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交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)具有非接觸測(cè)量、無(wú)需標(biāo)定、數(shù)學(xué)模型精確、對(duì)結(jié)構(gòu)物表面要求低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于海洋結(jié)構(gòu)物的缺陷檢測(cè)。

但是利用ACFM技術(shù)在檢測(cè)海洋結(jié)構(gòu)物時(shí)，探頭提離高度難免會(huì)發(fā)生變化或者受到擾動(dòng)影響，檢測(cè)傳感器很容易引入干擾信號(hào)。傳統(tǒng)的基于信號(hào)特征或者蝶形圖的判別方法可能將干擾信號(hào)作為缺陷信號(hào)，造成缺陷的誤判。同時(shí)，基于信號(hào)特征或者蝶形圖的判別方法要在完成整個(gè)缺陷檢測(cè)后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判定，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)判定與評(píng)估。

針對(duì)以上問(wèn)題，中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心和渤?？滮埩黧w控制設(shè)備(天津)有限公司的研究人員研發(fā)了一種新型交流電磁場(chǎng)裂紋實(shí)時(shí)判定與評(píng)估方法，讓我們來(lái)詳細(xì)了解一下吧。

系統(tǒng)的信號(hào)源基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)，利用AD9850芯片作為信號(hào)激勵(lì)源芯片，結(jié)合8位微控制器AT89S52控制芯片，輸出頻率為6kHz，幅值為1V的正弦激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大加載至激勵(lì)線圈。

檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)線圈在試件表面感應(yīng)出垂直于裂紋的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)發(fā)生畸變，引起空間磁場(chǎng)發(fā)生畸變；檢測(cè)線圈拾取磁場(chǎng)畸變信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸至調(diào)理電路。信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路放大和濾波處理，被檢測(cè)線圈檢測(cè)得到，再經(jīng)過(guò)采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)(PC)。計(jì)算機(jī)通過(guò)工控機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)帶動(dòng)探頭在試件表面掃描。計(jì)算機(jī)內(nèi)部基于LABVIEW和MATLAB軟件編寫(xiě)的智能可視化算法能夠?qū)Σ杉降娜毕菪盘?hào)進(jìn)行分析處理，顯示缺陷特征信號(hào)并對(duì)缺陷危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。

試件為(長(zhǎng)×寬×厚)400 mm×400 mm×20 mm的低碳鋼板，裂紋為電火花加工的矩形缺陷。利用設(shè)計(jì)的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其中一條長(zhǎng)40 mm，寬0.5 mm，深6 mm的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，探頭下方中間傳感器輸出的裂紋信號(hào)如下圖所示：

由圖3可以看出，特征信號(hào)Bx出現(xiàn)波谷，與此同時(shí)，在同樣位置處特征信號(hào)Bz產(chǎn)生方向相反的峰值。特征信號(hào)的畸變規(guī)律與ACFM原理一致，表明設(shè)計(jì)的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)裂紋特征信號(hào)的測(cè)量。

 設(shè)fT(t)為時(shí)域信號(hào)，F(xiàn)T(ω)為fT(t)的傅里葉變換，根據(jù)帕塞瓦爾定理，fT(t)的能量ET可表示為：

式中：Qf為信號(hào)的能量譜(密度)。由式(1)，(2)可計(jì)算出信號(hào)Bx的能量譜。

由圖4可以看出，Bx信號(hào)畸變量峰值區(qū)域大于Bz的信號(hào)峰值區(qū)域，為了使得裂紋長(zhǎng)度的估算擁有更多的安全余量，對(duì)Bx信號(hào)求能量譜，依據(jù)Bx信號(hào)峰值位置對(duì)應(yīng)的能量譜數(shù)值，來(lái)確定裂紋長(zhǎng)度的判定閾值。

位于裂紋區(qū)域的Bx能量譜曲線處于下降狀態(tài)。對(duì)于試驗(yàn)中的40mm裂紋，Bx峰值位置處對(duì)應(yīng)的能量譜閾值為285.8。對(duì)于任意檢測(cè)到的Bx信號(hào)實(shí)時(shí)求能量譜，當(dāng)能量譜數(shù)值小于規(guī)定閾值時(shí)，則可以實(shí)時(shí)評(píng)估裂紋的長(zhǎng)度信息。

表1 不同長(zhǎng)度裂紋的Bx能量譜閾值

利用表1中數(shù)據(jù)，借助MATLAB軟件多項(xiàng)式擬合，得到不同長(zhǎng)度裂紋的能量譜閾值：

可以看出，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，能量譜閾值不斷增大。依據(jù)該特性曲線可根據(jù)裂紋長(zhǎng)度判定要求自適應(yīng)地調(diào)節(jié)能量譜閾值Q的初始設(shè)定值。能量譜閾值Q與裂紋長(zhǎng)度L之間的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系為：

Q=0.0001582L3+0.01601L2+0.08267L+246.7 (3)

由于檢測(cè)線圈進(jìn)入裂紋區(qū)域時(shí)，內(nèi)部的磁通密度方向發(fā)生改變，造成z方向線圈進(jìn)入缺陷時(shí)Bz的相位發(fā)生變化。

如圖6所示，當(dāng)檢測(cè)傳感器進(jìn)入裂紋時(shí)，Bz的相位有兩次翻轉(zhuǎn)突變，Bz相位導(dǎo)數(shù)變化出現(xiàn)三個(gè)峰值，正的峰值位于裂紋的中心，負(fù)的峰值位于裂紋長(zhǎng)度方向的兩側(cè)。

同時(shí)，在檢測(cè)線圈未進(jìn)入裂紋區(qū)域時(shí)，Bz的相位保持恒定，其導(dǎo)數(shù)為0。因此，Bz相位導(dǎo)數(shù)變化屬于裂紋的另一明顯特征信號(hào)，選定Bz相位的導(dǎo)數(shù)作為裂紋實(shí)時(shí)判定的又一依據(jù)。

依據(jù)Bx能量譜和Bz相位導(dǎo)數(shù)閾值的裂紋實(shí)時(shí)判定方法的主要步驟如下：

裂紋長(zhǎng)度是缺陷的關(guān)鍵因素，且裂紋長(zhǎng)度相關(guān)特征信號(hào)在ACFM檢測(cè)技術(shù)中易于提取。裂紋預(yù)警等級(jí)參數(shù)可根據(jù)工程實(shí)際裂紋長(zhǎng)度預(yù)警值設(shè)置，試驗(yàn)將裂紋危險(xiǎn)程度按照長(zhǎng)度分設(shè)為低預(yù)警(20mm以下)、中預(yù)警(20~50 mm)和高預(yù)警(50mm以上)3個(gè)等級(jí)。依據(jù)裂紋判定最終顯示的閾值結(jié)果對(duì)裂紋危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。

基于能量譜閾值和相位導(dǎo)數(shù)的閾值的裂紋判定與評(píng)估軟件界面如下圖所示：

其主要由檢測(cè)平臺(tái)控制模塊、DAQ采集模塊、鎖相放大模塊、特征信號(hào)模塊、閾值模塊和裂紋狀態(tài)評(píng)估模塊組成。檢測(cè)平臺(tái)控制模塊主要用于控制試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，DAQ采集模塊用于設(shè)定信號(hào)采集參數(shù)，鎖相放大模塊主要用于提取Bz相位信息，特征信號(hào)實(shí)時(shí)顯示缺陷的Bx和Bz信號(hào)，閾值設(shè)定模塊用于設(shè)定初始閾值并自動(dòng)更新閾值，裂紋狀態(tài)評(píng)估模塊可根據(jù)閾值參數(shù)對(duì)裂紋危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。

試件為(長(zhǎng)×寬×厚)400 mm×400 mm×20 mm的普通低碳鋼板，裂紋由電火花加工而成，其尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為45 mm×0.5 mm×6 mm。激勵(lì)信號(hào)為幅值1V，頻率6kHz的正弦信號(hào)。

設(shè)定好檢測(cè)臺(tái)架的控制參數(shù)?DAQ采集參數(shù)?鎖相放大參數(shù)和初始閾值，利用檢測(cè)臺(tái)架帶動(dòng)探頭在試件上方沿著裂紋方向以5mm/s的速度掃描激勵(lì)線圈，從而在試件表面感應(yīng)出局部均勻電場(chǎng)，電場(chǎng)經(jīng)過(guò)裂紋發(fā)生畸變，裂紋上方的3個(gè)檢測(cè)線圈將提取磁場(chǎng)信號(hào)畸變量Bx和Bz，Bx和Bz被放大濾波處理，經(jīng)過(guò)采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)內(nèi)部基于LABVIEW軟件編寫(xiě)的鎖相放大模塊提取Bz相位信息，基于LABVIEW和MATLAB軟件編寫(xiě)的缺陷判定與評(píng)估算法對(duì)裂紋進(jìn)行判定與預(yù)警。最終，軟件顯示3個(gè)檢測(cè)線圈拾取的裂紋特征信號(hào)及判定與評(píng)估結(jié)果。

從圖9可以看出，在2號(hào)檢測(cè)線圈位置(中間傳感器)信號(hào)Bx出現(xiàn)波谷，Bz出現(xiàn)相反的峰值，符合ACFM原理的特征信號(hào)。

同時(shí)，軟件基于能量譜閾值和相位導(dǎo)數(shù)判定方法對(duì)2號(hào)檢測(cè)線圈得到的缺陷特征信號(hào)進(jìn)行判定和評(píng)估，結(jié)果顯示危險(xiǎn)等級(jí)為中預(yù)警。由于該裂紋長(zhǎng)度為45mm，屬于裂紋閾值判定算法中的中預(yù)警范圍，可見(jiàn)軟件判定結(jié)果正確。

1號(hào)檢測(cè)線圈測(cè)試的特征信號(hào)較為微弱，Bx和Bz信號(hào)特征出現(xiàn)失真。

3號(hào)檢測(cè)線圈信號(hào)紊亂，看不出缺陷特征信號(hào)。因此2號(hào)傳感器和3號(hào)傳感器無(wú)法顯示缺陷預(yù)警。

交流電磁場(chǎng)Bx信號(hào)能量譜可作為裂紋長(zhǎng)度的評(píng)估閾值；Bz信號(hào)相位在裂紋區(qū)域發(fā)生明顯的翻轉(zhuǎn)?；谀芰孔V和相位導(dǎo)數(shù)閾值的判定方法能夠?qū)崟r(shí)判定裂紋；利用閾值參數(shù)可對(duì)裂紋危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估?；谀芰孔V和相位導(dǎo)數(shù)閾值的ACFM裂紋判定與評(píng)估系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)裂紋的實(shí)時(shí)定量與定位評(píng)估。