基于调频激励和细化谱分析的多频涡流检测技术研究

　　1 引 言

　　1971 年，美国科学家 LIBBY H L 首先提出多频涡流检测( multi-frequency eddy current testing，MFECT) 技术是实现干扰抑制和多参数检测的有效方法[1]。多频涡流检测技术广泛地应用到核电站蒸汽发生管道的役前和在役检测[2]，飞机机身多层结构、进气管道、发动机叶片检测[3]，结构件中缺陷的多参数检测[4]，材料特性检测[5]等方面。

　　常规多频涡流检测技术在进行谱分析时，采用多个不同频率正弦信号同步合成激励信号驱动涡流传感器。文献[6-7]研究了多个频率正弦信号同步合成激励的涡流检测系统设计和信号处理方法，并对各个频率的初始相位进行优化，降低了激励信号的峰值因数。文献[8]采用遗传算法优化了同步合成激励信号的峰值因数，对检测信号进行谱分析，实现了缺陷的识别和分类。文献[9-10]设计了专用涡流传感器，采用多个频率正弦信号同步合成激励信号驱动涡流传感器，并利用频谱中的峰值频率点进行缺陷识别和分类。文献[11]研究了基于同步合成激励和谱分析的多频涡流检测技术，采用 BP 神经网络实现了硬度和位移的多参数检测。当采用调频信号作为涡流传感器的激励信号时，文献[12]研究了基于调频激励和有效值转换器的多频涡流检测技术，并将其与同步合成激励的多频涡流检测技术进行比较。直接计算调频信号的频谱时，由于截断效应的影响，谱图的纹波较大，所以其选择了有效值转换器，而没有研究调频激励下多频涡流检测技术的谱分析方法。

　　本文提出一种基于调频激励和细化谱分析的多频涡流检测技术，其采用调频信号( 构造出一段连续频谱) 驱动涡流传感器，激励信号峰值因数达到最小，降低对驱动电路工作电压范围的要求。根据电磁感应原理，涡流检测信号仍然为与激励信号频率成分相同的调频信号。检测信号频谱转变为连续谱，选择合适的窗函数抑制谱图纹波。调频信号为频域带限信号，利用细化谱分析方法计算其频谱，提高谱图的频率分辨率。根据检测信号谱图特点，定义新的特征量实现缺陷检测。

　　2 多频涡流检测理论分析

　　根据涡流检测原理，感应涡流密度衰减到其表面值1 / e 时的透入深度为标准透入深度 δ，也称为趋肤深度，其表达式如下[13]:

　　多频涡流检测理论模型如图 1 所示。

　　图 1 中，激励信号为多个频率的正弦信号按照一定方式合成之后的信号，施加在线圈传感器上的多频激励会感应出涡流在被测试件中传播，涡流产生的反向磁场会引起线圈等效阻抗的变化。根据变压器耦合原理，线圈的等效阻抗可表示为[14]: