脉冲涡流检测的频域分析研究.pdf

1、XX 大学毕业设计毕业设计(论文论文)题题目：目：脉冲涡流检测的频域分析研究脉冲涡流检测的频域分析研究学学院院：测控与光电工程学院测控与光电工程学院专专业：业：测控技术与仪器测控技术与仪器姓姓名：名：学学号：号：指导教师：指导教师：二二xx 年六月年六月脉冲涡流检测的频域分析研究摘要：脉冲涡流检测采用脉冲激励，能够检测到不同深度的缺陷，获取更为丰富的缺陷信息，对保证飞机安全也有着非凡的意义，因此引起了众多研究人员的兴趣。脉冲涡流含有非常丰富的频率谱信息，因此脉冲涡流检测频域分析的研究具有重大的意义。本论文首先设计、制作了脉冲涡流检测频域分析所需要的圆形探头，在被检缺陷试块上采集脉冲涡流检测信号

2、。论文对采集的信号通过 FIR 滤波、IIR 滤波以及小波进行降噪方面的研究，比较了三种去噪方法，最后选取了去噪效果更好的小波去噪方法对检测信号进行去噪。论文接着对时域的缺陷信号进行差分处理，然后再对差分处理过的时域信号利用MATLAB 编写分析算法进行傅里叶变换，进行频谱分析方面的研究。分析了不同频率对腐蚀缺陷信号的影响。通过分析发现低频分量有利于检测深层缺陷，高频分量有利于检测浅层缺陷。关键字：脉冲涡流检测 腐蚀缺陷 频域分析Frequency domain analysis of pulsed eddy currenttestingAastract:Pulsed eddy current

3、 testing using pulsed excitation,able to detect defects atdifferent depths,get richer defect information,to ensure the safety of the aircraft also has aspecial significance,and therefore aroused the interest of many researchers.Pulsed eddy current frequency spectrum is very rich in information,so re

4、searchpulsed eddy current testing frequency domain analysis is of great significance.In this thesis,the design,production of the circular probe pulsed eddy current testingfrequency domain analysis required to collect pulsed eddy current testing signal defect inthe subject test block.Thesis for signa

5、l acquisition through FIR filtering,IIR filtering,and wavelet researchnoise reduction,comparing the three de-noising method,and finally selected denoisingmethod the detection signal de-noising.Then the paper defect differential time domain signal processing,and then treated thedifference time-domain

6、 signal analysis algorithms using MATLAB prepared Fouriertransform,spectral analysis of the study.The effects of different frequencies of corrosiondefect signal.The analysis revealed that low-frequency component is conducive to deepdefect detection,detection of high frequency components in favor of

7、shallow defects.Keywords:Pulsed eddy current testingCorrosion defectsFrequency domain analysis目录1引言1.1 选题的依据和意义.11.2 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）.21.2.1 国外研究现状.21.2.2 国内研究现状.31.3 本论文主要研究内容及结构安排.41.3.1 本论文主要研究内容.41.3.2 本论文结构安排.42脉冲涡流检测原理2.1 趋肤效应.52.2 提离效应.72.3 脉冲涡流检测的工作原理简介.73脉冲涡流检测平台与传感器设计3.1 脉冲涡流检测系统.93.2 探

8、头的设计和制作.113.3 被检缺陷试块设计.124 脉冲涡流检测信号的去噪处理4.1 信号去噪.144.2 低通滤波.144.2.1 FIR 低通滤波器.144.2.2 IIR 低通滤波.144.2.3 小波去噪.144.2.4 不同去噪方法比较与讨论.155 脉冲涡流检测的频域分析研究5.1 快速傅里叶变换法.165.2 频率对不同提离高度的缺陷信号的影响.195.3 频率对不同缺陷层的信号的影响.195.4 频率对不同深度的缺陷信号的影响.225.5 频率对不同大小缺陷信号的影响.236 结论与展望6.1 结论.256.2 展望.25参考文献.26致 谢.27附录.281脉冲涡流检测的频

9、域分析研究脉冲涡流检测的频域分析研究1 1引言引言1.11.1 选题的依据和意义选题的依据和意义无损检测(Nondestructive testing，NDT)是一门非常综合性的学科。它利用声光电磁等和物质的相互作用，指在不损坏检测对象使用性能的前提下，检测其内部或表面缺陷的综合性的应用技术。它在材料的加工、零件的制造、产品的组装乃至产品使用的整个过程中，发挥着重要的作用。对保证工件质量、保障生产安全、节约资源、提高劳动生产率方面起到了非常重要的作用。随着现代工业和科学技术的发展，该技术越来越多的发挥着重要作用，同时反映着该国家的工业和科技的发展水平。该技术的应用范围比较广泛，特别是在航空维修

10、中，已经成为保证飞机安全、增加飞行可靠性以及提高飞机寿命的重要技术手段。随着航空维修的不断提高，无损检测的重要性越来越重要，从某种程度上来说，航空工业的安危与无损检测密切相关。检测飞机结构的损伤是无损检测在航空工业维修中最基础的应用。飞机损伤一般可分为以下五种情况1：在飞机零件的生产制造过程中，结构零部件产生的缺陷；负载过大造成的结构损伤；因刮擦、碰撞造成的损伤等；环境原因所造成的腐蚀损伤；载荷过大造成的疲劳损伤。如果不能及时有效的处理这些损伤，非常容易产生裂纹,飞机的安全就会受到严重地威胁，造成惨痛的事故。涡流检测是以电磁的感应原理为基础，故一般只能用于检测导电材料。当载有变化电流的检测线圈

11、接近导体工件时，在工件中会感生出感应电流，这种电流称为涡流。工件的电导率（）、磁导率（）、形状、大小、尺寸和缺陷等一些自身因素影响着涡流的相位、大小和流动形式。我们可以通过观察涡流的特点来判断工件的状态以及有无缺陷，这种检测方法，叫做涡流检测。利用涡流检测技术，涡流检测线圈不用与试件接触，也不用耦合剂，检测过程中也不会影响工件的性能。另外在一定条件下，对工件中缺陷的信息检测信号能够很好的反映出来，而且对管、棒、线和板材等有较高的检测效率。一般的涡流检测技术选取的激励信号是正弦信号，但是由于趋肤效应（集肤效应），深处的缺陷检测效率比较低；而脉冲涡流检测采用的激励是脉冲，能够检测到不同位置不同深度

12、的缺陷，能够获取更为丰富缺陷信息，对于工业的发展发挥了重要的作用，同时对保证飞机安全也有着非凡的意义，因此引起了众多研究人员的兴趣。2尽管脉冲涡流含有非常丰富的频率谱信息，但对频率谱特征量的利用并未引起相关工作者的重视，因此脉冲涡流检测频域分析的研究具有重大的意义。1.21.2 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）从检测中得到的信号可以提取有效的特征量,对缺陷进行有效识别甚至定量、定性分析,在脉冲涡流检测中是非常重要的。起初对脉冲涡流检测缺陷识别的研究，主要集中时域上寻找可以用来作为缺陷分类的特征量。如对瞬态感应电压进行差分处理(被检工件有缺陷与无缺陷情

13、况下的检测信号相减)后,取差分信号的峰值、峰值时间以及过零时间等信息作为特征量,分析这些特征量与缺陷的形状、大小以及深度等信息之间的联系。这些时域特征量如图 1.1 所示1。图 1.1 脉冲检测信号时域特征量1.2.11.2.1 国外研究现状国外研究现状脉冲涡流的检测信号中含有非常丰富的频谱分量。因此，从频域中提取合适的特征量对缺陷进行频域分析来引起了众多研究者的关注。近三十年来，国外科研工作者在检测方法和信号处理方面取得了大量的研究成果：（1）法国里昂电气工程中心在 1993 年利用磁传感器研发了一套脉冲涡流检测系统2，3,与一般涡流检测系统的传感器不同的是，其采用釆用的是差分分布模式，明显

14、的提高了系统的检测灵敏度。该系统能够检测出深度为 20mm 的缺陷。之后,他们利用3所得到的感应信号的峰值、过零时间和最大幅值信号对应的频率,对铆钉边缘裂纹的尺寸大小形状及深度进行了分析研究。（2）美国依阿华州立大学无损检测评估中心的 J.C.Moulder 等人的研究重点集中在对飞机整个机身结构中的缺陷检测。对于脉冲涡流检测，他们的激励探头和检测探头,釆用的是两个线圈，通过选取峰值和过零的时间来作为特征量。实验结果表明峰值主要和腐蚀缺陷的大小及腐蚀缺陷的深度密切联系3。（3）田贵云教授所在英国纽斯维尔大学的研究团队，完成了对脉冲涡流线圈检测的解析法的研究，他们通过采用磁传感器来对多层导电结构

15、材料进行试验。选用主成分分析法提取信号特征量，对表面、近表面的缺陷分类识别4,5。（4）2012年NDT&E Int.文献5中，Saleh Hosseini,Aouni A.Lakis应用Rihaczekdistribution对脉冲涡流信号进行时频分析，然后分析压缩数据得到特征量，用于分类，进行飞机多层结构层间腐蚀的检测，取得了较好效果。1.2.21.2.2 国内研究现状国内研究现状我国也有很多学者和专家对脉冲涡流检测技术也做出了大量的科研工作，例如国防科技大学的罗飞路教授带领的科研团队则通过釆用脉冲涡流技术对金属表面和近表面的裂纹缺陷进行了尺寸评估,对不同类型缺陷进行分类识别。然而,由于测

16、量噪声容易影响时域信号,这样就会降低缺陷分类识别的准确性。脉冲涡流检测有着频谱分量的巨大优势,因此可以对脉冲涡流的时域信号进行适当的相关变换,许多研究人员对于缺陷的频域分析产生了很大的兴趣。（1）国防科技大学，杨宾峰等人对深度不同的上表面和下表面缺陷信号进行快速傅里叶变换,充分利用脉冲涡流信号的频域信息,对裂纹的进行分类识别，提出了一种叫做“频谱分离劣点”的方法,裂纹分类识别的精确度得到了提高6。（2）2010 年 G Yang 等人实验研究了铝板铆钉孔边裂纹缺陷的脉冲涡流检测,对于该种缺陷给出了分类识别方法。检测了孔边的三个位置,用巨磁电阻传感器来釆集信号,并通过多次测量来求平均值,结果可对上、下表面缺陷进行定性区分。以信号的时域和频域分析为基础,还提出了功率谱的概念,作为新的特征量。对信号进行频域分析后，研究人员发现能量大多集中在 0-50KHZ 的范围内,然后对该段频率信号的幅值进行积分得到信号的全部能量。用该特征量能够较好地识别不同长度和宽度的孔边裂纹7。（3）2008 年周德强等人研究了在脉冲涡流检测信号中利用小波变换去噪的问题8，对脉冲涡流信号采用小波去噪进行了处理，缺陷信