Page 69 - 无损检测2021年第十期

王安泉, 等:

基于功率谱密度峰值的大提离下脉冲涡流测厚方法

试件原始壁厚区域的谐波分量数为 m , 能够穿透试
件待测区域的谐波分量数为k , 由于试件原始壁厚
区域的厚度最大, 所以 m≤k 。检测信号与原始壁
厚差分信号可看成是各谐波分量之间的差分, 差分
后谐波分量数减少, 信号能量向低频集中, 形成一个
能量密度峰。
随着待测试件厚度的增加, 能够穿透试件的信
号谐波分量数k 会逐渐趋近于m , 差分信号的谐波
图3 不同提离值下不同厚度管道的功率谱密度峰值
分量数逐渐减少导致能量密度峰的峰值下降, 而脉
( 仿真结果)
冲涡流激励信号是功率信号, 其能量密度变化表现
2 脉冲涡流测厚原理分析 为功率密度变化, 故采用功率谱密度峰值作为脉冲
涡流测厚特征量是合理的。
2.1 脉冲涡流信号能量分析 2.2 功率谱密度相关原理
采用脉冲涡流技术对铁磁性材料进行检测时, 功率谱密度( PSD ) 表示的是信号单位频率携带
趋肤效应对脉冲涡流检测有很大影响, 趋肤深度计 的功率。根据维纳 - 辛钦定理, 把信号看成平稳随机
算公式为 过程, 其功率谱密度就是信号自相关函数的傅里叶

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δ= ( π f μ σ ) ( 1 ) 变换。脉冲涡流检测信号x ( t ) 只是平稳随机过程
式中: δ 为趋肤深度; 为激励信号的频率; 为待 的样本函数, 不满足傅里叶变换存在的绝对可积和
f
μ
测试件的磁导率; σ 为待测试件的电导率。 能量可积条件, 所以需要规范化随机信号, 使之满足
通常, 待测试件的厚度小于3δ 时, 能够检测到 傅里叶变换的条件, 规范后的信号x T t 为
()
有效信号, 称此厚度为有效穿透深度 [ 2 ] 。 x ( t ), t ≤T
x T t = ( 7 )
()
因为 0 , 其他
f= ω /( 2π ) ( 2 ) 式中: T 为周期。
()
式中: ω 为角频率。 当T 为有限值时, x T t 满足傅里叶变换条件,
将式( 2 ) 代入式( 1 ), 得出 再根据维纳-辛钦定理求得信号的功率谱密度, 脉
δ= 2 /( ω μ σ ) ( 3 ) 冲涡流后期差分信号的功率谱密度如图4所示。
根据傅里叶级数, 脉冲涡流方波激励信号可
以分解为基波分量和n 个谐波分量 [ 14 ] , 其中基频
为
ω 1
ω 1= 2π f ( 4 )
n 次谐波分量的频率谱表示为
ω= 2nπ f ( 5 )
将式( 5 ) 代入式( 3 ), 可以得到n 次谐波对应的
趋肤深度为
图4 脉冲涡流后期差分信号的功率谱密度
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δ n = ( nπ f μ σ ) ( 6 ) 脉冲涡流差分信号的功率谱密度在低频段较突
由式( 6 ) 可知, 在不改变激励频率和待测试件的 出, 从图4中也可看出明显的主峰; 白噪声的功率谱
磁导率、 电导率的情况下, 随着谐波次数n 的增加, 密度为常数, 其能量均匀分布在整个信号功率谱上,
趋肤深度逐渐减小, 高频分量趋于待测试件表面, 而 不易影响功率谱的峰值。对比目前主流的脉冲涡流
低频分量能够渗透到待测试件内部, 因此低频分量 测厚特征量, 使用功率谱密度峰值作为特征量, 不仅
包含了待测试件的大部分信息。 充分表达了激励信号的能量信息和频谱信息, 还具
当激励频率足够低, 有效穿透深度大于待测试 有一定的抗白噪声干扰能力, 这充分体现出了该特
件原始壁厚( 管道壁厚最大处, 即无腐蚀区域) 时, 脉 征量用于脉冲涡流检测的独特优势。
冲激励产生的磁场可完全穿透试件。假设能够穿透
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2021年 第43卷 第10期
无损检测