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1、涡流无损检测中的定量分析3 孙晓云 路 灿 袁 斌 盛剑霓 (西安交通大学,西安 710049) 摘 要 提出涡流无损检测中定量分析所需考虑的问题,介绍涡流定量检测的方法,包括小波 分析技术、 人工神经网络、 可视化技术及数据库技术等。 主题词 涡流检验 信号处理 定量分析 QUANTITATIVE ANALYSIS FOR EDDY CURRENT NONDESTRUCTIVE TESTING Sun Xiaoyun Lu Can Yuan Bin Sheng Jiann i (Xian Jiaotong U niversity) Abstract The problem s should
2、be considered in the quantitative analysis for eddy current nondestructive testing are put forward.Q uantitative analysis methods are introduced, including wavelet analysis,neural network, visualization and data base methods . Keywords Eddy current testing Signalprocessing Q uantitative analysis 无损评
3、估是保证工业安全生产而建立的一项综 合性的高科技方法,它以无损检测为基础。 评估中缺 陷可分为危险性和无危险性两大类。前者是在运行 中产生的,如表面裂纹,逐步向内发展,导致设备破 裂1。 对这种裂纹必须严密监视,用涡流检测法检测 具有独特的优点。 目前涡流无损检测处于定性分析阶段,要向定 量分析发展,需要考虑的问题有 提高检测的空间 分辨力和测量仪器的灵敏度。 缺陷检测不是一次 检测的直接结果,而需根据一次检测结果进行缺陷 识别。 缺陷识别属于电磁场问题的逆问题,一般来说 无唯一解。需要有先验知识加以约束才能获得实际 缺陷的形状和尺寸。 通过仪器获得的信息难免混 有多种干扰信号,必须将干扰去除
4、到允许范围内,才 能进行识别。 识别有离线识别和在线识别,后者 可加快识别速度,实现实时检测。 便于测试人员 及时了解检测情况或进行必要的人工干预、 原始数 据的校对及缺陷的显示等。 1 激励线圈和探测线圈分离,以提高空间分 辨力 在阻抗变化的涡流检测中,一般都将激励线圈 3国家教育部博士点基金资助项目 和探测线圈合二为一。探头两端的感应电压表征了 线圈所在范围内磁通量的时间变化率,因此空间分 辨力随探测线圈横截面积增大而减小。本课题组提 出将探测和激励线圈分离,且增大激励线圈的体积 和缩小探测线圈的体积。 显然,若将探测线圈缩小到 某一程度可分辨出空间磁场的分布,这样极大提高 了磁场的空间分
5、辨力,可方便地反映缺陷的位置及 大小,我们称之为基于场量分析的涡流无损检测技 术,详细分析方法见文献2。 模拟计算表明,在这种 方法中,要把探测线圈的体积做得足够小,才能提高 空间分辨力。 另外,探测线圈两端的感应电压约在微 伏数量级。 因此必须提高测量仪器的灵敏度,否则难 以达到精确检测的目的。 2 加强模拟计算,为缺陷识别提供先验知识 前面已指出,缺陷识别属于电磁场的逆问题,需 要丰富的先验知识加以约束,才能获得唯一解。 先验 知识的获取,可用实验测定或模拟计算,而且后者与 前者相比可节省大量的人力和物力,还可获得一些 前者无法获得的知识。无损检测系统中的涡流场一 般为三维开域场。用常规的
6、有限元法或边界元法都 需要很大的计算量,用三维有限元法计算时,特别是 当缺陷很小时,所需的计算量更加巨大。 因此本课题 组提出了微扰场的观点,即将由缺陷引起的场定义 591 第22卷第5期 2 0 0 0年5月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 5 M ay 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 为微扰场(用B d, E d 表示 ), 它们等于有缺陷场(用 B s, E s 表示)和无缺陷场(用B 0, E 0 表示)
7、之差,即 B d =B s -B 0 Ed =E s -E 0 现按图1计算有缺陷场B s 和E s, 按图2计算无 缺陷场B 0 和E 0。经严格的理论分析2, 3, 即可获得 如图3、 图4所示的等效系统,用来计算微扰场B d 和E d。 图1 有缺陷场的计算模型 图2 无缺陷场的计算模型 图3 等效系统1 Jeq= -0E s 图4 等效系统2 Jeq= -0E0 可见,原系统中激励线圈的作用已转成等效源 Jeq和Jeq所起的作用。应特别注意的是,等效系统1 中缺陷处的空间已被导电媒质充满,而等效系统2 中仍保持着原始状态,等效系统1中的等效源由E s 确定,无法预知,而等效系统2中的等
8、效源由E 0 确 定,预先可用有限元等方法确定;等效系统1既可用 积分方程计算,也可用有限元法计算,而等效系统2 不能用积分方程计算,但可用有限元法计算。 本课题 组用积分方程法计算等效系统1,用有限元法计算 等效系统2。有限元法对大家来说比较熟悉,这里不 再介绍,下面对积分方程法作简单介绍。 积分方程的一般式为 F=GgdV(1) 式中 F待求量 g激励源 G积分核,由单位源产生的场效应 如在静电场中求电位 ,则F=;如在涡流场中 求电场强度E d, 则F=E d; 如在静电场中激励源为 电荷密度 ,则g=;如在涡流场中激励源为激励电 流密度J,则g=J。如在静电场中,G为单位电荷密 度产生
9、的电位,只有一个分量;如在涡流场中,激励 源只有Jx时,一般来说它能产生三个分量的电场强 度,则G有Gxx,Gxy和Gxz三个分量;如激励源还有 Jy和Jz,则G有九个分量,称之为并矢。 并矢的一般 定义为 G= i j Gijeiej (i,j= 1, 2, 3) 可用矩阵表示 G= GxxGxyGxz GyxGyyGyz GzxGzyGzz (2) 涡流场系统不同,G的表达式也不同。 本课题组 计算了平板和圆柱导体中有缺陷状态下的三维涡流 场,G的表达式都非常复杂3, 4。 下面介绍图1所示系统中理想缺陷状态下的积 分核的计算方法。 所谓理想缺陷,即缺陷的宽度相对 于长度和深度可以忽略不计
10、。这样的缺陷退化为面 缺陷,等效源只有一个分量且和该缺陷面垂直。 设缺 陷位于yz平面内,则其等效源只有x方向的分量, G只有三个分量Gxx,Gxy和Gxz,积分方程的矩阵形 式为 E d (r) = Gxx Gxy GxzTJeqx(r ) 一般积分式为 E d (r ) = GJeqxdS(3) 式中 S0理想缺陷所在的面积 在理想缺陷的表面,电流无法穿过,即 J 总 n=(E 0 +E d) i= 0 因此,在缺陷面S0上,上式可写成 E 0 x= S0G xxJeqxdS(r) E 0 x是系统中无缺陷时的电场,可方便地应用有 限元法或边界元法确定。Gxx的表达式参见文献5。 应用边界
11、元法即可求解出缺陷面上的等效源Jeqx, 在此基础上,可计算涡流场中各点的涡流密度。 使用互易定理,探头中的阻抗变化量有两套计 算公式5 691 孙晓云等:涡流无损检测中的定量分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 Z= - 1 I 2 coilE d(r) Js(r )d V= - 1 I 2 crackE 0 JeqdV 式中 Js激励线圈中的电流密度 Jeq等效电流密度 第一式中积分范围为绕组所在体积,而第二式 中积分范围是缺陷所在体积
12、,对理想缺陷只需进行 面积分,因此可大大减少计算时间。 上面介绍的G称为电型并矢函数,只有一个分 量的并矢函数称为格林函数。 同理,可计算出磁型并 矢函数(即由单位源产生的磁场 ), 可根据缺陷面上 的等效电流源Jeqx计算提离面上的磁场分布。 图57中的曲线都是按上述方法计算得来的。 图5和6上缺陷的端点都对应着磁场的局部极大值 点,这可作为识别缺陷的先验知识。对长缺陷而言, 图7中每一曲线的两肩之间的距离对应着该缺陷的 图5 裂纹长度与扰动磁场Bz的关系 图6 离得很近的两条裂纹 图7 缺陷长度不同时的幅值分布曲线 长度,而对于短缺陷,则找不出特征量可以作为识别 缺陷长度的先验知识。 如果
13、有两个相距很近的缺陷, 则在阻抗曲线上更加无法找出明显的特征量来分辨 两缺陷的端点。 可见,基于场量分析的涡流无损检测技术与基 于阻抗分析的检测技术相比较,其空间分辨力要高 得多。 3 加强信号处理,引入小波分析技术 小波分析是当代信号处理的新技术,比傅里叶 分析有效。傅里叶分析中的基函数都是正弦或余弦 函数,因而是整域基。 变换后信号的频率特征与时间 域或空间域(统称为时域)中- +范围内的信 息都有关。 也就是说,某一频率范围内的特性并不能 反映时域特定范围内的特性。但小波分析的特点不 同,基函数的形式多样化,决定了性能的多样化,但 理论分析较为困难;并且基函数是作用域长度可变 的局域基,
14、一般将作用域长度大的称为大尺度,作用 域长度小的称为小尺度。尺度分析可对信号在小范 围内的微小变化进行分析,即可分析信号的高频分 量。 而大尺度分析可用于分析信号的缓变部分,即可 分析信号的低频分量。 小波分析按多个尺度同时分析同一信号,称为 多尺度或多分辨力分析。每一尺度相当于一定带宽 的滤波器。 分析高频特性的称之为高频滤波器,反之 称为低频滤波器。 在无损检测中,经常需要对信号进行去噪和边 缘检测。 前者除去测量信号中存在的各种噪声,为缺 陷定量识别提供依据。信号边缘点是指信号幅度发 生突变的点,对应于信号一阶导数的局部模极大值 点或二阶导数的过零点。用小波多尺度分析对信号 进行去噪和边
15、缘检测效果很好。 现以去噪为例介绍小波多尺度分析在无损检测 中的应用。图 8b 反映了图 8a 所示信号的四个尺度 上的分析结果。小尺度分析时,反映信号的高频特 性,随着尺度的增大,逐步反映信号的低频特性。可 见,在不同的横坐标处,出现相应的局部模极大值, 其分布特性基本上可分为两大类,一类是随尺度增 大,局部模极大值幅值逐步减小,且发生的位置也无 规律性,反映了信号的随机性,即噪声;另一类幅值 变化不大,发生的位置基本固定,它们反映了信号的 固有特性。 处理时,删去对应于噪声的局部模极大值 而保留对应于信号固有特性的局部模极大值,如图 8c 所示。再将保留的局部模极大值进行信号重构, 即可获
16、得去噪后的有用信号,如图 8d 所示。 791 孙晓云等:涡流无损检测中的定量分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 (a)内壁缺陷的测试曲线 (b)原始信号的小波分解曲线 (c)局部模极大值曲线 (d)除噪后的有用信号 图8 用小波多尺度分析进行去噪的各步骤曲线图 4 人工神经网络在定量涡流检测技术中的 应用 人工神经网络是一个集知识表示、 存储和计算 功能为一体的插值系统,从理论上说,用它进行定量 识别是完全可能的。它的知识是通过样本训练
17、自动 获取,然后分散存储在网络的结构中,在识别计算中 按并行方式进行,与专家系统相比,由于专家系统的 匹配过程是按串行方式进行,所以神经网络的识别 速度要快得多,可用于实时检测系统,而且其知识获 取能力也较专家系统要强得多3。 神经网络的训练速度和神经元数量有关。输入 特征量愈多,神经元数量愈多,所需的样本数愈多, 训练一次的时间也愈长。所以减少描述涡流检测信 号特征量的数目是十分必要的。本课题组曾用 Fourier描述子提取信号的特征量,一般需用8个系 数作为特征量。现改用小波分析中的局部模极大值 及其对应位置作为检测信号的特征量,在基于阻抗 分析的检测中,如图7所示,我们用每个肩点左右两
18、侧的局部模极大值作为特征量;而在基于场量分析 的检测中,我们把场量幅值分布曲线中的局部模极 大值作为特征量,如图5和图6所示,一个局部模极 大值对应着缺陷的一个端点,这样,减少了特征量数 目,输入层的神经元个数也相应地减少了。 我们提供一个用阻抗曲线的特征值作为输入来 识别缺陷长度的示例。 用20组数据作为训练的样本 集,识别的缺陷长度范围是1626mm,用三层网 络,输入量为阻抗的局部模极大值幅值,输出量为缺 陷的长度,隐含节点数为10,训练精度为 1E - 5。 所得 识别长度与实际长度的对比关系如附表所示。 附表 缺陷长度的实际值与识别值的对比 实际值 mm 识别值 mm 相对误差 %
19、实际值 mm 识别值 mm 相对误差 % 16. 516. 551- 0. 312019. 8260. 87 17. 517. 623- 0. 702221. 960- 0. 18 18. 018. 084- 0. 472424. 071- 0. 30 19. 519. 823- 1. 662626. 176- 0. 68 5 可视化技术和数据库技术在涡流无损检 测中的应用 可视化自从80年代成为一门独立的学科以来, 已得到迅速发展。可视化可贯彻于涡流无损检测的 整个过程。 如测试系统的尺寸给定后,屏幕上即可看 到该系统的立体图形以便校对输入数据正确与否。 Bz,Jx,Jy及 Z的幅值和相位对
20、一维坐标的变 化可用一维曲线表示,对二维坐标的变化,我们用二 维半空间曲面表示,该曲面可以旋转,以便为缺陷定 位获得初步的定量结果,如图9所示。然后,对被测 信号进行小波多尺度分析,屏幕上可显示各种尺度 下的分析结果、 除噪信息及局部模极大值分布,以便 定性了解缺陷尺寸。定量分析结果可直接从屏幕上 891 孙晓云等:涡流无损检测中的定量分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 (a)观察者与裂纹长度平行时的B d z(x,y)分布曲线 (b)B
21、 d z(x,y)沿顺时针旋转45 时的分布曲线 图9 二维半空间曲面显示图 读取,也可结合先验知识通过系统软件获得,最后结 果及被测系统都可在屏幕上显示。 可视化可分平面显示和立体显示两大类。平面 显示的算法比较成熟;立体绘制技术是当代可视化 技术中的热门课题,也是一门难度较大的技术。 它既 可绘制立体的机械结构,也可绘制三维物理场的分 布,更重要的是,它既可显示结构的外形,又可显示 内部结构,也可重点显示其中任一部分。 目前该技术 在医学上使用得较多,在工业领域尚不多见。 特别是 物理场的三维显示,目前尚未见到满意的结果,已有 的方法是用不同截面上的等位线来表示空间电位的 分布,但缺乏立体
22、感。 本文用空间曲面上的等位面分 布来描述场的三维特性,加强了立体感(图10),具 体算法见文献6。 由此可见,在涡流无损检测过程中,存在着很多 图形信息,有必要将它们保存和管理好,以便今后查 看和修改。这时数据库技术可以大显身手。 图10 物理场的三维显示图 6 结束语 目前,涡流无损检测已应用于很多工业领域,并 获得了良好的经济效益。 其硬件水平较高,但由于很 多新技术没有应用到检测系统中,所以基本上还是 处于定性检测阶段。 本课题组经过近几年的研究,在 有关技术方面都获得了进展,可使新一代涡流无损 检测技术从定性检测转化到定量检测,提高检测水 平和可视化程度。 参考文献 1 骆庆裕.在用
23、小型薄壁压力容器安全评估技术.无损检 测, 1998, 20(12): 340- 342 2 陈德智.基于场量分析的涡流无损检测技术.无损检测, 1999, 21(6): 241- 244 3 唐 磊.涡流无损检测中体积分方程法及缺陷重构智能 系统研究: 博士学位论文.西安:西安交通大学, 1997 4 段耀勇,盛剑霓等.矢量渐进边界条件在涡流检测微扰模 型中的应用.无损检测, 1999, 21(5): 193- 195 5 陈德智.涡流无损检测中数值模拟与信号处理研究: 博 士学位论文.西安:西安交通大学, 1998 6 郑 镁,孙燕妮.物理场中多等值面的快速绘制.西安交 通大学学报, 19
24、99 收稿日期: 1999209230 无损检测理化检验物理分册、 化学分册 征 订 启 事 邮局已开始办理2000年下半年度报刊收订,请 无损检测理化检验物理分册 和 理化检验化学分册 的新老读者尽快到就近邮局办理订阅手续,上述刊物订价均为每 册6元,邮局订阅代号分别为42 237( 无 ), 4 2 183( 物)和42 182( 化)。 上半年漏订者请速与上海材料研究所期刊发行处联系补购,联系地址:上海市邯郸路 99号,邮编: 200437,电话: (021)654207752311。 991 孙晓云等:涡流无损检测中的定量分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载