（信号与信息处理专业论文）二维高速电磁探伤系统的研究.pdf

二维高速电磁探伤系统的研究 摘要 r 二文对二维电磋探伤系统的结构和信号检测与处理做了探讨与研究。 辜文首先介绍了一般的无损捡测技术，叙述了二维电磁探伤的基本原理， 并利弓有限元分析软件a n s y s 对管体上的横向、纵向的外缺陷、内缺陷及孔洞 缺陷运行了模拟分析，论证了二维电磁探伤的可行性，并提出了解决在高速检 测时冀转检测装置转速过高的方法。 在此基础上要对所采集的信号进行处理，对前级低通滤波器的信号和噪声 进行誊分析，观察信号和噪声频谱分布情况之后，设计相应的滤波电路和箝位 电路，以提高信噪比。并根据实际使用要求设计计算机夕 围电路。 最后根据w i n d o w s 操作系统的特点，利用v c + t 作为软件开发平台，编制信 号处理软件和实时监控软件。 太文研究的重点是纵向缺陷的模拟分析、解决旋转检测装置的高转速问题、 二维电磁探伤系统中信号的谱分析及信号实时处理过程中数字滤波的实现和实 时监控软件的设计。 关键词：二维漏磁、探伤、缺陷、谱分析、信号处理 r e s e a r c hi nt w od i m e n s i o n h i g hs p e e de l e c t r o m a g n e t i c t e s t i n gs y s t e m a b s t r a c t w ed i s c u s ss i g n a lt e s t i n ga n dp r o c e s s i n gi nt w od i m e n s i o ne l e c t r o m a g n e t i c t e s t i n gs y s t e m f i r s to fa l l ，w e i n t r o d u c es o m ec o m m o nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t e c h n o l o g i e s t h e n w er e s e a r c ht h et h e o r yo ft w od i m e n s i o ne l e c t r o m a g n e t i c t e s t i n gs y s t e m w ea n a l y z e t h ev i c em o d e lw i t ha n s y s w ed e s i g nt h es e n s o ra n dt h em a g n i f yc i r c u i t a f t e ra n a l y z i n gt h es i g n a l s p e c t r u m ，w ed e s i g nad i g i t a l f i l t e r t h es nr a t i oi se n h a n c e d w ea l s od e s i g n p e r i p h e r y c i r c u i t a tl a s tw ed i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i co fw i n d o w s9 8o p e r a t i o ns y s t e ma n d c o m p i l e ar e a lt i m em o n i m rs o f t w a r e t h e e m p h a s i so f t h i sa r t i c l ei sa n a l y z i n g t h ev i c em o d e la n dt h es i g n a ls p e c t r u m t h e d e s i g no f h a r d w a r e a n dt h em o n i t o rs o , w a r ei sa l s ov e r yi m p o r t a n t k e y w o r d s ：t w od i m e n s i o n e l e c t r o m a g n e t i c ，t e s t i n g ，v i c e ，s p e c t r u m ， s i g n a lp r o c e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金鳇王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王韭盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 目l 王些去堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 曲年7 月c 7 日 学位论文作者毕业后去向：君晦 工作单位：嘲弱科譬箍幂，喏 通讯地址： ，一 导师签名：i - ) 签字日期：力) 年7 月c 9 日 电话： 邮编： 名 。杪 0 、，矿 了 致谢 = 圣文是在合! 工业大学计算机与信，皂、学院何辅云教授的悉心指导下完成 的。i 敦授不仅从理论上孜孜不倦地给予螽而且给予了很多实际锻炼的机 会。乏在科研上刻苦钻研的精神，工作中一丝不苟的洁学惫度，对年轻人的关 怀和爱护都给我留下了深刻的印象。我所取得的每一点进步都离不开何教授的 辛劳乏汗水。在此向何教授表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 置时，真诚感谢计算机与信息学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究 提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。 还要感谢同窗同学，徐明亮和王宝给予我很多帮助和友谊。 作者：张勇 2 0 0 3 年7 月3 日 1 无损检测和电磁探伤简介 前言 电磁探伤是无损检测的一个分支。无损检测是利用材料的某些物理性质受 到缺陷的影响而发生变化的现象，测定其变化量及其位置，从而判断材料内部 是否存在缺陷。通常利用材料的物理性质有：材料对射线调制的特性；材料对 弹性波的反射和透射的特性：材料的电学性质、磁学性质、热学性质等。检测 材料某些物理性质细微变化的技术，就成为无损检测技术的基础。 无损检测方法虽然很多，适用于各种不同场合，但是最常用的还是射线检 测、超声检测、电磁检测、渗透检测等常规方法。其它无损检测方法用得比较 多的是声发射检测和红外检测。目前9 5 以上的无损检测工作是采用上述几种 方法。 电磁探伤是从十九世纪2 0 年代发展起来的，由最初的实验室研究走向实际 应用，从早期的表面检测发展到现在。它可以检测材料内部结构变化、表面处 理情况、裂纹以及其物理特性的不连续性，还可以检测材料厚度和表面镀层厚 度。作为材料探伤的技术手段，它不仅仅局限于裂纹缺陷检测，还包括孔洞缺 陷检测，腐蚀坑点缺陷检测，以及由于腐蚀导致的壁厚度下降，各种原因如拉 伤等所导致的组织疏松缺陷检测。 目前国内在钢管检测方面多使用的是超声、射线和电磁探伤。电磁探伤相 对于这些探伤方法而言所具有的优点是探伤速度快、对材料表面的清洁度要求 低、探伤灵敏度高等。 国际无损检测界特别是美国和德国，一直重视钢管高速检测方砸的研究。 德国和美国主要研究和生产适用于无缝钢管生产线上对钢管进行高速检测的电 磁检测设备，也有应用在石油行业对套管、油气输送管道和采油管进行质量检 测的系列设备。 国际检测界普遍用“电磁无损检测技术”检测铁磁性管道。其中德国采用 d i n 标准、美国采用a s t m 、a p i 标准，日本采用j i s 标准，英国采用b s 标准。 非常重要的国际标准是：“i s o9 5 9 8 ：无缝和焊接( 埋弧焊除外) 铁磁性压力 钢管横向缺陷的全周传感器和漏磁探伤( t c l 7 ) ”。 最近我国审定了“钢管漏磁探伤方法”一国家标准g b t 1 2 6 0 6 ，这对促进 进口设备的消化和正确使用起到了积极的作用，同时也极大地促进了我国对该 技术的研究和推广应用。 2 本文主要研究的问题及研究方法概述 国家标准6 b t 1 2 6 0 6 只对磁化方式、刻伤标准等进行了规定，并没有规定 检测速度。这种方法实现高速检测，有很多具有挑战性的课题需要解决。 目前国内中国有色金属总公司生产的电磁探伤设备检测速度低于 1 5 m m i n ，而且检测灵敏度很低，只能检测使用过的严重锈蚀的旧油管： 美国托博维高公司和德国福斯特公司的设备检测速度最高达到4 5 m m i n 。 国内很多大的钢铁企业根据生产规模，要求检测速度达到6 0 m m i n ，甚至更 高。 以包钢无缝钢管厂生产的实际要求为例：最大管长达到8 0 m ，直径最大为 4 2 5 m m ，检测速度要求达到6 0 m m i n 。要实现探头对管体进行百分之百的扫 查，不造成漏检，旋转检测装置转速达到2 0 0 r m i n 。由于纵向检测装置的直径 达到了1 3 m ，质量约为2 t ，旋转装置外径的线速度将达到1 4 m s 。要求设备满 负荷运转。在这种情况下，带来的问题有： 1 、加工设备精度有限，造成探头不能与钢管紧密贴合，探头形成颤抖， 严重的会上下跳动，不能正确采集到缺陷信号； 2 、高速检测时，检测形成的各种噪声特别严重，影响检测设备的总体性 能指标； 3 、大质量、高转速的机械装置运动部件磨损很快，易导致设备可靠性降 低。 本文重点在于： l 、通过研究检测设备的结构来解决旋转检测装置的转速问题： 首先根据i s o9 5 9 8 ：无缝和焊接( 埋弧焊除外) 铁磁性压力钢管横向缺 陷的全周传感器和漏磁探伤中纵舞探伤和横向探伤磁化模型进行了a n s y s 分 析，重点讲述了纵向磁场模型。论证了当现场要求的检测速度过高时，使用两 对磁极或使用超过两个探头的不可行性，指出只有通过增加探头长度和增加传 感器数量才能解决问题。 2 、通过研究缺陷信号和检测噪声频谱来分离和消除噪声，提高信噪比。 探伤系统在实际使用过程中，检测到的原始缺陷信号很微弱，现场工作环 境较为恶劣，形成的噪声甚至比缺陷信号还要强烈。有的被测管体表面质量不 理想，因而在检测信号中存在表面噪声。这就要求对采集到的缺陷和噪声信号 进行分析和研究，找出信号和噪声的频率分布情况之后设计低通滤波器，达到 提高信噪比、提高检测可靠性的目的。 ， 最后，对根据系统要求和w i n d o w s 9 8 操作系统的情况，介绍了软件编制方 法，并给出了相关软件界面。 2 第一章二维电磁检测技术原理 1 1 缺陷漏磁信号的产生 我们以图1 1 来说明缺陷漏磁信号的产生。铁磁性材料在外磁场h o 的近饱 和磁化下，其内若有无限长直的、横截面为椭圆形的缺陷，在缺陷内形成 的磁场为： h g = 2 6 5 h 。 1 一n ( 1 一g z ，) ( 1 1 ) 式中和m 分别为缺陷和铁磁材料 磁导率，n = t ( t + s ) 为退磁因子， 吼t 、s 分别为椭圆截面的长、短 轴；心垂直于t 或s 时，缺陷的形 状和心随着n 在0 n i 之间的变化 而变化。 一j x t 一斤：7 厂、一一j 1 一 一v 1 扩一t 7 图1 1 缺陷电磁玑随n 及缺陷信号 情况变化 实验表明。1 ：缺陷在材料外表 面空间形成的电磁场与h 。成比 例，且缺陷宽度越小、越贴近材料 近表面、巩越强；当传感器的提离 值y 5 0 0 以上，h g = 日删；当n = 0 时，有： h 。= 2 6 5 h o = 日枷 ( 卜3 ) 对于缺陷2 ，0 5 n l ，形成的m 的h - 。分量较大，所以电磁检测对短轴与 h 。平行的椭圆缺陷具有更高的检测力；而对于缺陷1 ，0 m a t e r i a lp r o p s e l e c t r o m a gu n i t s 和u f i h 锣 m e n u w o r k p l a n e l o c a lc o o r d i n a ms y s t e m s c r e a t el o c a lc s a t s p e c i f i e d l o c ) 。 在a n s y s 软件中，坐标系可以用来定义空间几何模型的深度和结构参 数、设置节点的自由度、定义材料特性方向，同时也可以改变图形的显示列 表。在a n s y s 中可供选择的坐标系主要有总体坐标系、局部坐标系、节点坐 标系、单元坐标系、显示坐标系和结果坐标系。 总体坐标系主要是用来确定几何模型的实际深度和模型的几何结构参数， 在a n s y s 5 7 中提供了三种坐标系可供选择：笛卡儿坐标系，柱坐标系和球坐 标系，这三种坐标系都是右手系，而且它们的原点也是重合的，总体坐标系是 一个绝对参考系。 由于很多有限元的分析模型结构复杂，因此在分析中需要添加一些辅助坐 标系，这种可以由用户定义的坐标系被称为局部坐标系。局部坐标系可以定义 很多个，其原点与总体坐标系也允许偏移一定的距离，它的方位也允许不同于 总体坐标系。局部坐标系可以以当前定义的工作平面的原点为中心定义，也可 以通过已有的关键点、节点或特殊点来定义。局部坐标系包括有笛卡儿坐标 系、柱坐标系、球坐标系和环坐标系四种类型，其中环坐标系比较复杂，实际 应用中一般不采用。 显示坐标系：在a n s y s 的前处理器中进行实体建模时，所建立的结构模 型可以在工作平面窗口中显示。在缺省配置的条件下，所建模型以笛卡儿坐标 系为总体坐标系，用户可以根据需要改变显示坐标系。 节点坐标系：a n s y s 中的节点坐标系主要是用于定义节点的自由度方向， 因此每个节点都有自己的节点坐标系。在缺省配置下，节点坐标系与总体笛卡 儿坐标系方向相同，但是在实际中，用户有时需要施加与总体坐标系方向不同 的约束和载荷，这时需要把节点坐标系旋转一定的角度。 单元坐标系：每个单元也有自己的单元坐标系，单元坐标系主要是用来规 定正交材料特性的方向，如旌加表面载荷的方向和结果输出的方向，在默认的 设置下，二维或三维实体单元的单元坐标系总是平行于总体笛卡儿坐标系。有 许多单元类型都可以提供选项，允许用户改变单元坐标系的方向。 结果坐标系：在a n s y s 的求解模块中，有限元分析计算的结果数据以节点 坐标系或单元坐标系为参考坐标系存放在数据库中的结果文件中，然后在后处 理模块中，系统把结果数据旋转到已激活的结果坐标系中显示。在缺省配置 下，结果坐标系就是总体笛卡儿坐标系，用户也可以将结果坐标系旋转到局部 坐标系、节点坐标系或单元坐标系下。 系统默认设置下的坐标系是总体坐标系为笛卡儿坐标系，节点坐标系和单 元坐标系平行于总体笛卡儿坐标系。所使用的是m i ( s 单位制( 米一安培一秒国 际单位制) 。 第二步：建立模型( 菜单操作为m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r c r e a t e ) 。 a n s y s 5 7 中为建立有限元模型提供了强大的功能，使工程技术人员可以方 便、准确地为实际物理系统建立有限元模型，对实际系统的结构和物质进行数 学描述。在a n s y s 5 7 中，建立有限元模型韵方法有三韩：( 1 ) 实体建模方法： 这种方法也是最常用的方法。由于在a n s y s 5 7 中，有限元模型的几何结构的产 生和边界条件及所撬加载荷的定义与有限元网格划分是分开来进行的，所以在 a n s y s 5 7 的前处理器中可以用类似于c a d 建模的方法建立实体模型，然后在实 体模型上进行边界定义和施加载荷。系统对实体模型进行网格划分产生由节点 和单元组成的有限元模型，这时边界定义和施加的载荷被转移到有限元模型 上。在这种方法所建的实体模型上可以进行自适应网格划分。实体建模方法又 可以分为两类：一类是自底向上的建模方法，另一类是自下而上的建模方法。 自底向上的建模方法是先创建关键点，然后是线、面、体等图元。自下而上的 建模方法可以直接创建体或面这样高级的图元，建立这样图元所需的关键点和 线由系统直接定义。但是无论哪一种方法建立的实体模型都由关键点、线、面 和体等图元组成。在i u 、j s y s 中，组成实体模型的图元具有一定的层次关系，体 为最高级图元以面为边界，面又以线为边界，线以关键点为端点。如果高级图 元没有被删除，那么组成这个高级国元的低级图元也不能被删除。( 2 ) 直接建 模；这种方法是在前处理器中直接定义节点深度和单元的大小、形状和连通 性，从而直接建立有限元模型。由于这种建模方法比较繁琐，而且又不能进行 自适应网格划分，所以在实际中除了结构简单的小模型和线模型以外极少采用 这种方法。( 3 ) 直接输入c a d 模型：这种方法通过a n s y s 5 7 的强大接口传入 c a d 模型作为a n s y s 的实体模型，然后网格化生成有限元模型。 第三步：选择单元类型( 菜单操作为m a i nm e n u p r e d r o c e s s o r e l e m e n t t y p e a d d e d i t d e l e t e ) 。 在a n s y s 进行有限元分析时，需要定义使用到的单元类型，然后根据单元 类型配合不同的实常数产生材料类型，最后用材料类型对不同的二维或三维区 域给予定义。不同类型的材料可以属于同一个单元类型。 第四步：材料特性的定义( 菜单操作为m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m a i n m e n u p r e p r o c e s s o r m a t e r i a lp r o p s ) 。 在实体建模和设定单元类型后，如果选用的材料是分层的或者永磁体的极 性方向是任意的，那么还需说明单元坐标系。在电磁分析中，如果需要定义绞 线型线圈的几何形状和缠绕特性，还要设置实常数。 第五步：对模型中各部分赋予特性，即单元类型，材料属性( 菜单操作为 m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r 一a t t r i b u t e s 一 p i c k e da r e a s ) 。 根据出现的对话框进行设置。每个区域都要指定特性。 第六步：划分网格( 菜单操作是m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m e s h t o o l s ) 一定要在定义了材料特性、实常数、单元类型和单元坐标系后才能划分网 格。网格划分时要注意前面所述的要求，对某些部分要加以修正和细化。 第六步：加边界条件和载荷( 菜单操作是m a i nm e n u s o l u t i o n 一l o a d a p p l y ) 。 边界条件和载荷可以在实体模型上定义，也可以在划分网格后的有限元模 型上定义。边界条件主要有：边界与磁力线垂直；边界与磁力线平行；边界是 远场单元；边界上有外加磁场。在使用i n f i n i i 0 远场单元为开放单元建模时， 需用到无限表面标志以标明哪个单元边朝向开放区域( 无限区域) 。 第七步：求解( 菜单操作是m a i nm e n u s o l u t i o n ) 。 在定义了求解类型后就可以进行求解。求解类型是指求解是动态的还是静 态的。 第八步：查看求解结果( 菜单操作是u t i l i t ym a i n m e n u p 1 0 t r e s u l t s ) 。 在电磁场分析中我们可以查看磁通密度、磁场强度、磁力线分布，沿某一 路径查看有关数据，如磁场强度，矢量的某一分量的数值。 最后是检查结果的正确性，保存有用的数据，以便后继研究分析。 9 2 2 磁场模拟分析 2 2 1 横向缺陷磁场模拟分析 第一步：横向外壁缺陷磁场模型如下图所示 图2 i 横向外壁缺陷磁场模型 第二步：横向内壁缺陷磁场模型如下图所示： 图2 2 横向内壁缺陷磁场模型 第三步：横向内部缺陷磁场模型如下图所示： i o 图2 3 横向内部缺陷磁场模型 图2 4 横向检测装置实物图 2 2 2 纵向缺陷磁场模拟分析 纵向检测装置的实现的平面示意图和立体示意图如下【”】： 图2 5 纵向检测装置平面示意图 图2 6 纵向检测装置立体示意图 1 2 根据图2 5 和图2 6 所示的纵向检测装置示意图，利用a n s y s 软件对纵 向缺陷模型进行模拟分析。 第一步：为便于对比，先对无缺陷时模型进行分析，建立模型如下图所示： 图2 7 纵向检测装置模型 第二步：无缺陷磁场模型如下所示： 图2 8 纵向无缺陷磁场模型 2 2 2 1 级向外缺陷磁场模拟分析 第一步：建立模型如下图所示 图2 9 纵向外缺陷模型 第二步：磁场模型如下所示 图2 1 0 纵向外缺陷磁场模型 第三步：为便于观察，将缺陷部分局部放大： 1 4 图2 i i 纵向外缺陷磁场模型放大图 很明显在缺陷处有漏磁场。 2 2 2 2 纵向孔缺陷磁场模拟分析 第一步：建立模型如下图所示 第二步：磁场模型如下所示 图2 1 2 纵向孔缺陷模型 图2 1 3 纵向孔缺陷磁场模型 2 3 降低旋转检测装置转速的两种设想 2 3 1 纵向双磁极双探头缺陷磁场模拟分析 在实际使用时，有的现场要求探伤速度很高，达到6 0 m r a i n 。被测钢管直 径也较大，最大达到了4 2 5 m m 。探头必须对管体进行百分之百的扫查，旋转检 测装置工作时转速达到2 0 0 转每分钟。这么高的转速是不合适的，怎样降低 转速? 首先从磁路设计上进行分析。 从2 2 2 节对纵向缺陷磁场分析可看到，当磁场方向和探头垂直时，缺陷的 漏磁场受杂散磁场的干扰最弱，在此位置拾取缺陷信号最佳。若要降低转速， 自然考虑到增加磁极和探头的数量。 首先假设纵向检测装置有两对磁极和两对探头，四个缺陷与磁极之间相差 4 5 0 角。模型如下图所示： 1 6 图2 1 4纵向两对磁极四个缺陷磁场模型 为便于观察，将图片左半部分放大： 图2 1 5纵向两对磁极四个缺陷磁场模型放大图 1 7 从上图可以看到，磁力线主要从相邻的南北磁极和位于它们之间的钢管和 磁轭之间通过，在缺陷处没有漏磁场。因而用增加磁极的方法来降低转速是不 可取的。 2 3 2 纵向单磁极双探头的缺陷磁场分析 想用增加磁极和探头数量来解决降低纵向检测装置转速的问题是不行的。 那么仅仅用增加探头数量而不增加磁极数量的方法是否可行? 下面来进行分 析。 设想探头数量增加一对，共有两对四个探头，两对探头相互正交。模型如 下图所示： 图2 1 6纵向单磁极四个缺陷模型 利用a n s y s 分析磁场分布情况如下图： 图2 1 7纵向单磁极四个缺陷磁场模型 将左上角缺陷放大以便观察： 图2 1 8纵向单磁极四个缺陷磁场模型放大图 从上图可以看到，缺陷处没有产生漏磁场。因而用增加探头数量的方法来 1 9 降低转速是不行的。解决的方法是适当增加探头的长度和每个探头内部传感器 的数量。 2 4 降低旋转检测装置转速的方法 从2 3 节分析中看出：靠增加磁极数量或探头数量来降低转速是不合适 的。解决方法是适当增加磁靴的长度，并相应增加探头的长度和探头内传感器 的数量。但探头长度不能任意增大，这是因为：钢管弯曲度一般在1 2 ，而且钢管表面不平整，造成探头内传感器的提离值不同，对同样的缺陷， 每个传感器输出的信号幅值就有差别。系统整体探伤灵敏度就达不到规定的指 标。解决这个问题要从电路和软件两方面着手。 首先观察纵向检测装置的特点，其机械原理图如下： 图2 1 9纵向检测装置机械图 旋转检测装置共两个探头，每个探头内有8 只传感器，共1 6 只传感器。每 个传感器的检测信号是共用滑环组中的一滑道环输出的，利用了时分复用的方 法。时分复用框图如下： 2 2 0 时分复用框图 在正式检测之前，系统的灵敏度需要用标准试样来校准。这时计算机采集 1 6 路传感器输出的检测信号，计算它们的均值和方差，用软件对每路信号的增 益进行补偿调整，尽量达到对同样的缺陷，每个传感器输出的信号幅值变化在 允许范围内。 2 5 小结 1 、从图2 1 、图2 2 、图2 _ 3 、图2 1 1 、图2 1 3 看出，二维电磁探伤系 统能有效地检测钢管的横向和纵向的内缺陷、外缺陷和孔缺陷。相比之下涡流 探伤受趋肤效应的作用，它只能检测钢管表面部分的缺陷，对于内缺陷的检 测，它无能为力。 2 、传感器拾取的信号幅值与传感器内磁通密度的变化率成正比，因而被 检测物体运动速度愈快，信号越强。以上这两点优势决定了在石油和冶金行业 中，漏磁探伤设备越来越受欢迎的原因。 3 、从图2 1 0 、图2 1 1 、图2 1 3 还可以看出，只有当传感器和磁极的磁场 方面正交时，得到的信号幅值最大。这是由于两者若不正交，漏磁场会被杂散 磁场所干扰，这样信号就淹没在噪声中，漏磁信号的检测会遇到很大的困难。 4 、从图2 1 4 、图2 1 5 看出，通过增加磁极数量来降低纵向检测装置的旋 转速度是不合适的；从图2 1 7 、图2 1 8 看出通过增加探头数量来降低纵向检测 装置的旋转速度同样是不合适的。只有增加探头的长度和探头内传感器的数量 才能解决这一问题。但探头长度不能任意增大，要综合考虑增加探头长度的利 弊，适当增加探头的长度。 第三章信号的功率谱分析 二维电磁探伤系统在实际使用过程中，缺陷信号很微弱，大约在2 j 毫 伏左右，受现场存在的各种工业设备产生的干扰以及被测管体表面质量问题的 影响，检测信号中存在各种噪声。 怎样有效地抑制噪声，提高信噪比，成为本文研究的另一主题。 我们是利用快速付立叶变换分析信号和噪声的频谱分布情况，再设计相应 的滤波器，达到提高信噪比的目的。 3 1 利用f f t 进行谱分析原理m 。 本文中对信号谱分析利用的是计算信号的付里叶变换。连续信号与系统的 付里叶分析显然不便于直接用计算机进行计算，使其应用受到限制。而d f t 是 一种时域和频域均离散化的变换，适合数值计算，成为分析离散信号和系统的 有力工具。对连续信号和系统，可以通过时域采样，应用d f t 进行近似谱分 析。 工程实际中，经常遇到的连续信号x 。o ) ，其频谱函数x 。( 皿) 也是连续 函数。为了利用d f t 对x 。( f ) 进行谱分析，先对x 。( r ) 进行时域采样，得到 x ( n ) = x a ( n t ) 。再对x ( n ) 进行d f t ，得到的x ( k ) 则是x ( n ) 的付里叶变换 z 托一) 在频率 0 ，2n 上的n 点等间隔采样。这里x ( 挖)和x ( 七) 均为有 限长序列。然而，由付里叶变换理论知道，若信号持续时间有限长，则其频谱 无限宽；若信号的频谱有限宽，则其持续时间无限长。 f 实际上是频谱很宽的信号，为防止时域采样后产生频谱混叠失真，可用 预滤波法滤除幅度较小的高频成分，使连续信号的带宽小于折叠频率。对于持 续时间很长的信号，采样点数太多以致无法存贮和计算，只好截取有限点进行 d f t 。由上述可见，用d f t 对连续信号进行谱分析必然是近似的，其近似程度 与信号带宽、采样速率和截取长度有关。实际上从工程角度看，滤除幅度很小 的高频成分和截去幅度很小的部分时间信号是允许的。在本文中我们先使用截 止频率为1 5 0 0 h z 的前级低通滤波器，除去信号中的高频分量【8 】【9 】。 对连续信号进行谱分析时，主要关心两个问题，这就是谱分析范围和频率 分辨率。谱分析范围受采样速率的限制。为了不产生频率混叠失真，通常要 求信号的最高频率f o 2 f c( 3 一1 ) 妞果。丢持采样点数n 不变，耍提高谱的分辨室tf 减小) ，必须降低采洋速 室，王洋速率的降低会引起谱分析范围减少：如维持t 不变，为提高分辨率可 以增= 二采样点数n ，因为n t = t p ，t = 工，只有增加对信号的观察时l i j t p 2 一 能增= 二n 。t p 和n 可以按下式进行选择： ， = = ( 3 2 ) f 1 乙专 ( 3 3 ) 3 1 1 趸d f t 对序列进行谱分析 我妇已知道单位圆上的z 变换就是序列的付里叶变换，即 x ( e 。) = x ( ：) ，。 。“p ，m ) 是。的连续周期函数。如果对序列x ( ) q t n , 点d f t ，得到 x ( 妁义( ) 是在区间【o ，2n 上对 。) 的n 点等间隔采样。因此序 列的付量叶变换可利用d f t ( f f t ) 来计算。 对戛期为n 的周期序列x ( 摊) ，由式知道，其频谱函数为 x ( ) = x 西) 】_ 等壑i 万洄一等 其幸 础：d f s x 西) ：芝x 融一j 由亍i ) 以n 为周期，所以x ( e 7 “) 也是以n 为周期的离散谱，每个周 期有n 条谱线，第k 条谱线位于= 丝n t 处，代表x 面) 的k 次谐波分量。而 且，谱亥约相对大小与x i ) 成正比。由此可见，周期序列的频谱结构可用其 离散谱譬量叶级数系数x ( k ) 表示。由d f t 的隐含周期性赶：薹，截取x ( n ) 的主 值序列x ( n )= x ( ”) r n ( n ) ，并进行n 点d f t 得到 x ( ) = d f t t x ( n ) = d f t x ( n ) r ( n ) ：j ( _ j ) r 。( 七) 所以可用 x ( ) 表示x 两的频谱结构。 3 1 2 快速付里叶变换( f f t ) d f t 是信号分析与处理中的一种重要变换。因直接计算d f t 的计算量与变 换区间长度n 的平方成正比，当n 较大时，计算量太大。直到1 9 6 5 年发现了 d f t 的一种快速算法后，情况才发生了根本的变化。 长度为n 的有限长序列x ( n )的d f t 为 u - 1 x ( _ j ) = 艺工( 功阡玄 k = 0 ，1 ，n 1 ( 3 - 5 ) n * 0 f f t 利用了旋转因子w 的周期性 和对称性 w 2 ：p 一净) ：e 一矿2 x ：w 2 = w ；一w ：气= w ； 将长序列的d f t 分解成几个短序列的d f t 来减少d f t 运算次数。 f f t 算法基本分两大类：时域抽取算法f f t 和频域抽取算法f f t 。本文中 所采用的是时域基2 抽取算法f f t 。其程序框图如下： 图3 i 时域基2 抽取算法f f t 流程图 源程序如下： 球难串串术木术木木木木丰术丰年半章母丰年术 丰木幸木木幸$ 水幸丰丰丰 * t h i sp r o g r a mc o m p u t e st h ed i s c r e t e t i m ef o u r i e ru s i n gad e c i m a t i o n 序f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a l g o r i t h m 术卓$ 1 n t l m 丰半母术卡术幸幸木书乖章窄采事 末掌幸章窄丰乖拿窄术$ 掌术术幸章乖术幸幸8 d o u b l ep i = 3 1 4 1 5 9 2 6 5 3 5 8 9 7 9 3 2 3 8 4 6 2 6 4 3 3 8 3 2 7 9 5 ： f o r ( l = l ：l = l l ：l + + ) b = 2 ( i - i ) ： f o r ( j = o ：j d i o cc b l n b u f ： m e m c p y ( & p a r a m e t e r ，p d l o c p a r a m s 一 d i o c o u t b u f ，s i z e * s i z e o f ( p a r a m e t e r ) ) ； b r e a k ： c a s e2 ： 向应用程序传递检测数据 s i z e = p d i o c p a r a m s 一 d i o cc b o u t b u f ： m e m c p y ( & d e t e c t d a t a ，p d i o c p a r a m s 一 d i o c _ o u t b u f ，s i z e * s i z e o f ( d e t e c t d a t a ) ) b r e a k ： r e t u r nd e v i o c t ln o e r r o r ： o i dm y h w i n t ：o n h a r d w a r e i n t ( v m h a n d l eh v m ) 此处加入中断处理代码 s e n d p h y s i c a l e 0 10 ：给v p i c d 发送中断处理完毕信息 b o o lh y 6 0 7 0 d e v i c e ：o n s y s d y n a m i c d e v i c e l n i t0 初始化v x d (p a d c a r d i r q = n e wm y h w i n t0 ： p a d c a r d l r q 一 p e v e n t = n e wa d c a r d e v e n t0 ： i f ( p a d c a r d l r q & & p a d c a r d l r q 一 h o o k0 ) d o u t ”i n t e r r u p th o o k e d ” u n h o o k 0 ) d o u t ”i n t e r r u p tu n h o o k e d ” e n d l ) d e - e ：ep a d c a r d i k q ： 删除类对象，释放系统资源 应用程序通过h v x d ：c r e a t e f il e ( h y 6 0 7 0 v x d ，0 ，0 ，0 ，c r e a t e e w f i l ef l a gd e l e t eo 、c l o s e 0 ) 及c l o s e h a n d ! e ( h v x d ) 函数来动态加载和 卸载h y 6 0 7 0 v x d 。当应用程序需要通过v x d 进行控制时，可用以下方式进行： d e v i c e i o c o n t r o l ( h v x d ，l ，i n b u f ，0 ，i n n u m ，n u l l ，0 ，n u l l ，0 ) 降递参数 d e v i c e l o c o n t r o l ( h v x d ，2 ，n u l l ，0 ，o u z b u f ，o u _ c x u m ，n u l l ，0 ) 获取检测数 据 中断程序流程如下图所示： 初使化，屏菠中断 1 j 上 响应中断判断通道号 l y n j = 1 ，j 3 0 j y ( n ij u 1 0 0 0 4 y ( n 一= ) + 0 0 0 7 7 8x ( n ) + 0 0 1 5 5 5 4x ( n 一1 ) + o 0 0 7 7 8x ( n 一2 ) 通知v p c d 中断 ( 数字低通滤波器)处理结柬 1 l 。 缺陷判别 上 给应用程序发送整体检测数据 上 参数复位，开中 断，等待下次中 断。 目4 2 中簟处罢程序流程圈 4 6 应用程序的功能主要是接收经由h y 6 0 7 0v x d 采集处理的数据，以图形方式 直观的显示检测结果，并将检测结果加以保存，同时提供诸如打印、查询、检 测参数设置等功能，提供简单易学的人机交互界面。 我们采用v i s u a lc + + 6 0 提供的“所见即所得”的功能设计人机交互界 面，利用v i s u a lc + + 6 0a p p w i z a r d 设计出基于对话框的程序框架，然后在这 个框架中添加代码，完成我们的所需要的功能。 上 设置定时器，查询是否有钢管进 入榆测线 j否 i是 山 i 关定时器f l r 调用中断程序 g 钢管是否离线 是 数据存储 主检测界面如下图： 图4 3 应用程序流程图 4 7 图4 4 主检测界面 4 8 总结 从a n s y s 对缺陷模型分析可以看到，当铁磁性钢管充分磁化时，管壁中 的磁力线被其表面或近表面处的缺陷阴隔，缺陷处的磁力线发生畸变，一部 分磁力线泄露出钢管的内、外表面，形成电磁场。当位于钢管表面并与钢管 作相对运动的探测元件拾取电磁场，将其转换为缺陷电信号时，通过探头可 得到反映缺陷的信号，探伤灵敏度以钢管外表面为最高，从外表面到内表 面，随壁厚增大而降低。当缺陷走向与磁力线方向垂直时，缺陷处电磁场强 度最大，探伤灵敏度也最高。随着缺陷走向的偏斜，电磁场强度逐渐减小， 直至二者走向一致时，电磁场强度接近为零。 由于设备固有条件的限制，探伤时钢管两端必然存在一段不可探的盲 区。从磁路设计方面进行改进，可以有效地减小盲区。这是有待于进一步研 究的工作。 在信号与噪声的谱分析部分中，先设计截止频率较高的前级低通滤波 器，再进行谱分析。之后通过对信号和噪声的谱进行分析对比，设计以提高 信噪比为目的的低通滤波器，若将滤波器的阶数选高一些、过渡带窄一些， 那么信噪比将能得到进一步的提高。这对于钢管内部缺陷的检测有着重要的 意义。这是由于内部缺陷信号幅度要比外壁缺陷信号的幅度小很多，内部缺 陷的信噪比更低的缘故。 随着我们对电磁信号的特点的了解越充分、分析的越来越细致，信号检 测的可靠性越强，进行判别的准确率会更高。 参考文献 1 机械工程学会无损检测学会编无损检测概论，机械工业出版社，1 9 9 9 ： ( 5 - 1 0 ) ： 2 何辅云，石油管道的高速检测与缺陷识别，无损检测，2 0 0 0 ，2 2 ( 5 ) ： 2 0 6 2 0 8 ； 3 何辅云，钢管二维电磁检测系统的再研究，无损检测，2 0 0 0 ，2 2 ( 2 ) ： 6 8 7 0 ： 4 何辅云，赖志荣，电磁n d t 原理的研究，合肥工业大学学报( 自然科学 版) ，1 9 9 4 ，9 ，1 7 ( 3 ) ：( 2 8 3 2 ) ； 5 魏兢，高松巍，陈晓春等，基于电磁原理的储油罐罐底探伤仪，沈阳工业 大学学报，1 9 9 9 ，6 ，2 1 ( 3 ) ：( 2 7 5 2 7 7 ) ； 6 陈朝达，陈青，磁涡流及电磁探伤装置检测抽油杆缺陷的试验，