一种消除电子摆振的涡流位移检测方法及其装置

摘要

本发明涉及一种消除电子摆振的涡流位移检测方法及其装置，包括依次连接的信号发生模块，用于产生固定频率的正弦激励信号并将其输入涡流探头线圈模块；磁化模块，用于磁化被测对象并使被测对象达到磁饱和状态；响应信号产生模块，用于产生响应信号并将该响应信号对应的电压信号作为响应信号输入到响应信号采集与滤波模块；响应信号滤波模块，用于对电压信号进行滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号，并将得到的理想电压信号输入到响应信号实部与虚部分离模块。本发明的有益效果是：利用涡流位移检测装置中磁传感器中磁感应强度信号的分量复数向量的实部和虚部椭圆分布特点，能够更彻底消除电磁摆振问题，提高了涡流位移检测的精度和互换性。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及涡流无损位移检测技术。

背景技术

涡流无损检测技术，作为五大无损检测技术之一，在航空航天、轨道交通、石油天然气管道、清洁能源等的关键零部件的检测与评估中得到日益广泛的应用。位移测量诸如振动幅度测量、镀层厚度测量等，作为涡流无损检测的重要组成部分，可广泛用于航空航天器镀层厚度检测、清洁能源关键零部件(水轮机和风力发电机叶片)的振动状态检测以及高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析中。

根据涡流检测理论，被测对象表面和探头线圈之间检测距离影响对被测对象中涡流引起的二级磁场的强度，从而影响耦合的磁感应强度。涡流位移检测技术就是通过上述原理建立检测距离和耦合磁场强度之间的线性关系，从而完成对机械位移的检测。但是根据电磁感应原理，被测对象中的涡流强度不仅仅与检测距离有关，也与被测对象的电磁特性(电导率和磁导率)有关。

由于被测对象电磁特性的改变或被测对象电磁特性分布不均匀而引起的检测误差，称为电子摆振(Electrical Runout：ERO)问题。目前引起电子摆振的因素很多：(1)被测体中存在杂质；(2)不均匀的被测对象磁导率；(3)不均匀的被测对象电导率等。虽然随着先进制造技术的进一步发展，加工工艺也得到了进一步提高。但是不可避免的在材料加工过程中掺入其他杂质或产生气泡；一些加工技术特别是表面加工技术，提高了材料的表面硬度、抗腐蚀性等性能，但也会因为引起材料电磁特性的随机性变化，比如：喷丸技术是在航空航天器的制造中广泛使用的一种加工工艺，它可以提高材料的表面硬度和抗腐蚀性能，但也同时引入了表面残余应力，从而引起材料电磁特性的变化。从这个意义上说，电子摆振问题是涡流位移检测技术中亟待解决的问题，解决该问题不仅可以提高涡流位移检测传感器的检测精度和扩大涡流位移传感器的使用范围，还可以简化涡流位移检测传感器的标定方法。

电子摆振问题是相对于旋转机械振动检测中出现的机械摆振(MechanicalRunout：MRO)问题提出的。机械摆振是指由于旋转机械中旋转结构的不圆度(Out-of-roundess)和不完整表面(Imperfect Surface)引起的测量误差。因此机械摆振问题可以通过提高加工技术和工艺进行改善和消除。而电子摆振是指由于被测对象电磁特性发生变化而引起的误差信号，表现为一种虚拟的位移。由于造成电子摆振的原因错综复杂，因此很难完全消除或降低电子摆振对测量结果的影响，故而电子摆振问题成为涡流位移检测中亟待解决的问题之一。

针对涡流位移检测中存在的电子摆振问题，David H.Biggs(1976)提出了一种消除涡流位移检测技术在机械轴检测中产生的电子摆振的方法和实现机构(美国专利：3986380)。该专利通过在旋转轴表面布点，测试不同点探头输出，从而确定发生最大电子摆振的位置(位置1)和发生最小电子摆振的位置(位置2)，然后通过冷加工的方法改变位置1的电磁特性，再对该点的探头输出进行测量，重复以上步骤，直到该点的测量结果与位置2的测量结果相比达到期望的最小值。该方法主要通过冷加工的方法对被测对象进行表面处理，重新分布被测对象表面的电磁特性，从而降低电子摆振对计算结果的影响。但是该方法存在以下三个主要问题：

①该专利认为通过冷加工等加工手段可以改变被测对象表面的电磁特性分布，力求通过局部的表面处理技术使整个表面的电磁特性趋于一个稳定值。但是不同被测对象表面的电磁特性分布因加工方法和被测材料自身特性的不同而迥然不同，因此依据该专利中提出的方法，每个被测对象在检测前都需要确定测点的分布方案，而没有形成一个针对所有被测对象的统一的测点分布方案。因此该方法的通用性较差。

②该方法中的期望最小值是在位置2处电子摆振的基础上提出的，然而位置2处的电子摆振大小却无法准确得知，因此该方法只能相对削弱电子摆振，而无法消除电子摆振；

③该专利中提出方法对电子摆振的削弱程度取决于测点的选择，因此具有一定随机性。

针对以上现有技术中存在的问题，急需针对涡流位移检测技术提出一种通用的、稳定的且能够彻底消除电子摆振的方法。基于此，本发明提出一种新的方法对涡流位移检测中的电子摆振进行补偿，该方法具有通用性强/稳定性好且能够彻底消除电子摆振对涡流位移检测结果的影响。

发明内容

为了克服现有的涡流位移检测装置中电子摆振补偿方法中通用性差、稳定性差、无法彻底消除涡流位移检测中电子摆振的缺点，提出了一种消除电子摆振的涡流位移检测方法及其装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种消除电子摆振的涡流位移检测方法，包括步骤：

步骤1.产生固定频率的正弦激励信号：通过信号发生模块产生正弦激励信号并将其输入涡流探头线圈模块；

步骤2.磁化被测对象：通过选择合适的磁化器和磁化强度，使被测对象达到磁饱和状态；

步骤3.产生响应信号：正弦激励信号输入涡流探头线圈后，根据电磁感应原理会在被测对象和涡流探头线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，磁传感器分布于该空间中并探测所在位置的磁感应强度信号的分量复数向量，磁传感器将探测到的分量复数向量转化成相对应的电压信号，并将该电压信号作为响应信号输入到响应信号采集与滤波模块；

步骤4.响应信号滤波：通过响应信号滤波模块对电压信号进行滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号，并将得到的理想电压信号输入到响应信号实部与虚部分离模块；

步骤5.响应信号实部与虚部分离：理想电压信号在响应信号实部与虚部分离模块中分离为两路信号，一路是理想电压信号的实部信号，另一路是理想电压信号的虚部信号，并将这两路信号送入滤波模块。

步骤6.实部信号和虚部信号滤波：将理想电压信号的实部信号和虚部信号通过滤波模块滤除实部信号和虚部信号在步骤(5)中产生的杂波信号，并将滤波后的实部信号和虚部信号送入模数转换模块；

步骤7.模数转换：对滤波后的实部信号和虚部信号进行模数转换将模拟量转换为对应的数字量并将其输入到磁感应强度分量复数向量实部和虚部计算模块；

步骤8.磁感应强度信号的分量复数向量实部和虚部计算：通过磁传感器中磁感应强度和电压的变换关系和步骤(7)中得到的滤波后的实部信号和虚部信号的数字量计算得到磁感应强度信号的分量复数向量实部和虚部B_imag并将其输入到电子摆振补偿模块；

步骤9.电子摆振补偿：通过实验方法建立不同位移下的多组被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量所在椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系；将步骤(8)中得到的磁感应强度信号的分量复数向量实部和虚部代入椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系中计算得到位移。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种消除电子摆振的涡流位移检测装置，包括依次连接的：

信号发生模块，用于产生固定频率的正弦激励信号并将其输入涡流探头线圈模块；

磁化模块，用于磁化被测对象并使被测对象达到磁饱和状态；

响应信号产生模块，用于产生响应信号并将该响应信号对应的电压信号作为响应信号输入到响应信号采集与滤波模块；

响应信号滤波模块，用于对电压信号进行滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号，并将得到的理想电压信号输入到响应信号实部与虚部分离模块；

响应信号实部与虚部分离模块，用于将理想电压信号在响应信号实部与虚部分离模块中分离为两路信号，一路是理想电压信号的实部信号，另一路是理想电压信号的虚部信号，并将这两路信号送入滤波模块。

实部信号和虚部信号滤波模块：用于将理想电压信号的实部信号和虚部信号通过滤波模块滤除实部信号和虚部信号产生的杂波信号，并将滤波后的实部信号和虚部信号送入模数转换模块；

模数转换模块，用于对滤波后的实部信号和虚部信号进行模数转换将模拟量转换为对应的数字量并将其输入到磁感应强度分量复数向量实部和虚部计算模块；

磁感应强度信号的分量复数向量实部和虚部计算模块，用于通过磁传感器中磁感应强度和电压的变换关系和滤波后的实部信号和虚部信号的数字量计算得到磁感应强度信号的分量复数向量实部虚部并将其输入到电子摆振补偿模块；

电子摆振补偿模块：用于通过实验方法建立不同位移下的多组被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量所在椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系；将步骤(8)中得到的磁感应强度信号的分量复数向量实部和虚部代入椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系中计算得到位移。

本发明的有益效果：本发明将利用具有不同电导率的被测对象(完全磁化)在同一位移下，磁传感器中磁感应强度信号的分量复数向量的实部和虚部位于同一条椭圆曲线上；不同位移下的椭圆曲线簇具有相同的转向角且相切于一点的特点，通过椭圆的长半轴计算被测对象的位移。因为位于同一个椭圆曲线上不同被测对象下的磁感应强度信号的分量复数向量具有相同的位移，因此通过该方法可以消除具有不同电磁特性或者电磁特性分布不均匀的被测对象在涡流位移检测装置中的电子摆振问题；该方法相对于现有技术，无需布置测点，因此稳定性更高；该方法充分利用了涡流位移检测装置中的磁传感器中磁感应强度信号的分量复数向量的实部和虚部椭圆型分布的特点，因此能够更彻底的消除电磁摆振问题。因此该方法是一种通用性强、稳定性好且能彻底消除被测对象电磁特性不同或分布不均匀造成的电子摆振问题。提高了涡流位移检测的精度和互换性，简化了补偿涡流位移检测中电子摆振的程序，减少了检测时间，节约了检测成本。

附图说明

图1是本发明的方法的主流程图。

图2是本发明的装置的主结构示意图。

图3是本发明的装置中响应信号产生模块的结构示意图。

图4是本发明磁感应强度信号的分量复数向量与被测对象位移的关系模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，一种消除电子摆振的涡流位移检测方法，包括步骤：

步骤1.产生固定频率的正弦激励信号：通过信号发生模块产生正弦激励信号U₀并将其输入涡流探头线圈模块，U₀可通过如下公式(1)表达，

U₀＝A₀ cos(ωt+φ₀)    公式(1)

公式(1)中，U₀是正弦激励信号、A₀是正弦激励信号的幅值、ω是角频率、t是时间变量、φ₀是正弦激励信号的初始相位。其中A₀和ω为已知量；φ₀为可测定量。

步骤2：磁化被测对象：通过选择合适的磁化器和磁化强度，使被测对象达到磁饱和状态，在该状态下任何被测对象的相对磁导率等于1；本步骤与步骤1同时进行。

步骤3.产生响应信号：正弦激励信号输入涡流探头线圈后，根据电磁感应原理会在被测对象和涡流探头线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，磁传感器分布于该空间中并探测所在位置的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij，磁传感器将探测到的分量复数向量B_ij转化成相对应的电压信号V，并将该电压信号V作为响应信号输入到响应信号采集与滤波模块。

上述过程中，响应信号产生模块包括涡流探头线圈、磁传感器和已经在上一步骤中被完全磁化的被测对象；磁感应强度信号在一个xyz坐标中为一个空间向量，可以分为x分量、y分量和z分量，本实施例中选取z分量作为磁感应强度信号的分量复数向量B_ij，也可以根据需要选取x分量或y分量作为磁感应强度信号的分量复数向量，分量复数向量B_ij的复数表达形式的虚部和实部分为B_imag和B_real；电压信号V＝V_z+V_fz，其中V_z为分量复数向量B_ij对应的理想电压信号，V_fz为分量复数向量B_ij实际包含的杂波电压信号。

步骤4.响应信号滤波：通过响应信号滤波模块对电压信号V进行滤波处理，滤出电压信号V中的杂波电压信号V_fz，并将得到的理想电压信号V_z输入到响应信号实部与虚部分离模块；

步骤5.响应信号实部与虚部分离：理想电压信号V_z在响应信号实部与虚部分离模块中分离为两路信号，一路是理想电压信号V_z的实部信号V_zreal，另一路是理想电压信号V_z的虚部信号V_zimag，并将这两路信号送入滤波模块。

上述分离过程中，由于电路设计的原因会引入新的电压杂波信号，为了保证信号质量，因此在后续处理过程中可以考虑滤除该电压杂波信号。

步骤6.实部信号V_zreal和虚部信号V_zimag滤波：将理想电压信号V_z的实部信号V_zreal和虚部信号V_zimag通过滤波模块滤除实部信号和虚部信号在步骤(5)中产生的杂波信号，并将滤波后的实部信号V’_zreal和虚部信号V’_zimag送入模数转换模块。本步骤为可选步骤。

步骤7.模数转换：对滤波后的实部信号V’_zreal和虚部信号V’_zimag进行模数转换将模拟量转换为对应的数字量并将其输入到磁感应强度分量复数向量实部和虚部计算模块。

步骤8.磁感应强度信号的分量复数向量B_ij实部B_real和虚部B_imag计算：通过磁传感器中磁感应强度和电压的变换关系和步骤(7)中得到的滤波后的实部信号V’_zreal和虚部信号V’_zimag的数字量计算得到磁感应强度信号的分量复数向量B_ij实部B_real和虚部B_imag并将其输入到电子摆振补偿模块；

因为不同磁传感器中磁感应强度和电压的变换关系不同并且这种变换关系为已知，可以参照这种变换关系直接进行计算，因此不再详细描述。

步骤9.电子摆振补偿：通过实验方法建立不同位移下的多组被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij所在椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系；将步骤(8)中得到的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij实部B_real和虚部B_imag代入椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系中计算得到位移。本步骤的具体实现过程为：

步骤91.通过实验方法建立不同位移下的多组被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij所在椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系。

下面对椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系建立的理论基础进行详细描述：当被测对象的相对磁导率等于1且当被测对象中的集肤深度小于被测对象厚度时，可以建立如图4所示的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij与被测对象的位移关系模型图；图中i和j均为自然数，其中i的取值范围为1，2，3......n，本实施例中n取值23，j为1，2，3......m，本实施例中m取值10，i代表实验过程中被测对象电导率在范围0-1000MS^-1(兆西门子分之一)中所取的组数，j代表实验过程中所取不同位移的组数；l_j代表第j组位移，B_ij代表在第j组位移下第i种被测对象下磁传感器中的磁感应强度信号的分量复数向量。

在实际状态中，同一材料的被测物体中的电导率分布是不均匀的，被测对象是指同一被测物体中具有不同电导率的位置点，在理想状态下，同一材料的被测物体中所有位置的电导率是相同的，此时被测对象即为被测物体。本实施例中，考虑的是实际状态，但是，如果将不同被测物体内部的电导率都看成是均匀的，本发明还可以通过一次标定测试不同被测物体的位移，此时被测对象代表了不同的被测物体，此时，对这些不同被测物体的测量过程仍然在本发明的保护范围内。

图4中坐标系中，磁传感器中的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij实部B_real和虚部B_imag分别表示横坐标和纵坐标，经过实验，我们发现在同一组位移l_j下具有不同电导率的i种被测对象的分量复数向量B_ij在图4中呈椭圆曲线分布(实际测试过程中只是近似满足这种线性关系，但在建立该模型和模型计算过程中则认为完全满足这种关系)，即可以通过一条椭圆曲线将同一组位移l_j下i种被测对象的分量复数向量B_ij连接起来。椭圆曲线公式如公式(1)所示。从理论上分析，当被测对象的电导率为零时，不同组位移l_j＝l₁，l₂......l_m下形成的椭圆分布相内切于一点A(即图中B_nm)，该点即为被测对象电导率为零时磁感应强度信号的分量复数向量B_ij对应的点，此时，B_1m＝B_2m＝...＝B_nm。通过实验，我们也发现了不同组位移l_j＝l₁，l₂......l_m下椭圆曲线相切于一点A且具有相同的椭圆曲线转向角θ，椭圆曲线转向角θ用以表示椭圆曲线的长轴与横坐标轴的夹角，定义该点横坐标和纵坐标分别为B_nreal和B_nimag。不同组位移l₁，l₂......l_m下椭圆曲线的中心点横坐标和纵坐标分别定义S_j和T_j。

$\frac{{[(B_{\mathrm{real}}\cos \theta -B_{\mathrm{imag}}\sin \theta )+S_j]}^2}{{a_j}^2}+\frac{{[(B_{\mathrm{real}}\sin \theta +B_{\mathrm{imag}}\cos \theta )+T_j]}^2}{{b_j}^2}=1$公式(2)

B_imag和B_real分别表示分量复数向量B_ij的虚部和实部，a_j和b_j为椭圆的长半轴和短半轴。

同时通过试验，我们发现不同组位移l₁，l₂......l_m下椭圆曲线的长半轴a_j和短半轴b_j满足如公式(3)中的线性关系

b_j＝K₁a_j+d₁    公式(3)

公式(3)中，K₁为比例系数，d₁为截距。K₁，d₁在得到不同位移下椭圆曲线的长半轴a_j和短半轴b_j后通过数据拟合方法得到。本实施例中数据拟合方法采用最小二乘法，因为最小二乘法是现有的数学拟合计算中的常用方法，因此不再详细描述。

我们也发现不同组位移l₁，l₂......l_m下椭圆曲线的中心点横轴坐标S_j和纵轴坐标T_j满足如公式(4)中的线性关系

T_j＝K₂S_j+d₂    公式(4)

公式(4)中，K₂为比例系数，d₂为截距。K₂，d₂在得到不同位移下椭圆曲线的中心点横轴坐标S_j和纵轴坐标T_j后通过数据拟合方法得到。本实施例中数据拟合方法采用最小二乘法，因为最小二乘法是现有的数学拟合计算中的常用方法，因此不再详细描述。

从图中可知，位移l_j和椭圆曲线的长半轴a_j存在一一对应的关系，即在同一位移l_j下，具有不同电导率的被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij所对应的椭圆曲线的长半轴a_j是相同的，因此可以建立位移l_j和椭圆曲线长半轴a_j的函数关系。本实施例中，位移l_j可以取值10组，通过上述公式(2)可以得到10组椭圆曲线长半轴a_j，将这10组位移l_j和椭圆曲线长半轴a_j数据进行拟合，得到位移l_j和椭圆曲线长半轴a_j的函数关系F()，这种函数关系和拟合算法相关，如公式(5)。

a_j＝F(l_j)    公式(5)

通过这种方法，同一位移、不同电导率的被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij可以被等效到同一个椭圆曲线长半轴a_j，从而消除了因被测对象不同电磁特性不均匀或被测对象电磁特性不同对测量结果造成的影响，实现了涡流位移检测装置中电子摆振的完全补偿。建立如公式(5)的函数关系后，如果已知椭圆曲线的长半轴a_j就可以准确的得到被测对象的位移l_j，这就是本发明实现位移检测的基本原理。

步骤92：通过步骤(1)～步骤(8)可以得到任一被测对象下的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij的实部B_real和虚部B_imag，通过步骤(91)可以得到A点的坐标(B_nreal，B_nimag)。并将两点的坐标(B_real，B_imag)和(B_nreal，B_nimag)代入如下椭圆公式(1)得到两个方程，这两个方程中含四个未知数a_j、b_j、S_j和T_j。此时公式(2)中θ值是对同一位移、不同电磁特性的被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量B_ij通过椭圆拟和算法得到，由于椭圆拟合算法是现有的数学拟合计算的常用方法，因此不再详细描述。

因为a_j和b_j满足公式(3)中的线性关系，S_j和T_j满足公式(4)中的线性关系，并且在本步骤中，K₁、K₂和d₁、d₂已经通过步骤91得到，因此在本步骤中为已知值。因此将公式(3)和公式(4)和已经建立的两个方程组成一个含有四个未知数a_j、b_j、S_j、T_j的方程组，解方程组就会得到椭圆的长半轴a_j，然后将椭圆曲线的长半轴a_j代入公式(5)的位移l_j和椭圆曲线的长半轴a_j的函数关系F()进行逆运算得到位移l_j。

步骤10.位移l_j非线性校正：根据椭圆曲线的长半轴a_j与位移l_j的非线性关系，对被测对象位移进行非线性校正得到精确的位移值。本步骤为可选步骤，并且可以通过现有的方法进行实施，因此不再详细描述。

对应于上述方法，本实施例还提供了如图2所示的一种消除电子摆振的涡流位移检测装置，包括依次连接的：信号发生模块，用于产生固定频率的正弦激励信号并将其输入涡流探头线圈模块；磁化模块，用于磁化被测对象并使被测对象达到磁饱和状态；响应信号产生模块，用于产生响应信号并将该响应信号对应的电压信号作为响应信号输入到响应信号采集与滤波模块，如图3所示，响应信号产生模块具体由涡流探头线圈、磁感应器和被测对象组成；

响应信号滤波模块，用于对电压信号进行滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号，并将得到的理想电压信号输入到响应信号实部与虚部分离模块；

响应信号实部与虚部分离模块，用于将理想电压信号在响应信号实部与虚部分离模块中分离为两路信号，一路是理想电压信号的实部信号，另一路是理想电压信号的虚部信号，并将这两路信号送入滤波模块。

实部信号和虚部信号滤波模块：用于将理想电压信号的实部信号和虚部信号通过滤波模块滤除实部信号和虚部信号产生的杂波信号，并将滤波后的实部信号和虚部信号送入模数转换模块；

模数转换模块，用于对滤波后的实部信号和虚部信号进行模数转换将模拟量转换为对应的数字量并将其输入到磁感应强度分量复数向量实部和虚部计算模块；

磁感应强度信号的分量复数向量实部和虚部计算模块，用于通过磁传感器中磁感应强度和电压的变换关系和滤波后的实部信号和虚部信号的数字量计算得到磁感应强度信号的分量复数向量实部虚部并将其输入到电子摆振补偿模块；

电子摆振补偿模块：用于通过实验方法建立不同位移下的多组被测对象的磁感应强度信号的分量复数向量所在椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系；将步骤(8)中得到的磁感应强度信号的分量复数向量实部和虚部代入椭圆曲线的长半轴与位移的函数关系中计算得到位移。

位移非线性校正模块，用于根据椭圆曲线的长半轴与位移的非线性关系，对被测对象位移进行非线性校正得到精确的位移值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。