT分解108，将不同谐波的动态幅值和相位信息同时绘制在相应频率的纯提离信号动态轨迹复平面内。

②比较被检件动态扫描信号和纯提离扫描信号的轨迹，判断是否有提离109，进行动态轨迹夹角分析110缺陷的存在与大小。

③如果同时存在提离和缺陷，将被检件动态扫描信号动态轨迹平移到纯提离信号FFT分解后的复频谱动态轨迹中的提离为零处，得到平移后扫描被检件动态轨迹111。

④采用快速傅里叶逆变换(IFFT)，对扫描路径上同一个采样点的各次谐波中平移后的轨迹点进行合成,得到合成平移后被检件动态扫描信号(合成信号C)112。

⑤计算经验系数，用于补偿合成信号C减去无提离无缺陷时的被检件参考信号R而得到的差分信号，最后获得抑制提离效应后被检件缺陷信号113。

经验系数计算如下：

Κ＝αL；

式中：L为纯提离轨迹和缺陷轨迹的交点距提离零点的距离；K为经验系数；α是探头的属性系数，和具体的探头有关，根据探头和带缺陷试样的检测结果确定；a是交点的横坐标，b是交点的纵坐标；c是提离零点的横坐标，d是提离零点的纵坐标。

然后，将经验系数K带入到如下计算式得到抑制提离效应后的脉冲涡流检测时域差分信号：

S＝K*(C-R)；

式中：S为抑制提离效应后的脉冲涡流检测时域差分信号；C为合成信号；R为参考信号。

图2a示出了依据本发明5倍频(500Hz)的纯提离信号的FFT分解结果，图中的数字是实验点序号。序号增大提离依次增大；图2b示出了依据本发明5倍频(500Hz)，有腐蚀无提离信号(位于1.5mm下第二层的Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷)及纯提离信号的FFT分解结果。“Δ”号是纯提离数据库中的纯提离轨迹上的点，“*”号是腐蚀试件检测时的实验点。

由图2a和图2b可以看出，该种显示是一种类似于传统的阻抗方法的显示，提离轨迹和缺陷轨迹具有明显的夹角，该特征可以用来检测缺陷。不同的谐波频率动态轨迹和缺陷轨迹夹角不同，其中一些谐波频率动态轨迹和缺陷轨迹夹角较大，可用来较好地指示缺陷。具体可较好指示缺陷的谐波频率成分与所用探头的电磁特性和基波频率等有关。在实际检测中，可根据带缺陷试样的检测结果选择确定这些谐波频率。

图3a和图3b示出了依据本发明11倍频(1100Hz),探头在提离0.5mm和1.0mm的情况下，扫描位于1.5mm下第二层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷的FFT结果轨迹及平移后的轨迹，并对各轨迹点进行二项式拟合。黑色“*”号代表有提离时的结果轨迹，并用黑色曲线拟合，序号代表移动的顺序；黑色“+”号代表平移后的轨迹，并用黑色曲线进行拟合。

图4a和图4b示出了依据本发明5倍频(500Hz),探头在提离0.5mm和1.0mm的情况下，扫描位于3.0mm下第三层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷的FFT结果轨迹及平移后的轨迹，并对各轨迹点进行二项式拟合。黑色“*”号代表有提离时的结果轨迹，并用黑色曲线拟合，序号代表移动的顺序；黑色“+”号代表平移后的轨迹，并用黑色曲线进行拟合。

图5a示出了依据本发明提离0.5mm第二层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷扫描轨迹中缺陷正上方幅值最大时采样点的提离抑制前后的差分信号曲线图；图5b示出了依据本发明提离1.0mm第二层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷扫描轨迹中缺陷正上方幅值最大时采样点的提离抑制前后的差分信号曲线图。

图6a示出了依据本发明提离0.5mm第三层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷扫描轨迹中缺陷正上方幅值最大时采样点的提离抑制前后的差分信号曲线图；图6b示出了依据本发明提离1.0mm第三层Φ30mm×0.5mm腐蚀缺陷扫描轨迹中缺陷正上方幅值最大时采样点的提离抑制前后的差分信号曲线图。

由图5a、图5b和图6a、图6b可以看到，对于不同提离高度和不同埋深的腐蚀缺陷信号，提离抑制后的差分信号曲线与原始差分信号具有很高的重合度，提离效应均得到了很好的抑制。

Claims (5)

1.基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设定无缺陷区域：将探头放置在与被检件同材质试块的上表面可判定为无缺陷的区域，且探头无提离；

2)采集参考信号：采集步骤1)中探头的脉冲涡流信号，并保存为参考信号；

3)调试提离高度：提升探头与被检件的上表面之间高度距离；

4)建立纯提离信号数据库：采集无提离及不同提离高度时探头信号，并保存为提离信号，建立纯提离信号数据库；

5)提离信号FFT分解：对纯提离信号数据库中的提离信号进行FFT分解，将分解后的各个谐波频率的幅值和相位信息同时绘制在复平面内，建立针对各个谐波信号的纯提离复频谱动态轨迹数据库；

6)采集被检件的动态扫描信号：将探头放置在步骤3)中所述被检件的上表面待检区域，沿一定方向扫查，在扫查过程中连续采集扫查信号并保存；

7)被检件动态扫描信号FFT分解：对被检件的动态扫描信号进行FFT分解，将不同谐波的动态幅值和相位信息同时绘制在相应频率的纯提离信号动态轨迹复平面内；使被检件各个谐波成分的复频谱动态轨迹图与纯提离信号的动态轨迹图处于同一复平面内；

8)比较被检件动态扫描信号和纯提离扫描信号的轨迹，判断提离及缺陷的存在与大小：观察被检件动态扫描信号FFT分解后的动态轨迹点是否位于提离信号FFT分解后的动态轨迹中的提离为零处，如果是，表明无提离，则只需进行步骤9)通过动态轨迹判断缺陷大小；如果否，表明有提离，则需进行步骤9)及后面的步骤；

9)动态轨迹夹角分析：观察各个谐波下被检件的复频谱动态轨迹与纯提离的复频谱动态轨迹是否有夹角；如果出现夹角，则表明缺陷的存在；

10)如果同时存在提离和缺陷，则采用动态轨迹方法抑制提离，得出无提离时的脉冲涡流检测时域差分信号；首先是将被检件各谐波的动态轨迹进行平移：将被检件各谐波的动态轨迹平移到纯提离信号FFT分解后的相应谐波的复频谱动态轨迹中的提离为零处，得到平移后被检件各谐波的动态扫描信号；

11)平移后被检件动态扫描信号合成：采用快速傅里叶逆变换(IFFT)，对扫描路径上同一个采样点的各次谐波中平移后的轨迹点进行合成，则合成后的信号可抑制提离效应；

12)获得抑制提离效应后的被检件缺陷信号：将上述平移后被检件动态扫描信号中采样点的合成信号减去无提离无缺陷时的被检件参考信号，得到差分信号，用差分信号乘以经验系数，最后得到抑制提离效应后的缺陷信号。

2.根据权利要求1所述的基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，其特征在于，所述提离高度是探头下表面到被检件上表面的垂直距离。

3.根据权利要求1所述的基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，其特征在于，所述经验系数是由交点距提离零点的距离乘以探头的属性系数α，其公式为：

K＝αL；

式中：L为纯提离轨迹和缺陷轨迹的交点距提离零点的距离；K为经验系数，α是探头的属性系数,根据探头和带缺陷试样的检测结果确定。

4.根据权利要求3所述的基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，其特征在于，所述交点距提离零点的距离是指交点到提离零点之间的直线距离，其公式为：

式中：交点的坐标为(a,b)，a是交点的横坐标，b是交点的纵坐标；提离零点的坐标为(c,d)，c是提离零点的横坐标，d是提离零点的纵坐标。

5.根据权利要求4所述的基于快速傅里叶变换动态轨迹的脉冲涡流检测方法，其特征在于，所述交点是被检件动态轨迹的二项式拟合曲线与纯提离动态轨迹的二项式拟合曲线相交的点。