小波变换式铁磁材料表面探伤

W avelet Transform Type Surface Flaw Detecting ofFerromagnetism MaterialZHAO Xtu-zht L，cHEN Jia.xin(1.Department of Electronic Engineering，Zhejiang Industry&Trade Vocational Colege，Wenzhou Zhejiang 325000，China；2.Colege of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)Abstract：Because of the interaction between the surface flaw of the ferromagnetic material and theexcitation magnetic field would results in leakage magnetic fields，the surface flaw of ferromagneticmaterial is implemented by using Hall element to measure the leakage magnetic fields.The researchshows that the measurement accuracy will be improved if the following measures are implemented，including selecting the Hall element with a good linearity，selecting true effective value AC/DC voltageconverter，using a high stability DC constant current source，and selecting a high frequency AC constantsource.In addition，to eliminate the interference signals，the wavelet inverse transform processor ofsurface acoustic wave type is used in the surface inspection of ferromagnetic materia1.The theoreticaland experimental results show that the wavelet inverse transform processor of surface acoustic wave typecan eliminate the interference signal effectively。

Key words： ferromagnetism material； surface flaw detecting； leakage magnetic field； waveletj nverse transform铁磁材料 (如钢铁工件 )表面探伤 的方 法有多种 ，如超 声 波探 伤口 ]、涡 流探 伤 ]、红 外 热 波探伤 ]、电磁无损探伤法[6 等.超声波探伤具有探伤精度高、探头质量轻等特点，但检测电路相对复杂.涡流探伤具有对表面裂纹有很高的灵敏度和测量精度，并且无污染等特点，但同样存在检测电路相对复杂的缺点.红外热波探伤具有快速、高效等优点，但容易受到环境的干扰.电磁无损探伤方法具有简单、实用、价格低廉等优点，所以本文采用电磁无损探伤方法来检测铁磁性材料的表面缺陷，该方法是利用励磁磁惩缺陷相互作用产生的漏磁场来检测铁磁性材料表面(或近面表)的缺陷，其中，漏磁场采用霍尔元件测量。

收稿 日期 ：2012-06-08作者简介：赵秀芝(1978 )，女，浙江苍南人，讲师，硕士，研究方向为信息通讯.E-mail：zxz760768###163.CON364 东华大学学报 (自然科学版) 第39卷为了消除干扰信号，将声表面波式小波反变换处理器件应用于铁磁性材料表面探伤中.当声表 面波器件的输入换能器和输 出换能器的电极条重叠包络根据小波函数包络加权时 ，得到 的声表面波器件的输入换能器和输 出换能器的脉冲响应 函数等于小波函数，从而研制出了声表面波式小波反变换处理器.该声表面波式小波反变换处理器是带通滤波器件.因此，其能够消除干扰信号。

1 测量原理如果铁磁性材料的表面 (或近面表)没有缺陷，交流调频恒流源则外加磁场通过铁磁性材料时 ，不会产生漏磁场 ；如果铁磁性材料 的表面(或近面表)有缺 陷，则外加磁场通过铁磁性材料时，就会 产生漏磁场.缺陷越大，产生的漏磁场越强.漏磁场探伤方法检测铁磁性材料表面缺陷的测量电路如图1所示。

由图 1可知 ，当电流 i通过线圈N 时，在铁心中产生磁场 B，该磁场 B在穿过铁磁性材料 的表面缺陷处时会产生漏磁场 ，该漏磁场通过霍尔元件后，在其输出端产生霍尔输出电压 U ，U 通过仪表放大器 、声表面波式小 波反变换处理器、AC/DC电压转换器后 ，被输入微型计算机 中得以显示。

图 1 测量电路Fig.1 M easurement circuit2 用声表面波式小波反变换处理器消除干扰信号函数 ；k取整数。

小波函数如式(1) 所示。 .y( )-(f)-2 T (毒) (1)其中：2 为二进小波函数的尺度 ；忌为从 -oo到oo的整数；t为时间。

T2 (r)- 厂 2 -j 专 ( r-t d -2。÷j ) ( )d (2)其 中：wT表示小波变换 ；r表示时间； 表示小波2 (r) 2 ， (f)dr-。 告 ( dr (3)其中： 为 厂的小波反变换信号；A和 B为常数。

当式 (1)的 ， (f)是 Morlet小波 函数时 ，式(1)可变换为- 2告e专( ) e z ( ) (4)其中：2告e吉( ) 为小波函数的包络；fo为中心频率 ；j为虚单位。

本文以尺度为 2 的小波反变换为例，论述小波反变换处理器的设计.图 2所示 为声表面波式小r J R r J R ∑ ∑第3期 赵秀芝，等：小波变换式铁磁材料表面探伤 365波反变换处理器。

图 2 声表面 波式小 波反变换处理器Fig.2 W avelet reverse transform processor of surfaceacoustic wave type当尺度为 2 ，式 (4)可变换为(a)交流高频恒流源的输出电流信号(b)声表面波式小波反变换处理器的输入信号(c)声表面波式小波反变换处理器的输出信号图 3 波形图Fig.3 W aveforms( )-，fie- 。mz (5) 3 测量精度的提高其中： e 为尺度为 2 的小波函数 ， 的包络 ；2fo为中心频率。

当式(2)中k--1，结合式(5)可知 ]，尺度为2 小波可变换为rT2 (r)--厂 2 -I ( ) 2- (r-)dtJRI厂 e eJZ2foh dt (6)JR当式(3)中是--1，结合式(5)和(6)可知，尺度为 2 小波反变换计算式为2 l( )- (r)√ e -2- (r～)d ]( 7)其中： 2 1(r-)-√2e e f0 ”； 2-1(t-r)-r] ej21：fo(h )。

本文所用的声表面波式小波反变换的处理器为带通滤波器件.当声表面波式小波反变换处理器 的频率与干扰信号的频率相差较大时 ，该处理器能够消除干扰信号 .当含有干扰的输入信号(如图3(b)所示)通过图 2所示 的声表面波式 小波反变换处理器 。 时，干扰信号大大减弱，甚至消除(如图 3(c)所示).由此得知 ，本文的声表 面波式小波反变换处理器能够有效消除干扰信号。

为提高漏磁场探伤方法检测铁磁性材料表面缺陷的测量精度 ，可从霍尔元件、电源及 电压转换器的选择方面进行探讨。

3.1 霍尔元件的选择本文选择线 性度 良好 的HB-SHJ砷化镓霍尔元件，其技术指标如下 ：灵敏度为4～20 mV/(mA ·100 roT)；线性度为 0.1 ；控制 电流为 1～20 mA；输入电阻为 200 1 000 Q；不等位 电势小于 1 mV；使用温度范围为-55～125℃；霍尔电压的温度系数为-0.06 /oc；输入电阻温度系数为 O.6 /c。

3.2 高稳定度的直流恒流源电路选择从图 1所示的测量 电路 可知，本文的测量 电路需要-个受温度 、时间变化影响小，稳定性高的直流恒流源给霍尔元件供电.图 4为直流恒流源电路。

E图 4 霍尔 元件 直流恒流源Fig.4 Constant current SOlrce of Hall element东华大学学报(自然科 学版) 第39卷本文选用 MC 1403(F 1403)型高精度电压源，其输出电压 U -2.5 V，U 加到运算放大器 A 同相输入端 ，并且进行放大 ，反馈到运算放大器的反相输入端 ，反相输入端的电压接近于 U.，从而可知电阻R。和电位器 RP中流过 的电流r rIH- uj (8)由于 J。≈ 0，故霍 尔元件通过 的直流恒 流电流也为 JH。

在式(8)中，高稳定度电压源 MC 1403(F 1403)输出的电压 U.-2.5 V，电阻(R AR)与直流恒流源的电流成反比。

直流恒流源随时间和温度 的变化而变化ll ，其主要原因及解决措施如下所述。

(1)电压源的输 出电压随着时间和温度的变化而变化.为解 决该问题 ，采用 了高稳定度 的电压源MC 1403，在标准条件下 ，该电压源 4 h内的稳定度为 0.002 。

(2)电阻JR：及RP的取值随着时间和温度的变化而变化.电阻 R 采用 RX70电阻，该 电阻是线绕电阻，稳定度很高.电位器 RP采用多圈型电位器 ，该电位器具有 良好的稳定性。

(3)放大器 A 的噪声 、增益及漂移随着时间和温度的变化而变化.因此 ，选用噪声孝增益高、漂移小的放大器 ，如 F 0152型。

(4)三极管 T 的穿透电流及跨导随着时间和温度而变化.因此 ，采用穿透电流孝高跨导的三极管。

3.3 高稳定度的交流高频恒流源电路选择从图 1所示的电路可知 ，该测量 电路需要 -个随时问 、温度变化影响非常小的高稳定性的交流高频恒流源.图 5所示为交流高频恒流源电路。

L图 5 交流高频恒流源Fig.5 Alternating constant current source of high frequency从图 5可知 ，正弦交流基准电压源 的输 出电压- /fUsin t，由于放大器 A。的输入阻抗和开环增益都很高，所以 ≈ 址 ， 0，从而得到 i i，这样U - U- U i2R 4- 4，则- - 学 - (9)从式(9)可知 ，交流恒流电流 i只与电压 、电阻 R 有关.当电压 不变时，交流恒流电流 i与电阻R 成反比；当电阻 R 不变 时，交流恒流电流 i与 电压 成正比交流高频恒流源随时间和温度变化的主要原因及解决措施如下所述。

(1)交流基准电压源随时间和温度的变化而变化.为了解决该问题 ，选用高度的稳幅稳频正弦文氏振荡器作为交流基准电压源。

(2)电阻 R 的取值随时问和温度 的变化 而变化.为此，电阻 尺 采用高稳定度的金属膜 电阻 ，而非线绕型的电阻。

(3)放大器 A 的噪声、增益及漂移 随时问和温度的变化而变 化.为此，采用 噪声 孝增 益高、漂移小 ，且频率特性 良好 的放大器。

(4)三极管 T 和 T 的穿透电流及跨导随时问和温度的变化而变化.为此，宜采用穿透电流孝跨导高 ，且具有 良频率特性的三极管。

3.4 AC/DC电压转换器选择AC/DC电压转换器 (即交直流电压转换器)分为两种类型：平均值 AC/DC电 转换 器和真有效值 AC/DC电压转换器。

平均值 AC/DC电压转换器 的缺点是抗波形畸变能力差 ，而真有效值 AC/DC电压转换 器抗 波形畸变的能力强，即其能够精确测量各种 电压波形的有效值.随着集成电路的迅速发展，集成真有效值AC/DC电压转换器品种繁多.本文选用美国 AD公司生产的 AD 736型集成真有效值 AC/DC电压转换器 ，该转换器具有转换精度高、频率特性好、输 出阻抗低、输入阻抗高、灵敏度高、测量速度快 、电源范围宽及功耗低等特点。

4 结 语本文采用电磁无损探伤方法对铁磁性材料(如钢铁工件)表面缺陷进行检测.该 电磁无损探伤方法是利用磁场与缺陷相互作用产生漏磁信号 ，再用霍尔元件检测漏磁信号，达到准确检测铁磁性材料(如钢铁工件)表面缺陷的 目的.将声表面波式小波反变第3期 赵秀芝 ，等：小波变换式铁磁材料表面探伤 367换处理器应用 于铁磁性材料表面探 伤中 ，理论和试验结果表明 ，声表面波式小波反变换处理器能够有效地消除干扰信号。