水冷壁管腐蝕脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)處理與成像

邢仁飛，楊 帆,3，付躍文，黃文豐，陶愛(ài)軍，夏志風(fēng)，段建剛

(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063； 2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司， 沈陽(yáng) 110043; 3.中車(chē)廣東軌道交通車(chē)輛有限公司， 江門(mén) 529100)

水冷壁管道長(zhǎng)期處于高溫服役狀態(tài)，極易出現(xiàn)大面積腐蝕，因此需要對(duì)其進(jìn)行定檢以防止更嚴(yán)重的事故發(fā)生[1]。常見(jiàn)的水冷壁管道無(wú)損檢測(cè)方法有遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)[2]、漏磁檢測(cè)[3]、電磁超聲檢測(cè)[4]等。脈沖渦流檢測(cè)(PECT)是一種非接觸式檢測(cè)手段，具有寬頻譜、不停機(jī)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。其檢測(cè)原理為：檢測(cè)線圈激發(fā)初級(jí)磁場(chǎng)，試件中產(chǎn)生的感應(yīng)渦流在有缺陷的狀態(tài)下會(huì)改變流向，導(dǎo)致次級(jí)磁場(chǎng)發(fā)生變化，檢測(cè)線圈接收次級(jí)磁場(chǎng)信號(hào)并以衰減電壓的形式呈現(xiàn)[5],再通過(guò)提取衰減電壓中的特征信息可實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)，而構(gòu)建PECT成像系統(tǒng)對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行可視化，則有助于檢測(cè)時(shí)高效識(shí)別缺陷[6-7]。

為減小檢測(cè)信號(hào)中的噪聲干擾，提升檢測(cè)信噪比以及檢測(cè)靈敏度，研究人員嘗試了改變PECT探頭結(jié)構(gòu)[8]、改善激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的耦合關(guān)系[9]、抑制提離效應(yīng)[10]等方法。在特征提取前，通常需要對(duì)衰減電壓進(jìn)行濾波處理。脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)中的噪聲主要來(lái)源于工頻噪聲與高頻白噪聲，實(shí)際檢測(cè)中其頻帶往往分布在整個(gè)頻率軸上。傳統(tǒng)的移動(dòng)均值濾波[11]以及中值濾波[12]等方法對(duì)部分檢測(cè)信號(hào)中的高頻和低頻信號(hào)濾波效果較差。因此研究人員提出維納濾波[13]、小波濾波[14]等方法，并取得了不錯(cuò)的濾波效果。

在特征提取上，研究人員利用過(guò)零時(shí)間[15]、提離交叉點(diǎn)[16]、峰值時(shí)間[17]、衰減曲線斜率[18]等特征信息進(jìn)行金屬測(cè)厚。將衰減曲線斜率與金屬厚度標(biāo)定進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化是可靠的方法，但實(shí)際工程應(yīng)用中在準(zhǔn)確提取曲線斜率并識(shí)別較小的厚度差別上仍存在難點(diǎn)。

文章通過(guò)定量對(duì)比移動(dòng)均值濾波、中值濾波以及小波濾波在水冷壁管道PECT信號(hào)處理中的信噪比，選取合適的濾波方法；通過(guò)定位有效信號(hào)區(qū)間來(lái)分析提取衰減曲線的有效斜率，設(shè)計(jì)一套可實(shí)時(shí)成像的PECT檢測(cè)系統(tǒng)，其成像結(jié)果清晰，精度高。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 PECT系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)由激勵(lì)設(shè)備、采集卡、水冷壁管試件、掃查架、探頭構(gòu)成(見(jiàn)圖1，2)。激勵(lì)信號(hào)為等寬雙極性方波。采集卡為16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。掃查架尺寸為500 mm×400 mm(長(zhǎng)×寬)，掃查精度為0.1 mm。上位機(jī)與激勵(lì)設(shè)備、采集卡和掃查架使用USB接口進(jìn)行通訊，激勵(lì)設(shè)備與采集卡和掃查架通過(guò)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行同步。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)外觀

1.2 探頭與試件

脈沖渦流傳感器由激勵(lì)線圈與接收單元組成。線圈具有靈活度高，便于設(shè)計(jì)與分析的特點(diǎn)，因此使用線圈作為傳感器的接收單元。探頭實(shí)物如圖3所示。

圖3 探頭實(shí)物

試驗(yàn)使用兩種試件，試件一為水冷壁階梯試件，試件二為缺陷試件。

試件一材料為20鋼，共含6根管道(管道1管道6)，管道內(nèi)有螺紋，水冷壁階梯試件結(jié)構(gòu)如圖4所示。管道中設(shè)置有不同厚度的階梯模擬均勻減薄，詳細(xì)尺寸如表1所示。

圖4 水冷壁階梯試件結(jié)構(gòu)示意

表1 水冷壁階梯試件尺寸 mm

試件二材料為20鋼，壁厚為5.24 mm，外表面設(shè)置有局部減薄缺陷。缺陷尺寸約為15 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬)，缺陷最薄處厚度為3.34 mm，缺陷試件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 缺陷試件結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)據(jù)處理方法

使用小波變換降噪方法對(duì)采集到的水冷壁原始信號(hào)進(jìn)行分析，并與均值濾波法及滑動(dòng)平均方法進(jìn)行對(duì)比，利用信噪比對(duì)3種降噪方法進(jìn)行定量分析。結(jié)合脈沖渦流檢測(cè)原理選取最優(yōu)濾波參數(shù)與方法，使用所提出的斜率提取方法進(jìn)行成像。

2.1 濾波方法

傳統(tǒng)的濾波方法假定信號(hào)和噪聲處在不同的頻帶，通過(guò)對(duì)不同頻率信號(hào)的抑制來(lái)消除噪聲。在脈沖渦流的實(shí)際檢測(cè)中，有效信號(hào)一般表現(xiàn)為頻率較低或者是比較平穩(wěn)的信號(hào)，噪聲信號(hào)多為高頻信號(hào)。小波去噪可以對(duì)有效信號(hào)和噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)值進(jìn)行分離。對(duì)于一個(gè)一維含噪信號(hào)，其模型可以表示為

y(t)=s(t)+n(t)

(1)

式中:y(t)為含噪信號(hào);s(t)為有效信號(hào);n(t)為噪聲信號(hào)。

文章采用小波變換的閾值去噪法，主要步驟如下所述。

(1) 選取合適的小波基函數(shù)，對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波分解，確定合適的小波分解層數(shù)，得到信號(hào)分解后的小波系數(shù)。

(2) 選取最優(yōu)的閾值函數(shù)，確定合適的閾值處理方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

(3) 對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行逆變換，對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，得到去除噪聲的有效信號(hào)。

閾值選擇在小波閾值降噪中起到了重要的作用，如果閾值選取得過(guò)大，將會(huì)去掉部分信號(hào)分量，造成信號(hào)失真；如果閾值選取過(guò)小又會(huì)保留過(guò)多的噪聲分量，無(wú)法有效去除噪聲。文章采用sym6小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行6層分解，并使用軟閾值量化。

2.2 特征提取方法

在脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)中，不同厚度試件的電壓衰減曲線斜率不同。較薄試件的信號(hào)衰減更快，更早到達(dá)噪聲區(qū)，致使無(wú)法分辨每條下降曲線的有效斜率。經(jīng)過(guò)濾波之后的信號(hào)雖然能夠區(qū)分斜率跟厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是由于不同厚度對(duì)應(yīng)衰減電壓信號(hào)的時(shí)域不同，在實(shí)際檢測(cè)中無(wú)法對(duì)掃查信號(hào)進(jìn)行快速成像處理。文章提取斜率方法的主要步驟如下所述。

(1) 使用微分方法計(jì)算每條衰減曲線上每個(gè)點(diǎn)的斜率。

(2) 計(jì)算同一時(shí)間維度下不同曲線斜率的標(biāo)準(zhǔn)差。

(2)

式中:Si為第i個(gè)時(shí)窗的斜率標(biāo)準(zhǔn)差;Xij為第i個(gè)時(shí)窗第j條曲線的斜率;ui為第i個(gè)時(shí)窗所有曲線斜率的樣本均值;N為曲線的條數(shù)。

由于不同厚度曲線斜率的分離時(shí)間不同，斜率標(biāo)準(zhǔn)差隨著時(shí)窗的變化先變大后變小，后期時(shí)窗內(nèi)Si開(kāi)始作無(wú)規(guī)則變化，表明信號(hào)進(jìn)入噪聲區(qū)。設(shè)Si開(kāi)始增大時(shí)的時(shí)窗為T(mén)1，Si減小到最小值時(shí)的窗為T(mén)2。

(3) 計(jì)算T1，T2時(shí)窗時(shí)所有曲線的電壓值，分別求出T1、T2時(shí)窗時(shí)不同曲線電壓值的最小電壓V1與V2。求出每條曲線到達(dá)電壓V1與V2的時(shí)間Tj1，Tj2。[Tj1,Tj2]即為第j條曲線的有效斜率區(qū)間。

2.3 成像方法

設(shè)計(jì)的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)可以利用掃查架按照規(guī)定路線掃查。水冷壁階梯試件與缺陷試件一和二的掃查路線為從左到右，掃查步進(jìn)為2 mm。上位機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)發(fā)送同步信號(hào)給采集卡和掃查架，使掃查同步。階梯試件一按照管道1管道6的順序進(jìn)行掃查，每條管道掃查120個(gè)點(diǎn)；沿表面中線掃查缺陷試件，共掃查100個(gè)點(diǎn)，得到斜率與厚度的關(guān)系，并標(biāo)定斜率大小與厚度，進(jìn)行成像顯示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 濾波結(jié)果

試件原始脈沖渦流信號(hào) 如圖6所示。使用滑動(dòng)平均方法將每點(diǎn)電壓值設(shè)置為相鄰25個(gè)點(diǎn)電壓值的算數(shù)平均值，得到如圖7所示的信號(hào)。使用中值濾波方法將每點(diǎn)電壓值設(shè)置為相鄰25個(gè)點(diǎn)電壓值的中值，得到如圖8所示的中值濾波處理后的信號(hào)。圖9為使用小波閾值降噪處理后的信號(hào)。

圖6 試件原始脈沖渦流信號(hào)

圖7 滑動(dòng)平均處理后的試件檢測(cè)信號(hào)

圖8 中值濾波處理后的試件檢測(cè)信號(hào)

圖9 小波閾值降噪處理后的試件檢測(cè)信號(hào)

取小波降噪濾波后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行中值濾波，得到如圖10所示的信號(hào)，可見(jiàn)，濾波后的信號(hào)噪聲已經(jīng)很小，可用來(lái)代表無(wú)噪聲的脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)。使用信噪比對(duì)3種濾波效果進(jìn)行評(píng)估。滑動(dòng)平均、中值濾波、小波閾值降噪方法的信噪比分別為44，17，70 dB，可見(jiàn)小波閾值降噪的效果要優(yōu)于其他兩種濾波方法的效果。

圖10 小波降噪及中值濾波處理后的試件檢測(cè)信號(hào)

3.2 成像結(jié)果

采集到的每個(gè)周期信號(hào)包含1 000個(gè)有效采樣點(diǎn)，將每個(gè)采樣點(diǎn)與該點(diǎn)后的14個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行一階擬合計(jì)算斜率，該15個(gè)點(diǎn)的時(shí)刻中值設(shè)為該采樣點(diǎn)斜率對(duì)應(yīng)時(shí)刻。以第一個(gè)采樣點(diǎn)為起點(diǎn)依次計(jì)算1 000個(gè)采樣點(diǎn)的斜率，得到9個(gè)厚度對(duì)應(yīng)的電壓衰減曲線的斜率變化曲線如圖11所示。

圖11 9個(gè)厚度對(duì)應(yīng)的電壓衰減曲線的斜率變化曲線

試件不同厚度對(duì)應(yīng)的電壓衰減曲線會(huì)在某個(gè)時(shí)域內(nèi)依次分離，斜率依次發(fā)生改變。計(jì)算同一時(shí)刻不同曲線的斜率標(biāo)準(zhǔn)差，并繪制得到標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化曲線如圖12所示。標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映不同曲線同一時(shí)間斜率的離散程度，離散程度越大說(shuō)明斜率差別越大。取0.001 5 s作為斜率有效區(qū)的開(kāi)始時(shí)窗T1，0.010 4 s作為結(jié)束時(shí)窗T2，之后的時(shí)窗曲線斜率受噪聲的影響開(kāi)始無(wú)規(guī)則變化。

圖12 電壓衰減曲線斜率標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化曲線

求出T1時(shí)窗每條曲線的電壓值并進(jìn)行比較，計(jì)算出的最小電壓值為52 mV，將52 mV作為斜率有效區(qū)間的起始電壓。求出T2時(shí)窗時(shí)曲線的電壓值并進(jìn)行比較，計(jì)算出的最小電壓值為0.68 mV，將0.68 mV作為噪聲區(qū)的閾值電壓，小于該電壓的信號(hào)被視為無(wú)效信號(hào)。

由52 mV和0.68 mV作平行x軸的直線，由此可得曲線斜率的有效區(qū)間(見(jiàn)圖13)。

圖13 電壓衰減曲線斜率的有效區(qū)間

在起始電壓的時(shí)窗與閾值電壓時(shí)窗范圍內(nèi)，線段的斜率即為該曲線的有效斜率。所求斜率絕對(duì)值與厚度的關(guān)系如表2所示，斜率絕對(duì)值與厚度的關(guān)系如圖14所示。

表2 電壓衰減曲線斜率絕對(duì)值與厚度的關(guān)系

圖14 電壓衰減曲線斜率絕對(duì)值與厚度的關(guān)系

經(jīng)小波閾值降噪處理后，試件一的脈沖渦流成像效果如圖15所示，試件二的脈沖渦流成像效果如圖16所示，可從圖中準(zhǔn)確識(shí)別所設(shè)計(jì)的缺陷。

圖15 試件一的脈沖渦流成像效果

圖16 試件二的脈沖渦流成像效果

4 結(jié)論

對(duì)水冷壁管腐蝕脈沖渦流檢測(cè)的信號(hào)處理與成像進(jìn)行了研究。比較了滑動(dòng)平均、中值濾波、小波閾值降噪等幾種降噪方法的濾波效果，并進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明小波閾值降噪的效果要優(yōu)于其他兩種濾波方法。采用了基于斜率的腐蝕定量方法進(jìn)行腐蝕缺陷成像。試驗(yàn)結(jié)果表明所使用的閾值去噪以及對(duì)檢測(cè)信號(hào)的有效斜率特征提取方法可以對(duì)腐蝕進(jìn)行快速成像，所建立的成像系統(tǒng)有利于檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別缺陷。