（机械设计及理论专业论文）钢球表面裂纹涡流检测的信号处理.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 铡球是机械传动中的基础件，用量巨大，目前用户要求钢球检验的质量达到 “零缺陷”。电涡流检测是五大常规无损检测方法之一，检测方便、快捷。本文对 无损检测方法进行分析与比较，在几种方法中优选了电涡流检测方法，用于钢球 表面裂纹检测，并提出了基于虚拟仪器的电涡流无损检测方法，并据此来设计检 测系统的软件。 本文利用涡流检测理论，完成了钢球表面裂纹检测阻抗分析与计算，分析了 各种影响涡流检测的因素和钢球裂纹的基本形式，设计了涡流检测装置。 涡流检测信号微弱，识别困难，必须采取有效的方法对信号进行处理。本文 针对检测信号的特点，提出了采样和预处理方法；将小波变换理论引入涡流检测 信号去噪中，讨论了包括强制闽值法，默认闺值法，给定阈值法等小波阈值去噪 处理方法。在进行编程实现，对比三种方法去噪结果的基础上，优选了给定软阈 值去噪法，有效的去除检测中的高频噪声。 本文研究了钢球缺陷识别方法，利用高通数字滤波器，实现了钢球缺陷的识 别，达到对钢球表面裂纹的定性检测，从而对钢球进行质量评估。并将虚拟仪器 技术引入课题，设计了涡流检测系统，其具有采集、分析、存储和结果显示等功 能。该系统便于信号的快速处理，为钢球的快速检测提供了可行的方案。 关键词：涡流检测，信号处理，小波变换，虚拟坟器 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h es t e e l b a l l sa r et h eb a s i cp a r t si nm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na n da r e u s e dl a r g e l y , t h ez e r o d e f e c t i v ei sd e m a n d e do nt h ec o n t r o lo fs t e e l b a l l s q u a l i t ye d d y c u r r e n tt e s t i n gi so n eo ft h ef i v em a j o rr o u t i n en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s ，a n di ti s c o n v e n i e n ta n ds w i f tt ot e s t b ym e a n so f t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h e n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，w ec h o o s et h ee d d yc u r r e n tt e s t i n gm e t h o da m o n gs e v e r a l d e t e c t i n gm e t h o d sa n du s ei tt od e t e c tt h es t e e l b a l l s s u r f a c ef l a w i th a sb e e np u t f o r w a r dt h a tt h ew a yo ft h ee d d yc u r r e n tn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gb a s e do nt h ev i r t u a l i n s t r u m e n tt od e v e l o pt h es t e e l b a l l s s u r f a c ef l a wd e t e c t i n gs y s t e m b vm e a n so ft h et l l e o r yo fe d d yc u r r e n tt e s t i n g ，t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h e e d d yc u r r e n tt e s t i n ga r ep e r f o r m e d ，a n db a s e do nf e a t u r ei n f l u e n c i n gt h et e s t i n ga n d t h e d i f f e r e n tp o s i t i o no ft h es t e e l b a l l s s u r f a c ef l a w i nt h em a g n e t i cf i e l do ft h e a l t e r n a t i n g - c u r r e n to ft h et e s t i n gw i r e t h ei n s t r u m e n to ft h ee d d yc u r r e n tt e s t i n gi s s t a t e d t h es i g n a l so fe d d yc u r r e n tt e s t i n ga l es ow e a kt h a ti ti sd i f f i c u l tt oi d e n t i f yt h e s i g n a l s ，s om o r ee f f e c t i v es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o dm u s tb ea d o p t e dt od e a lw i t ht h e s i g n a l s w a v e l e ta n a l y s i si su s e dt op r o c e s ss i g n a l so ft h ee d d yc u r r e n tt e s t i n gf o rt h e s u r f a c ef l a wo fs t e e lb a l l ss oa st od e n o i s ea n dr e i n f o r c es i g n a lc h a r a c t e r , s ot h a tt h e q u a l i t a t i v et e s t i n gi sa c h i e v e dt oc a r r yo nt h eq u a l i t ye v a l u a t i o nt ot h es t e e lb a l l d e p e n d i n go nt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mh a s b e e n d e s i g n e da n dt h ea n a l y s i s ，s a v e ，t h eo ft h es t e e l - b a l l s s u r f a c ef l a wd e t e c t i n gh a sb e e n a c h i e v e d n es y s t e mi si nf a v o ro ft h es i g n a l sf a s tp r o c e s s i n ga n da l s op r o v i d et h e f e a s i b l es c h e m eo ff a s tm e a s u r et ot h es t e e l b a l l s k e y w o r d s ：e d d y c u r r e n tt e s t i n g ， s i g n a lp r o c e s s i n g ， w a v e l e tt r a n s f o r m ， v i r t u a li n s t r u m e n t 1 1 溯彬j 堂大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夸1 f 7 1日期：z 吒年月召日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：夸巾n 日期：口。6 年6 月目日 指导教师签名：吴主队乃 日期：2 0 0 # - 6 月鼋日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的目的和意义 钢球产品是轴承关键传动部件，轴承的质量很大程度上是取决于钢球的质量， 轴承的可靠性6 0 信赖于钢球的可靠性。现在，用户对产品的可靠性要求越来越高， 特别是在汽车、航空、国防、精密仪器等要求可靠性的高的领域，要求产品达到 “零缺陷”。我国钢球制造企业采用的人工按比例抽测的方法，已经远远不能适应 用户的要求，因为用户要求1 0 0 产品都必须符合质量要求，必须对整个产品进行 全检；用户不但要求表面质量，如杜绝表面裂纹、黑点、划伤、空洞小碰伤、小 擦伤等明显伤痕，而且对内部的质量( 如裂纹) 也有严格的要求，以满足整个系统 的可靠性。 我国的钢球企业通过多年的技术积累，形成了庞大的钢球企业生产群体，生 产的产品质量已经达到或超过进口产品，但由于没有对钢球产品进行全检，困产 钢球在可靠要求高的领域如汽车、航空、国防、精密仪器等领域没有竞争优势。 目前我国众多的国内企业在低价格上争夺国内市场，而另一方面又大量进口高价 格的钢球产品以满足可靠性高的产品领域。 入世之后，国内的市场的进一步开放，原来的价格优势不再存在，进r 钢球 的全检高质价格适中，会对国产钢球产生巨大的冲击。因此钢球行业必须配备检测 设备，解决钢球企业发展的瓶颈检测能力的提高，以实现对全部钢球产品的 无损检测。 通过对钢球无损检测的研究，开发出具有自己独立知识产权的钢球无损检测 仪，填补国内没有钢球无损检测设备的空白，打破国外检测设备的垄断，降低检 测设备的价格，使该技术在企业得到全面推广。从而提高钢球及相关产品的国际 市场竞争力，提高产品的附加值。 1 2 国内外研究现状 国外对钢球类精密配件的检测研究起步较早，已经研发出对钢球进行精确检 测的仪器，并在钢球企业得到了广泛的应用。如捷克产a v i k ok 1 0 1 4 e 型涡流钢 球内外探伤仪，带有分叉式检测探头，可检测的钢球直径范围0 9 5 2 5 1 4 2 8 8m m 。 其对中9 5 2 5 m m 钢球检测速度达到2 0 9 0 0 耗l , j 、时，随着被测钢球直径的增大，检 湖北工业大学硕士学位论文 测速度减小，对中1 4 2 8 8m m 钢球速度为1 3 2 5 0 粒小时。每台价格高达7 0 万元， 而且还有大量的维护费用，国内企业无力大批引进此类昂贵的设备”1 。 目前国内钢球厂家的钢球表面质量检测还足人工按比例抽检为主，检测方法 是按传统的灯检，将钢球置于显微镜下放大1 0 0 倍，再与标准照片目视对照，这 种人工检验方法无疑需要大量人力，劳动强度大，生产效率低，而且结果易受检 查人员技术的素质、经验、肉眼分辨能力和疲劳等因素的影响，无法保证钢球质 量的可靠性。 - 国内航空、冶金和有色金属等部门己经采用涡流法来检测成型金属管( 棒) 材 的表面缺陷组织技术队伍研制涡流管材探伤设备。如西安理工大学研制的基于 d s p 的轮箍表面裂纹电涡流检测系统。课题中进行了轮箍表面裂纹电涡流检测系统 的软硬件设计。通过将多个不同频率的f 弦波叠加作为激励源，实现了多频、多 参数测量，并对测量信号采用改进的小波去噪方法进行信号处理。1 。 国内涡流检测广泛用于钢管、棒、丝材的自动探伤，但在检测钢球曲面球体 方面还处在初始阶段。武汉理工大学开发的基于虚拟仪器的钢球检测系统，利用 虚拟仪器技术、计算机技术和涡流检测技术设计了虚拟仪器系统。该系统具有实 时采集、分析、存储和结果显示等功能。但还需要进一步改进涡流检测的分析方 法，使分析结果更加准确，达到实用化的要求”1 。 南昌航空工业学院研制的轴承钢球无损检测仪，检测速度为1 0 8 0 0 颗j 、时， 不仅能对钢球进行无损探伤，检测钢球缺陷和裂纹，还能对钢球的材质，如热处 理中存在不合要求的钢球都能进行检测和区分。其创新之处在于提出了“经纬扫 描展开法”对钢球进行探伤，即钢球由一对滚轮搓动，使其旋转，同时涡流检测 传感器探头又在钢球旋转的垂直方向进行往复摆动，对钢球表面进行“展开”探 伤，可以检测到钢球的所有部位。不过在检测信号的分析和处理方面，没有做更 加深入详尽的研究* ，。 针对国内没有投放市场的检测钢球表面质量检测设备，国外对钢球检测设备 的技术垄断的现状，本论文开发具有自己独立知识产权的电涡流无损检测仪，降 低检测设备的价格，使该技术在企业得到全面推广，满足国内企业对钢球表面质量 检测的需要。 1 3 常规无损检测方法归纳及比较 所谓无损检测，是以不损害被检测对象的使用性能的情况下，应用多种物理 原理和化学现象，对各种零部件、结构、工程材料进行有效地检验和测试，评价 2 湖北工业大学硕士学位论文 它们的完整性、连续性、安全可靠性及其某些物理性能。包括探测材料或构件中 是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判 断；还能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息“。”。 目前，常用的无损检测的方法有：射线检测、超声波检测、涡流检测、磁粉 检测、液体渗透检测等。从国外前些年出版的文献资料中可以看到无损检测技术 的资料发表，五类常规无损检测方法的文献约占全部文献数的7 1 到7 3 ，涡流检 测占全部文献数1 3 8 1 ，并且近年来呈上升的趋势。 射线检测是五种常规无损检测技术之一。当射线( 即电磁辐射或粒子辐射) 透过 被检物体时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线吸收能力不同( 以金属物体为例，缺 陷部位所含空气或非金属夹杂物对射线的吸收能力大大低于金属对射线的吸收能 力) ，透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度，选用合适的检测器 ( 主要是射线胶片) 拾取射线照射被检试件所形成的透射射线强度分布图像，依据所 得到的图像判断试件中是否存在缺陷。其缺点是：只适宜检验体积型缺陷，即具 有一定空间分布的缺陷，特别是具有一定厚度的缺陷；检验成本高：射线照相检 测对裂纹类缺陷有方向性限制；需考虑安全防护问题。 超声检测是一种利用超声波在介质c 卡t 传播的性质来对试件进行宏观缺陷检 测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征。其缺点是：使声源 在试件中传播需要耦合剂；试件的形状才i 能太复杂：只能对试件的缺陷定性表征。 磁粉检测是用于检测铁磁性材料( 包括铁、镍、钴等) 表面或近表面的裂纹以 及其它缺陷。当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷( 或组织状态的变化) 从而导致该处的磁阻有足够的变大时，在材料表面空间可形成漏磁场，将微细的 铁磁性粉末( 磁粉) 施加在此表面上，漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示出缺陷的存在 及形状。其缺点是：只能用于铁磁性材料；对表面缺陷最灵敏，随深度的增加检 测灵敏度迅速下降；只能作定性的分析：对试件表面光洁度要求严格，不能有油 污或者粘附物；磁粉也可能对环境造成污染。 液体渗透检测法是检验非疏孔性金属和非金属试件表面上开口缺陷的一种无 损检测方法。将溶有荧光染料或着色染料的渗透力比较强的液体施加在试件表面， 利用液体对微细孔隙的渗透作用，将液体渗透到各种类型开口于表面的细小缺陷 中，然后用水和清洗液清洗材料或试件表面的剩余渗透液，将显示材料喷涂在被 检试件表面，在黑光或白光下观察，缺陷处可分别相应地发出黄绿色的荧光或呈 现红色，用目视检验就能发现。其缺点是：只能定性的检出试件开口于表面的缺 陷；工序比较多；检测效果多凭检验人员经验，易受人为因素的影响；渗透液可 能对环境有污染。 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法。 当载有交变电流的检测线圈靠近导电材料时，由于线圈磁场的作用，材料中会感 生出涡流。当材料有裂纹时，会使涡流场发生畸变，最终会导致检测线圈的阻抗 发生变化。通过测定检测线圈阻抗的变化，可以得到被检材料有无缺陷的结论。 与其他无损检测方法比较，涡流检测的主要特点有：对导电材料表面和近表 面缺陷的检测灵敏度较高：应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工艺 因素均能实施检测；在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息；可在高温、薄 壁管、细线、零件内f l 表面等其他检测方法不适用的场合实施检测；不需用耦合 剂，易于实现管，棒，线材高速、高效的自动检测”1 。因此，涡流检测是一种重 要的无损检测技术，在实际中得到广泛的应用。 近几年来，涡流检测技术有了较快的发展，尤其在检测金属材料的裂纹、腐 蚀等方面。但长期以来，由于涡流信号包含了较为复杂的变量关系，它阻碍了涡 流检测技术的发展，然而随着计算机技术和信号处理技术，尤其是虚拟仪器技术 的迅速发展，又大大的促进了涡流检测技术的发展。 本课题要求的是在线检测钢球的表面裂纹，检测速度要求较高，达到每小时 检测2 0 0 0 颗。通过对五种常规无损检测方法分析与比较后，得出选用电涡流技术 来检测钢球表面裂纹是很合适的。 1 4 本课题研究的主要内容 目前电涡流检测已经广泛应用，并且已有很多成功之例。在利用电涡流进行 金属管( 棒) 材表面裂纹检测已经取得了许多经验，但是用电涡流技术进行钢球的表 面裂纹检测在国内刚刚起步，还没有取得实际应用。本课题有许多项目值得研究， 主要的关键问题有： 1 钢球中电涡流信号的分析与计算 球体中的电涡流信号不同于管、棒材中的信号，其信号有其独特性。要测量 出钢球的电涡流信号，首先要分析研究其信号的性质，得出其信号的模式。通过 实德对其分析进行验证：并建立各种表面质量的电涡流信号数据库。 2 检测信号的处理 因为测量信号是一个模拟电压信号，所以要进行采样、截断等预处理，将其 变成关于每个钢球的数字信号。此外，。信号比较微弱，影响因素很多，干扰严重， 必须采取小波分析等有效的方法，对信号进行去噪处理，最大限度的消除误差。 3 缺陷信号的识别 4 湖北工业大学硕士学位论文 测量信号只从处理过的检测数据很难做出解释，还要提取它的特征值来进行 表征。可以采用数字滤波的手段，通过对比有、无裂纹的钢球滤波后的不同情况， 来进行缺陷识别。 4 基于虚拟仪器的数据分析和处理软件 对采集到的信号必须进一步分析和处理，才能得到我们所需要的信号，消除 掉我们不需要的信号。根据数据处理和分析的结果，进行数据的可视化，或者产 生控制信号，实现钢球的自动检测和分类。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章检测信号的特点分析 2 1 涡流检测基本原理 涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法。 在检测前先让钢球达到磁饱和，克服钢球磁导率对裂纹检测的影响，然后在钢球 侧面放置一个通有一定频率交变电流的半球形线圈，线圈周围空间产生了正弦交变 磁场，处于磁场中的钢球中将感生电涡流，感生电涡流也将产生交变磁场，线圈 与感生电涡流产生的磁场方向相反，两者相互作用后，使线圈的阻抗z 发生变化， 如图2 - 1 。很显然，当钢球表面出现裂纹时，感生电涡流在钢球的分布会发生变化， 最终会导致线圈的阻抗z 变化，从而使线圈的电流以及电压相应变化。只要测量 出相应的变化量，就能确定裂纹的存在n ，。 厂、u e 图2 - 1钢球检测原理图 2 2 涡流检测的阻抗分析与计算 2 2 1 涡流检测的阻抗分析 在涡流检测中，被检试件自身各种因素( 如电导率，磁导率，形状，尺寸和 缺陷等) 的变化，会导致感应电流的变化，最后反映在检测线圈的阻抗或次级线 圈感应电压的变化。而且各因素对阻抗或电压的影响程度各不相同，因此为了了 解涡流检测中被检对象的某些性质与检测线圈的电气参数间的联系，就需要对检 测线圈进行阻抗分析m ，。 阻抗分析法是以分析涡流效应引起的线圈阻抗及其相位变化之间的密切关系 为基础，从而鉴别各影响因素的一种分析方法。从电磁波传播的角度来看，这种 方法实质上根据信号有不同相位延迟的原理来区别试件中的不连续性。因为在电 磁波的传播过程中，相位延迟是与电磁信号进入金属中的不同深度和折返回来所 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 需的时间联系在一起的。阻抗分析法直到目前仍是涡流检测中应用最广泛的一种 方法。在阻抗分析法的发展过程中，由于傅斯特的开拓性工作和实用化资料的积 累，在一般的实际应用中，以傅斯特建立的阻抗分析法表述较为著称“。 1 线圈的阻抗分析 在涡流检测过程中，检测线圈与被检对象之问的电磁联系可以用两个线圈的 耦合柬类比。如图2 2 ，设通以交变电流的初级线圈( 检测线圈) 的自身阻抗为z ， 当初级线圈与次级线圈( 被检对象) 相互耦合时，由于互感的作用，闭合的次级 线圈内会产生感应电流：反过来，这个感应电流又会影响到初级线圈中的电流和 电压的关系，这种影响可以用次级线圈中的阻抗通过互感折合到初级线圈电路的 折合阻抗来体现。 1 1 1 2 + 图2 2 耦合线圈电路 用交流电路的分析方法，可以求得耦合线圈中互感电路中初级线圈的视在阻 抗： z 1 ，一r - + 可r 砸o a m 2r z + ，( 越- 一三每等虿比：】一r + 弘 c 2 m 式中为交变电流的角频率； i = 6 o i 2 m 万2 西( r ：一，乩：) 为次级线圈通过互感i l f 折合到初级线圈上的等效阻抗a 引入了视在阻抗的概念，就可以认为初级线圈中电流或电压的变化，是由于 电路中的视在阻抗的变化引起的，这样只要根据这种阻抗变化就可以知道次级线 圈对初级线圈的效应。从而确定被检试件的某些性质随”1 。 2 阻抗平面图 如果把次级线圈开路，即r ，一* ，则由式( 2 1 ) 可以得到初级线圈的空载阻 抗： z 17 z l - r l + j w l l ( 2 2 ) 如果次级线圈r ，一0 ，则由式( 2 1 ) 可得 湖北工业大学硕士学位论文 z 17 一r l + c o l l ( 1 一k 2 ) 贮么l ( 2 _ 3 ) 在r ，从* 逐渐变为0 的过程中，可以得到一系列相对应于视在阻抗的两个分量( 即 视在电阻b 和视在电抗。一m l ) 的值，将其描绘在以视在电阻月；为横轴，视在 电抗x 。为纵轴的坐标平面内，就可以得到如图2 3 所示的一条圆曲线，这就是所 谓的阻抗平面图。 x 。 础1 也，( 1 一k 2 ) 图2 3 阻抗平面图 3 归化阻抗平面图 虽然阻抗平面直观的反映了被检对象阻抗的变化对初级线圈视在阻抗的影 响，但是半圆形的位置与初级线圈本身的电参数、两个线圈之间的耦合系数以及 电流的频率有关。为了消除初级线圈自身阻抗的变化对圆曲线轨迹位置的影响， 需要对图2 3 进行归一化处理。如果把坐标纵轴的位置向右移动r ，的距离，随 后将新的曲线坐标除以础，这样得到的轨迹半圆的直径重合于纵轴，半圆上端坐 标为( 0 ，1 ) 下端坐标为( o ，1 一k 2 ) ，半径为k 么。于是这个圆的存在仅仅取决于耦 合系数k ，曲线上点的位置依然取决于参变量垦( 或x ，) 。图2 - 4 即为经过归一化 处理的线圈阻抗轨迹。经过归一化后，电抗和电阻都是无量纲的量，而且都恒小 于1 ，由该方法得到的阻抗平面图消除了初级线圈自身阻抗的变化对z ，7 的影响， 在涡流检测中具有通用性”：。 8 湖北工业大学硕士学位论文 x 。 c o l l 1 1 一k 2 0 k 2 2 r 。一r 1 c o l l 图2 4 归一化阻抗平面图 2 2 2 球体的有效磁导率及特征频率 因为引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是线圈中磁场的变化，所以，在 对检测线圈阻抗进行分析时，首先需要分析和计算试件放入检测线圈后磁场的交 化情况，然后得到检测线圈阻抗的变化( 或称线圈感应电压的变化) ，才能对试件的 各种影响因素进行分析。在长期进行涡流检测理论的研究和实验分析中，福斯特 提出了有关有效磁导率的概念，使阻抗分析的问题大大简化。因此，得到广泛的 应用咄“1 。 有效磁导率的概念可以用通以交变电流的无限长圆筒形线圈内放置- # b 径充 满该线圈的导电圆柱体的例子来说明。f o r s t e r 假定该圆柱体横截面的磁感应强度 不变，磁导率沿截面直径变化，磁通量则等于圆柱体内实际通过的磁通量，从而 用假定不变的磁场和变化的磁导率来代替变化的磁场和不变的磁导率，并且把这 一变化磁导率定义为有效磁导率。同时推导出有效磁导率： 驴南熊( 2 - 4 ) k 一面面 式中，盯为有效磁导率；a 为圆柱体半径( m ) ：- ，。为零阶贝塞尔函数； 为一 阶贝塞尔函数。 引入有效磁导率后，把对应于贝塞尔函数虚宗量( 一j 妇) 的模为1 的频率，称 湖北工业大学硕士学位论文 为特征频率，用 表示。可以推导出： f 一 ! 。5 挑诹2 ( 2 - 5 ) 由式( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) n 以n ，岸酊的数值实吁上随蛔。夕z 的不同而改变。因此， 在分析检测线圈的阻抗时，常取形作为参数“”1 。 ，3g 由于本课题研究的被检试件为钢球，因此在计算检测线圈交流电磁场内钢球 球体的效应时，应将麦克斯韦方程组转换成球面坐标系，这些微分方程的解包含 下列边界条件“”1 ： 1 ) 电场强度和磁场强度其切线分量的连续性； 2 ) 磁感应强度法向分量的连续性。 使用上面的边界条件求解，并且与试验相结合，可以通过下式计算： 眦一舞 ( 2 - 6 ) 式中盯球体材料的电导率，m ，q m m2 ； d 。球体的直径，c m ； p ，球体材料的相对磁导率； 对于非磁性材料而言，以= 1 。 2 3 电涡流检测的影响因素 通过对导电圆柱体线圈复阻抗平面的分析，可以得到公式： i z 一击- l - q + 玎 沼7 ) 式中z 为线圈阻抗，z 。为空载阻抗： 为线圈电压，e 为空载电压： ，7 为填充因子，以为球体材料的相对磁导率，一d 为有效磁导率。 由以上公式可以看出，在涡流检测中，线圈阻抗或电压与试件的电导率盯、 磁导率p ，、几何尺寸、缺陷情况、线圈至试件的距离以及检测频率f 等因素有关。 分析比较各因素对线圈阻抗幅值和相角的影响，对于分离混杂在一起的有用信息 是十分有益的。 1 电导率盯的影响 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 试件电导率对线圈阻抗的影响有如下规律。由特性函数1 7 7 + ，7 p ，肛。可以知 道，试件的电导率口只出现在决的皴量睁缘卜因而洲e 磁 性材料和试件直径不变时，电导率只影响阻抗值在杉曲线上的位置。就是说只 影响阻抗值在曲线上的位置。 2 磁导率，的影响 对于非磁性材料，由于岸，一1 ，磁导率看作不变化。磁导率不会影响线圈阻抗 的变化。对于磁性材料由于，1 ，而且是变化的，其相对很小的变化，都会对 线圈阻抗有很大的影响。磁性材料的磁导率既影响了盯，即改变了形，又使 特性函数中的 竹的值增大了以倍。那么它的影响也有双重的效应。如果当心增 大时，一方面它使特性函数中的叩。增大，即阻抗值要落到新的心增大了的曲线 上；另一方面，它又改变了形的值，使其增大，因此阻抗值沿着同一条曲线移 动到新的位置上。 3 试件几何尺寸 试件尺寸的变化通常是以直径或者半径来描述。试件尺寸的变化具有双重影 响。不仅影响参量杉，而且影响填充系数，7 ，使线圈阻抗沿曲线方向变化， j l，jg 灯使阻抗沿交线方向变化。两者共同作用结果使阻抗沿弦向曲线方向变化。 4 缺陷 缺陷对线圈阻抗的影响可以看作是电导率、几何尺寸两个参数影响的综合结 果。它的效应介于电导率效应和直径效应之间。由于试件中的裂纹位置、深度和 形状的综合影响结果，使缺陷效应的大小很难进行理论计算，所以，通常都是借 助模型进行试验取得各种材料的不同形状、尺寸和位置的缺陷，在不同频率下 的实验结果，制成参考图表，以便为实用试验提供依据。 5 试验频率 由于线圈电压或阻抗是频率比形的函数，因此试验频率对线圈阻抗有直接 的影响。随着试验频率的不同，形不同，由此引起阻抗沿曲线方向变化。在涡 75 流检测中，为了有效分离各种影响因素，提高检测灵敏度，应尽量选择最佳试验 湖北工业大学硕士学位论文 频率。如果形 ，jg 困难。么过大， ，is 过小，电导率变化方向与直径变化方向夹角小，采用相位法分离 趋肷效应显著，也不理想。因此在检测过程中通常选择最佳的试 验频率。但是试验频率并不等同于特征频率，试验频率通常是试件的特征频率的 很多倍“”1 。 2 4 裂纹的基本形式 在钢球的检测中，因为复杂的边界条件而不可能进行精确的数学求解，所以 球体中的裂纹效应是由实验确定的。取决于裂纹在检测线圈交流磁场中的取向， 球体中的表面裂纹可以有三种基本位置“1 ，见图2 5 。 长尺寸延伸方向 长尺寸延伸方向 图2 5 钢球表面裂纹长尺寸延伸方向图 1 ) 裂纹的长尺寸延伸方向平行于磁化场的方向，产生最大的检测信号。 湖北工业大学硕士学位论文 2 ) 裂纹的长尺寸延伸方向与磁化场的方向有一定的夹角，夹角在0 。一9 0 。之 问，产生中等的检测信号指示。 3 ) 裂纹长尺j r 延伸方向垂直于磁化场的方向、产生最小的检测信号指示。 其中，产生最大的裂纹检测信号的最佳位置，裂纹的主横截面垂直于具有最 大涡流密度的平面；在中等的位置上，裂纹的横截面切断中等数量的涡流：当裂 纹处于最小可检测的位置时，裂纹面平行于涡流流动的方向，这时它基本上对涡 流没有影响，也并不产生涡流场的削弱。 2 5 涡流检测装置 检测装置由信号发生器、涡流探头、电桥电路、采集装置等几部分组成。信 号发生器用来产生激励源，常规的涡流检测都是采用某一频率、幅值和相位的正 弦信号来激励；涡流探头内置穿过式检测线圈，用来激励出交变的电磁场，同时 检测试样内部性能对信号的影响：涡流探头输出信号电压值比较小，为了提高后 续信号处理的灵敏度及信噪比，需要在其后加入电压放大电路，以提高含有待测 信息的信号幅度：采集装置采集并记录输出的经预处理过的感应电压信号，用以 后续的计算机信号处理“1 。图2 6 是涡流检测模式图 o 钢球 图2 6 涡流检测模式图 为了保证测量过程中的准确性，必须要求涡流探头测量位置以及测量问距调 整能够达到足够精度。本课题中，将涡流探头固定在绝缘的支撑架上，然后将支 撑架固定在实验台上，调整实验台的旋转螺杆可以精确改变涡害缸探头与被测件 之间的距离。同时也可保证涡流探头与被测件样本在同一个位置上。这样可以满 足每次试验都在同一个环境下进行，避免了提离效应的产生。 鉴于裂纹在检测线圈交流磁场中取向的不同，产生的检测信号也有显著的不 同。可以让钢球一边从涡流探头下行进，一边在磁场中旋转一周。如果条件允许， 使用两个涡流探头相互垂直放置，一个竖直进行测量，一个水平进行测量。这样 可以有效的消除裂纹在磁场中不同的取向，对检测信号产生的影响，尽可能的检 湖北工业大学硕士学位论文 测出钢球所有不同位置的裂纹。 本章小结：本章阐述了电涡流检测原理，将涡流检测用于钢球的表面及浅表 面的裂纹检测，并且完成了对球状物检测的理论分析与计算。最后对钢球的检测 装置作了介绍，探头线圈旌加正弦交流电，裂纹在交流磁场中的不同取向会产生 不同的检测信号。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章检测信号的分析与处理 3 1 涡流信号的数字处理 本课题中的测量信号是一个模拟电压信号，要对 该信号进行各种分析，首先 要对其采样，才能得到所需要的数字信号。在对信号进行采样和传输的过程中， 山于设备性能的不理想，会对采集到的数据造成一定的误差。此外，涡流检测中 的干扰因素很多，包括被测件的形状，特征以及测量的环境等，而这些因素最终 归结为线圈阻抗的变化。如果用阻抗的变化来分析检测结果，就无法排除这些干 扰因素的影响，从而导致检测的准确率降低。如果这些“干扰因素”成为测量信 号时，阻抗分析法就完全无能为力了“”。 凶而在对信号进行数字处理之前，要对信号进行预处理，采用一些方法最大 限度的消除这些误差，剔除数据中出现的无意义的孤立点以及不感兴趣的杂散信 号，以期得到尽可能精确的数据。这样一方面能够提高检测的精度，同时还能满 足检测自动化和实时检测的要求。 3 1 1 激励频率和采样频率的确定 对数字信号处理，首先就要对连续时间信号( 即模拟信号) ( f ) 进行采样， 使之成为离散时间序列x ( t ) 。可将工( f ) 记为x ( n r ) ，其中r 表示相邻两个点之间 的时问间隔，又称为采样周期，n 取整数。 因为是在线进行检测，所以得到的数据在时间上是不停顿的，即信号应该是 无限长的。但是在检测钢球时，要将每一个钢球检测所得到的电压值作为一组数 据来处理，就是将无限长的信号分解成无数段。每个钢球检测信号的处理方式相 同，所以这无数段的信号处理的方式也完全一致。 在每段信号采样点数的选取上，可以根据预定的钢球检测速度来确定。本课 题预设的钢球检测速度为2 0 0 0 颗d , 时，因此每颗钢球的信号获取到完成为1 8 秒， 也就是说，在1 8 秒的时间内，必须完成信号的获取与处理，并且将不合格的钢球 剔除。 由图3 - 1 所示，钢球在探头下的检测时间小于0 9 秒。这样系统的检测时间， 信号的获取时间计为0 8 秒，信号的分析处理时间计为1 秒。实际上，钢球在探头 j 下下面时间为0 3 秒左右，即有用信号的获取时间只有0 3 秒左右，其余的0 5 秒， 湖北工业大学硕士学位论文 得到的是噪声和干扰信号( 理论e 应该为0 ) 。在检测过程中，这0 5 秒可以为钢 球初始位置的放置不同而预目。 图3 1 钢球检测运动示意图 在本课题中，根据所选探头的自身特性及渗透深度，所采用的激励电源的最 大频率为5 0 0 0 f t z 。 根据采样定理，为了避免混叠，以使采样处理后仍有可能准确的恢复其原信 号，采样频率丘必须大于虽大信号频率，c 的两倍，即正z2 丘，可以选择采样频率 六一2 丘一1 0 0 0 0 h z ，采样周期就可以确定为。一， 由此，在o 8 秒的时间里采样点数为o 8 ，目p # j o 8 1 0 0 0 0 = 8 0 0 0 。 3 1 2 被检信号数据的显示 检测信号采集到以后，将数据保存在记事本里面，为t x t 文件。这种格式方 便用户阅读查看信号数据。从图中可以看到，每一个数据小数点后有效数字为3 位，以逗号结束。共有1 4 0 0 0 0 个数据，即有1 4 0 0 0 0 个采样点。 图3 2 被检信号数据存储格式 用计算机将信号数据，从文本形式转化为波形显示。具体的软件程序实现， 见3 4 节的信号预处理程序。 八业 图c l 。一 湖北工业大学硕士学位论文 图3 3 被检信号数据样本波形显示 本课题对钢球表面裂纹进行检测，对每个钢球作质量评估，所以要将总体的 数据，按每个钢球的标准，截断过长的信号时间历程。按前面所讲，每个钢球信 号的采集时问o 8 秒，期间有8 0 0 0 个采样点。将采集到的数据，按每一组读取8 0 0 0 个，截断成数段，作为每个钢球判断优劣的依据。 3 2 信号的预处理 图3 4 单个被测钢球波形显示 把连续时间信号变成离散时间序列，并对其中一段有限长的信号进行处理。 从本质上来说，是对信号经过了补零和截断。那么信号补零与截断后，处理的结 果与实际信号是否一致呢? 先分析一下补零。 3 2 1 信号的补零 长度为的有限长序列z 0 ) ，可通过补零，增长成为长度为l 的有限长序列 z 。“) ，即 0 打一1 其他n 0 九s r 一1 n 、一1 其协 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 湖北工业大学硕士学位论文 从上两式可以看h ，实际上z ，( n ) 就是z 0 ) ，补零增长序列长度，并没有改变序列 的本身特征。通过傅立叶变换的定义，可以得到( n ) 的离散傅立叶变换 x 。( m ) 一d e r x 。( n ) 一芝“雌一n - i z o 雌( 3 - 3 ) 是一个点的有限长序列。可以看出，在长度上和原序列不等，但是在结果上新 序列与原序列是一样的。 这表明，经过补零后信号序列( n ) ，并没有改变信号本身的特性，因此能够 表示其频域特性的离散傅立叶变换应该没有变化，在结果上和原信号序列工k ) 是一 致的。这样钢球的离散信号经过人为的补零处理后，并没有本质上的变化，其频 谱分析结果与原信号是相同的2 “。 3 2 2 信号的加窗 信号经过补零处理后没有木质变化，但是在截断后的频谱分析就和原信号有 不同。用计算机对采样值z ( n ) 进行运算时，只能取有限采样点。这相当于对采样后 信号截取一段，用一个高度为l ，长度为t 的有限宽、矩形窗函数，乘以原时间函 数。或者说是加个矩形窗，窗口以外的信号均视为零。 处理后信号，时、频域的对应关系为 x o b 0 ) t ，互( m ) + 矸7 ( m )( 3 4 ) 其中矩形窗函数为 k ) 一1 n = 0 ，1 , - - , n 一1 这种有限的截取会引起信息损失。例如，对确定频率的正弦信号进行频谱分 析时，理论上其频谱图只在确定频率处有一根谱线，但实际上由于截取了有限长 度的信号，在其频谱图上除了主要频率分量外，还出现了许多附加频率分量，从 而造成能量不是集中于确定频率上，部分能量泄漏到其他频率上。这种时域上的 截断效应会导致频域内附加一些成分，引起能量泄漏，给信号变换带来误差，这 种误差称为截断误差或泄漏误差。从物理概念上讲，泄漏也可以看成有限长样本 在采样开始和末尾部分不连续而引起的。 对造成的泄漏误差，可选取一些比矩形窗泄漏小、其他形状的窗函数，进行 加权处理。在信号处理过程中采用其他窗函数截取，称之为加宜处理陋。 各种窗函数的性能主要由以下三个频域指标来评价： ( 1 ) 3 d b 带宽b 它是主瓣归一化幅度下降至f j - - 3 d b 时的带宽。当数据长度为n 时，最大可能频 1 8 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 率分辨率是弓戈，令一弓名，则b 的单位可以是。 ( 2 ) 最大旁瓣峰值a ( d b ) a 越小，由旁瓣所引起的谱失真越小。 ( 3 ) 旁瓣潜峰渐进衰减速度d 。 下面来说明各种窗函数的定义m ( n ) 和它们的频谱) 。 1 三角( t r i a n g l e ) 窗 g ) ： 彘舻0 1 ，一，2 【山c 一h ) 一= n 2 , ，n 一1 = 1 叮 ( 3 - 5 ) 三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小。 2 汉宁( h a r m i n g ) 窗 删如2 ( 爿一o s o 5 c o s ( 静 n = 0 ，1 ，n 1 彤( c o ) = 0 s u 啡。上5 t 刳+ 小+ 铡 舯刮川甥 ( 3 - s m i ，z j，“ 由以上公式可以看出，汉宁窗( 又称为升余弦窗) 可以看作是三个矩形时问窗的 频谱之和，旁瓣互相抵消，消去高频干扰和能量泄漏。将汉宁窗与矩形窗对比， 可以发现，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗主瓣加宽。相当 于分析带宽加宽，频率分辨率下降。 3 海明( h a m m i n g ) 窗 1 9 湖北工业大学硕a - 学位论文 荆一o - s 4 一c 。倍订) n 3 0 ，1 ，n i = 0 5 4 u + 0 2 3 u ( 一嗣一u ( 甜十鲁 陆7 ， 4 布莱克曼( b l a c k m a n ) 窗 m ( n ) = 0 4 2 - 0 5 c o 将刁c o 倍z 刁 n = 0 ，1 ，。n - l 一o - 4 2 喇一o 2 s 阶一爿+ u 卜铡 一期+ c ，卜剀陆。， 海明窗和布莱克曼窗也是余弦窗。它们与汉宁窗属于同一类型，只是加权系 数不同。海明窗的频谱也是由三个矩形时窗的频谱合成，加权的系数能使旁瓣达 到更小，但旁瓣的衰减速度比汉宁窗慢。布莱克曼窗的旁瓣最小，而且旁瓣的衰 减速度也很快。 加窗处理，也就是对分析的信号工_ ) 的不同时刻给予不同的加权，使截断的影 响尽量小。一般选择原则是窗函数的旁瓣高度与主瓣高度之比尽量小，且旁瓣高 度衰减得快。另外，主瓣的宽度也不能太大，即不能使频率分辨率降低太多，因 为一般来说，泄漏的减少是以降低分辨率为代价的。由于减少泄漏与提高分辨率 是相互矛盾的，实际工作中往往采用折衷的办法解决。 这些窗函数的参数见表3 - 1 。关于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与 处理要求来确定。 窗函数名称 3d b 带宽最大旁瓣旁瓣谱峰渐进衰减 b ( )峰值a ( d b )速度d ( d b o c t ) 三角窗 1 2 82 7- 1 2 汉宁窗 1 4 h 4- 3 21 8 海明窗 1 3 - 4 36 布莱克曼窗 1 6 85 8 1 8 表3 - 1 常用的窗函数特性 湖北工业大学硕士学位论文 一个理想的窗口，应该有最小的b 和a ，以及最大的d 。 由于窗函数很多，上面结合后面使用的软件给出相应的定义。但是由于使用 时，只需要其中的小部分，因此在软件设计时，只是选取了部分常用的窗函数， 并且将它们设计在一个模块罩面，可以根据不同的效果束选择不同的窗函数。“。 3 3 频域分析 测试信号的频域分析是把信号的幅值、车h 位或能量变换以频率坐标轴表示， 进而分析其频率特性的一种分析方法，又称为频谱分析。对信号进行频谱分析可 以获得更多有用信息，如求得动态信号中的各个频率成分和频率分布范围，求出 各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主