钢板孔洞涡流检测信号的频谱分析研究

　　利用涡流方法进行长输管道漏孔检测时,由于检测探头与管内壁的摩擦会引起强烈振动,致使漏孔检测信号常常被振动引起的干扰信号所湮没,此时无法利用幅度的方法进行漏孔的甄别。考虑到探头运动过程中由于振动引起的提离信号频率与相对运动速度v有关,因此,提离信号的频谱应处于某一范围内;相对来说,孔洞产生的信号是一种周期相对比较长的脉冲信号,其频谱宽度△f与脉冲宽度τ有关,因此振动信号与孔洞信号在频谱上有所不同,通过频谱分析(FFT)手段可以找出其中的差别。

　　1　振动噪声和孔洞信号频谱的理论分析

　　根据信号分析,振动噪声可以等效为连续性周期信号的组合,设函数关系为:

　　孔洞信号可等效为宽度τ、幅度为Ae的门脉冲信号Ge(t)与缓变交流信号G(t)·Becosωet的组合,即:

　　用窗口函数Gw(t)分别对fe(t)和fn(t)进行时域取样并进行傅里叶变换得到相应的频谱密度函数Fn(jω)和Fe(jω)[1],即:

　　Fe(jω)和Fn(jω)对应的频谱见图1和图2。

　　从图1、图2可以看出,孔洞信号的频谱Fe(jω)呈连续状,频带宽度为△fe=2τ,零频时幅度为Aeτ,随着脉冲宽度τ的减小,频带宽度增大。振动噪声通过频谱取样函数Saωtw2将fn(t)直流分量和各频率分量分别取出,整个频谱形状呈离散状,其中在零频处出现幅值极大的冲激函数2πA0δ(ω),主频与各谐波的频带宽度均为△fn=2tw。

　　2　振动噪声和孔洞信号的频谱特征

　　在励磁频率f=26.3 kHz条件下,采用尺寸为50 mm×35 mm×16 mm的无磁芯差动探头检测16Mn/X60钢板 10 cm孔洞,探头与钢板之间提离高度为1.5 mm,检测时探头移动速度为47 cm/s,实验仪器采用EEC-51数字式智能涡流探伤仪,采样频率530 Hz,经过对振动噪声和孔洞信号相量的垂直分量进行数据采集,用MATLAB进行时基扩展后得到振动噪声和孔洞信号详细特征见图3和图4。通过MATLAB进行快速傅里叶变换[2][3](时间窗口宽度为3.86 s,对应于530 Hz的采样频率,相当于2048个采样点)处理得到的振动噪声和孔洞信号频谱见图5和图6。

　　由图3和图4可以看出,由于孔洞信号的有效宽度为τ=0.21 s,因此Fe(jω)的频带宽度为△fe=2τ=9.4 Hz,在窗口函数Gw(t)宽度为tw=3.86s条件下,振动噪声主频与各谐波的频带宽度为△fn=2tw=0.52 Hz。对比图5和图6,孔洞信号频谱主要分布在10 Hz以内,振动噪声频谱的频带宽度为0.8 Hz,与理论分析非常相符。

　　3　频谱分析用于钢板孔洞的检测

　　由于标准傅里叶变换仅是整个时间域中的积分,不具备时域分析能力。因此,通过引入短时傅里叶变换(STFT)[4]: