脉冲涡流检测的频域分析研究-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告 题目 脉冲涡流检测的频域分析研究专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx 年 3 月 20 日1 选题的依据和意义 无损检测(Nondestructive testing，NDT)技术是发展现代工业必不可少的重要技术措施之一。无损检测是在不损伤原材料和被检测结构构件的前提下，检测构件内在或表面缺陷及有关物理量的综合性应用技术。它在材料加工、零件制造、产品组装乃至产品使用的整个过程中，不仅保证了质量、保障了安全，而且在节约能源及资源，降低成本，提高成品率和劳动生产率方面起到了积极的作用，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平。无损检测技术的应用范围甚广，尤其是在航空维修中，已经成为保障飞机安全、提高飞行可靠性以及延长飞机寿命的重要技术手段。随着航空维修手段的不断提高，无损检测在航空维修中的重要性越来越突显。从一定程度上来说，航空的安危跟无损检测密不可分。 无损检测在航空维修中的最基本应用就是检测飞机结构损伤。飞机损伤大致可分为以下五种1.2：飞机结构零部件生产制造过程中产生的缺陷；飞机在起飞、飞行、着陆过程中，由于某种原因使飞机产生过大的负载造成的结构损伤；日常维护过程中造成的刮伤、撞伤等；由于使用环境所造成的腐蚀损伤；交变载荷所造成的疲劳损伤。这些损伤如果没有得到有效的处理，极易产生裂纹,严重地威胁着飞机的安全。 涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，只能用于导电材料的检测。当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于线圈磁场的作用， 试件会有感应电流产生，这种电流称为涡流。涡流的大小、相位及流动特性受到试件自身各种因素(如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等)的影响。通过观察涡流的特性判断试件性质、状态以及有无缺陷的检测方法，叫做涡流检测。使用涡流检测技术，涡流检测线圈不必与试件紧密接触，不需要耦合剂，检测过程不会影响试件的性能，对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高，在一定条件下，检测信号能反映试件缺陷的信息，因此，对管、棒、线和板材等有很高的检测效率。 脉冲涡流检测技术是近几年发展起来的一种新型的电磁无损检测技术。传统的涡流检测技术采用的是正弦信号作为激励，由于趋肤效应的存在，其对深层缺陷的检测能力受到限制；而脉冲涡流检测技术采用具有宽广频谱的脉冲作为激励，可以同时检测到被测部件中不同深度的缺陷，获得更多的缺陷信息，有利于航空维修，对保障飞机安全有着重要的意义，因而引起众多研究人员的兴趣。 由于脉冲涡流含有丰富的频谱信息，频谱特征量的提取并未得到真正利用。因此对脉冲涡流检测频域分析的研究具有重大的意义。2 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 从检测得到的信号中提取有用的特征量,对缺陷进行有效识别甚至定量分析,在脉冲涡流检测中是非常重要的。早期,对脉冲祸流检测缺陷识别的研究主要是集中在寻找时域上可用作缺陷分类的特征量。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的关系。这些时域特征量如图1所示1。图1 脉冲检测信号时域特征量 脉冲涡流的检测信号中含有丰富的频谱分量。因此，从频域中提取合适的特征量来进行缺陷分类识别也引起了众多研究者的兴趣。近几十年来，国外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(Centre de Genie Electrique de Lyon, CEGELY)在1993年研发了一款基于两个磁传感器的脉冲祸流检测系统3，6,传感器釆用差分分布模式增强系统的检测灵敏度。该系统能够检测出深度为20mm的缺陷。之后,他们通过获取感应信号的峰值、过零时间和最大幅值信号的特征频率,对航空铆接结构中铆钉边缘裂纹的尺寸大小和埋藏深度进行了分析。 （2）、美国依阿华州立大学无损评估中心(Center for Nondestructive Evaluation,Iowa State University)的J. C. Moulder等人对脉冲祸流检测技术的研宄主要集中在对飞机机身结构缺陷的检测。他们釆用两个线圈分别作为激励和检测探头,提取峰值和过零时间作为特征量。实验结果表明峰值主要和腐烛缺陷的大小有关,过零时间和腐蚀缺陷的深度密切相关。2001年,中心在美国空军的支持下,研制了用于对飞机机身结构中出现的腐蚀缺陷进行检测的脉冲祸流检测仪器4。 （3）、英国Newcastle大学田贵云教授带领的团队对脉冲涡流线圈检测的解析法做了深入的拓展，其中采用磁传感器对多层导电结构材料进行试验。采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5.6，该分类算法优于传统的峰值、峰值时间以及过零时间的特征分类；此外，在2005年提出了一种“时间上升点”的信号特征量，研究认为它与电磁波在金属材料中的传播时间有关，可与其他特征(如峰值、峰值时间)相结合，提高了缺陷分类表征的精确度。（4）、2012年NDT & E Int.文献6中，Saleh Hosseini, Aouni A. Lakis应用Rihaczek distribution对脉冲涡流信号进行时频分析，然后应用主成分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，取得较好效果。 我国有很多学者和专家对脉冲涡流检测技术做了大量的科研工作，华南理工大学的王春艳等人对脉冲涡流检测的工作原理、特征提取技术、提离效应消除技术及缺陷分类识别等方面的研究进展进行了综述。国防科技大学罗飞路教授带领的研宄团队釆用脉冲涡流技术对金属表面和亚表面的裂纹缺陷进行尺寸评估,对不同类型缺陷进行分类识别。 然而,时域信号很容易受到测量噪声的影响,造成缺陷分类识别准确性的降低。脉冲涡流检测有着频谱分量丰富的先天优势,因此,对脉冲涡流的时域信号进行适当变换,从频域中提取合适的特征量来进行缺陷分类识别引起了众多研宄者的兴趣。 （1）、国防科技大学的杨宾峰等人对不同深度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,提出了一种叫做“频谱分离劣点”的特征对裂纹进行分类识别,提高了裂纹分类识别的准确度。但这一特征量在实际检测过程中不易准确提取7。（2）、2010年G Yang等人对铝板铆钉孔边裂纹缺陷脉冲祸流检测进行了实验研究,给出了对于该种缺陷的分类识别方法。对孔边三个位置进行检测,用巨磁电阻传感器釆集信号,并多次测量求平均值,结果可用于定性区分上、下表面缺陷。在对信号进行时域和频域分析的基础上,还提出了 Power Spectrum (功率谱)的概念,用作新的特征量。研宄人员对信号进行频域分析后发现能量大多集中在0-50KHZ的范围内,对该段频率信号的幅值进行积分即约等于信号的全部能量。用该特征值能较好地区分不同长、宽的孔边裂纹8。 （3）、2008年，周德强等研究了小波变换在脉冲涡流检测信号中去噪的问题9，采用小波系数去噪对脉冲涡流信号进行了处理，显著提高了缺陷信号的信噪比；2010年，周德强等比较了各种特征处理方法，在频域进行了新的处理，提出了新的脉冲涡流差值信号特征值频谱幅值，对于缺陷进行深度方面的有效分类。 （4）、 2011年,高军哲等人对脉冲涡流检测的频谱分析方法进行了研究10。他们选择周期方波信号作为脉冲祸流检测中的激励信号,对检测信号的幅频特性和相频特性进行了研究,提出了用于缺陷分类的新特征量。结合脉冲涡流检测信号的频谱特点,在幅频谱中,提出谱相对变化量,在相频谱中,提出相位过零点,分别对不同类型缺陷进行分类。3 研究内容和方案3.1 研究内容1.传感器探头的设计和制作2.实验设计，采集实验数据3.对实验数据在频域内进行分析，编写算法3.2 实验方案3.2.1 实验设备 实验探头、被检缺陷试块，实验数据采集系统3.2.2 探头的设计和制作实验探头主要由激励线圈、工字型圆柱形骨架、铁氧体磁芯、TMR传感器4部分组成。激励线圈用来在被测试样中产生涡流，铁氧体用于引导聚集磁场，TMR传感器置于线圈中央下方用于检测磁场。激励线圈绕在圆柱形骨架上。由法拉第电磁感应定律可知，会在被测金属试件表面产生涡流，同时被测试件中又会产生一个由涡流感生出的磁场，从而在磁敏传感器中测量垂直方向上总磁场是激励线圈激发的磁场和试件中产生的感生涡流产生的磁场的叠加。3.2.3 被检缺陷试块介绍本论文腐蚀类型缺陷的被检对象为模拟飞机机身的多层铆接铝结构，材料型号为LY12-T3。试样整体几何尺寸为450 mm400 mm15 mm（长宽高），每层铝板厚度为1.5 mm，共10层，将10层铝板用带螺纹的铆钉和螺栓紧密连接，缺陷试块可放在不同的深度，在缺陷试块上加工了腐蚀和铆钉孔裂纹两种缺陷。腐蚀为圆形状，直径包括30、20、10、5 mm，深度包括0.50、0.40、0.25、0.15、0.10 mm。腐蚀缺陷的尺寸为直径和深度的不同组合。3.2.4试验方法 在实验室已有数据采集系统的平台上，进行纯腐蚀、纯提离、腐蚀加提离3种类型的实验。通过以下步骤来实现以上3种类型的实验：1）采集纯提离信号：探头放在被检试样无缺陷处，首先采集一个参考信号，并保存，然后采集垂直提离高度00.9 mm，间隔为0.1 mm的提离信号，并分别保存；2）采集纯腐蚀信号：腐蚀缺陷放置在第一层时，将探头放在被检试样无缺陷处采集一个参考信号，并保存，然后移动探头至不同腐蚀缺陷上方，找到差分值最大的位置，采集此时的信号并保存。按照上述方法，分别采集和保存腐蚀缺陷放置在第二层和第三层时的信号；3）采集腐蚀加提离信号：按照2）所述方法，将探头垂直提离不同的高度后再进行采集和保存即可；4 目标、主要特色及工作进度4.1 目标 1设计检测探头，掌握相关软硬件的使用，以至于能熟练掌握相关软硬件调试与测量。 2. 建立不同种类信号的数据库，在频域内编写matlab算法，实现对缺陷的分类识别。4.2 主要特色 本课题紧跟脉冲涡流检测技术发展的前沿，着力解决其在实际应用当中面临的主要问题-频域分析。提出新的频域分析的算法，并通过实验进行验证。4.3 工作进度1、 查阅文献资料，翻译英文资料并撰写开题报告; 3月09日-3月20日2、 初步设计脉冲涡流检测探头； 3月21日-4月15日3、 制作实验所用的探头，调试试验系统； 4月16日-4月30日4、分析记录实验数据。 5月04日-5月15日5、根据实验数据，进行数据处理。 5月16日-5月31日6、总结。撰写毕业论文，答辩。 6月01日-6月26日5 主要参考文献1 李岩松.脉冲涡流检测频域特征提取与缺陷表征研究D硕士学位论文，厦门大学20142 Zhiwei Zeng, Yansong Li, Lin Huang and Minfang Luo. Frequency-domain characterization in pulsed eddy current testingJ. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics 2014, 45: 6216253 Lebrun B,Jayet Y,Baboux J C. Pulsed eddy current signal analysis: application to the erimental detection and characterization of deep flaws in highly conductive materials J. NDT&E International, 1997,30(3): 163-170.4Moulder J C, Bieber J A. Pulsed eddy-current measurements of corrosion and cracking in aging aircraft C. MRS Proceedings. Cambridge University Press, 1997,503(1).5Tian G Y Sophian A. Defect classification using a new feature for pulsed eddy current sensors J. NDT&E International,2005,38(1): 77-82.6Tian G Y,Li Y,Mandache C. Study of lift-off invariance for pulsed eddy-current signals J. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 184-191.7 杨宾峰, 罗飞路, 张玉华. 飞机多层结构中裂纹的定量检测及分类识别J. 机械工程学报, 2006, 42(2): 63-67.8Yang ( Tamburrino A, Udpa L, Udpa S S, Zeng Z, Deng Y, Que