一种新的多探头金属磁记忆检测仪信号处理方法

栾 明,樊建春,张来斌,马 娟,郑文培

(中国石油大学(北京)机电工程学院,北京 102249)

金属磁记忆检测技术是迄今为止对金属部件进行早期诊断唯一可行的无损检测方法[1]。随着对金属磁记忆检测原理研究的不断深入,相关检测设备的发展,出现了多探头磁记忆检测仪。多探头检测的数据分析方法几乎和单探头的相同,即通过计算单探头采集到的信号梯度值来确定磁记忆信号的切向极大值,进而判断工件的应力集中和损伤及其位置。但对于前者而言,该处理方法在计算铁磁材料磁记忆信号的切向值渐增到最大时不敏感,并且检测方向单一,会漏检一些工件的应力集中和缺陷。笔者针对这一问题,从探头之间信号差异的角度,阐述了一种新的信号处理方法。

1 现有磁记忆检测仪器的数据处理方式

现有单通道或多通道的磁记忆检测仪器的数据采集处理系统的处理方式几乎相同,即通过计算磁记忆信号的梯度值或峰峰值,来确定检测所得磁记忆信号的切向极大值和法向过零点,进而找出工件的应力集中点或缺陷部位。现有的大部分仪器都是检测切向最大值来确定应力集中点。例如图1所示的磁记忆信号有明显的应力集中点,反映在磁记忆信号上就是检测值的跳变点,既磁记忆信号的切向最大值。

图1 带有缺陷点的磁记忆信号

利用公式梯度的计算公式T(n)=x(n)-x(n-1),计算信号图的梯度值,如图2所示。

图2 带有缺陷点的磁记忆信号梯度值

通过图中梯度跳变点,就可以得出铁磁工件有两个较明显的应力集中点或缺陷。这种梯度计算方法效果明显、直观,但也存在着不可避免的缺陷,即不能对磁记忆信号渐增的缺陷点进行检测,方向单一,对噪声的影响较大。如图3所示的信号值渐变的缺陷磁记忆信号。

图3 信号值渐变的缺陷磁记忆信号

由图3可以看出,在第500个采集点附近,有一个应力集中或缺陷点,并且信号整体的噪声较大,信号采集的速率也比较大,磁记忆的信号强度是逐渐增加的,这样做出的磁记忆信号梯度就不是十分明显(图4),导致工件的缺陷和应力点被漏测。

图4 信号值渐变的缺陷磁记忆信号梯度值

可以看出,有明显应力集中点的地方几乎没有梯度跳跃值的显现,缺陷或应力集中被漏检。

在这种情况下,必须通过一种新的信号处理方式,对比计算多通道磁记忆检测仪的磁记忆信号,来得到工件的应力集中或缺陷点。

2 多通道磁记忆检测仪数据处理新方法

2.1 原理

趋向应力集中点或缺陷位置的应力往往是渐增的。随着传感器的不同,检测到的磁记忆信号如图5所示。

图5 磁记忆信号与缺陷的关系

这种情况下,单通道磁记忆信号的梯度计算效果欠佳。应采用多通道磁记忆检测,其优势在于,某一探头通过应力集中点时,邻近的其他探头没有通过该点,检测出的值就有所不同(图 6),通过多个探头之间检测数据的比较,就可以分析出工件的应力或缺陷状态。

图6 多探头金属磁记忆仪检测应力集中点或缺陷的信号

通过比较探头1,2和3的检测信号,可以看出2号探头检测到了一个明显的缺陷,从而确定缺陷的位置。这是多探头检测仪的优势所在,不仅可以大面积、方便、快捷地检测工件,还可以通过不同通道检测数据之间的比较,得到工件的状态。

利用单通道的数据计算出的梯度,由于传感器没有变,只是探头随时间或距离上增加得到的信号计算出的梯度,可以称之为“单通道梯度”。而利用新方法计算出的梯度,由于在时间上或距离的增加程度上相同,只是通道相互之间的比较,可以称为“通道间梯度”。

2.2 检测条件

(1)金属磁记忆检测仪每个传感器的各项指标相同,例如放大倍数、衰减和输出电压等。

(2)所有传感器和被测工件的检测距离在传感器的线形工作范围内。

2.3 计算方法

(1)由于在实际测量中各探头的位置不可能在相对前进方向上绝对平行,故先利用数字信号处理的手段,将所测信号的起始位置归一到同一平行线上。设信号的采集速率为fs,n通道和m通道的在相对前进方向的相对距离为l mn,探头的前进速度为v,采集点信号的最大数目为s,则在探头的前进方向上n通道和m通道之间有p=(lmn/v)×fs个点的间隔。

若lnm＞0,则有：

若lnm＜0,则有：

式中X为信号值;X′为计算后的信号值;n,m为通道号。

(2)由于探头之间的制作工艺原因,各探头的初始电压有所不同,但变化的相对值是相同的。为便于计算,将探头的初始电压利用平均值归零。

(3)计算两通道之间信号的差值,即通道间梯度值：

通过T′n(m)或Tn(m)的图像,分析有以下两种情况：

(1)图像有明显的峰值,说明n或n-1通道之中某通道出现应力集中或缺陷。通过计算n,n+1和n-1,n-2的对比图像,可进一步确定是哪个通道出现问题。

(2)图像基本平稳,没有很大的波峰或波谷,说明通道n或n-1之间的应力情况相同,此时应继续计算其他通道的信号对比值,再结合具体图像,就可以确定被测器件的具体状态。

3 数据处理

以下是采用中国石油大学(北京)安全监测与检测实验室自行研制的多通道钻杆疲劳磁记忆检测系统对天津钻杆堆放场标号为S05-96的刺漏钻杆检测的数据。选择其中没有通过刺漏缺陷位置,但是有一个明显应力集中状态的第4通道信号(图7)。

再选择通过缺陷位置的相邻第5通道信号(图8),可以看出,该通道有明显的应力突变。

按照式(1)～(7)计算得到如图9所示结果。

图9 4,5通道间信号的梯度值

可以找到明显的刺漏缺陷点(图9中标号1),和内壁的一个应力集中点(图9中标号2)。通过检查发现内壁的应力集中点其实是一个腐蚀坑。

采用单通道法作出的第4,5通道信号梯度值如图10和11所示。

可以看出,这两个通道的梯度值都没有明显变化,缺陷点被漏检。

4 总结与展望

采用多探头之间的磁记忆信号的对比,可以检测出渐加的应力集中现象,大大提高铁磁材料的疲劳检测成功率,避免漏检。是对单通道简单梯度值计算判断材料状态的有力补充。但以下问题仍待解决：

(1)对传感器的一致性要求较高。

(2)要求传感器都在同一个线性范围内,检测的范围相同。

(3)在检测过程中的噪声有可能造成误判。

随着传感器稳定性的提高,图像识别的手段也可以引入该技术,这将更大地提高检测的成功率。

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