基于经验模态分解方法的高频薄壁铝焊管涡流探伤初探

通过分析对比几种常见的无损检测技术，提出用涡流探伤检测高频薄壁铝焊管焊缝质量的新方法，并针对输出的检测信号非线性、非平稳的特点，探讨了几种现代信号分析方法，并分析了它们的优缺点和经验模态分解（EMD）方法在检测涡流探伤信号上的应用优势，指出经验模态分解方法的应用前景。

中冷器用高频薄壁铝焊管是在高速运转的生产线上生产的，如何准确、高效地检测焊缝的质量是整条生产线的关键一环。涡流探伤作为一种无损检测技术，利用交流电磁线圈在金属构件表面感应产生的涡流遇到缺陷会产生变化的原理，检测时不要求线圈与构件紧密接触，易实现检验高速自动化。

1几种常用的无损检测技术的比较

常用的可对焊缝进行无损检测技术有射线检测、超声波检测和涡流检测等，在高频薄壁铝焊管的高速生产过程中采用哪种方法在此进行分析与讨论。

1.1射线检测技术

常用的X射线和γ射线检测，在基本原理上是相同的，其可通过检测透过被检测对象后的射线强度的差异，来判断被检测对象中是否存在缺陷。一方面，射线会对人体产生伤害，必须考虑生产线上的辐射防护问题，因此增加了危险性和工业成本；另一方面，射线检测主要检查工件的内部缺陷，最适宜体积型缺陷，对于表面气孔、表面夹杂等，在底片上和内部缺陷的影像是没有什么区别的，检测结果须进一步对比分析，实时性较差，故不适合高频薄壁铝焊管的焊缝质量检测要求。

1.2超声波检测技术

超声波是频率高于20 kHz的声波，方向性好，穿透能力强，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。超声波检测是使超声波与被检测对象相互作用，根据超声波的反射、透射和散射的行为，对被检测对象进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，进而对其应用性进行评价的一种技术，广泛应用于工业生产、医疗器械和海洋探测等领域。

超声波检测适应面广，对人体和环境无害，但是，一方面，如何对缺陷进行准确的定性、定量仍缺乏深入的研究；另一方面，为使声源进入试件，必须使用耦合剂对检测探头进行耦合。故其也不适合高频薄壁铝焊管的焊缝检测要求。

1.3涡流检测技术（涡流探伤）

涡流检测技术是一种表面或近表面的检测方法，利用电磁感应原理，通过测定涡流的大小和分布可检测出铁磁性或非铁磁性材料的缺陷。由于涡流因电磁感应而生，因此进行涡流检测时，检测线圈不必与被检测对象紧密接触，不用耦合剂，且检测速度快，检测灵敏度高，适合采用在连续性、速度高的高频薄壁铝焊管的生产线上检测焊缝质量。

涡流探伤技术的检测信号，是一种非线性、非平稳的信号，具有速度快、变化快的特点。涡流探伤的信号处理技术，要求提高信号的信噪比和抗干扰能力，实现信号的实时识别、分析和诊断，以得出最佳的信号特征和检测结果。

通过对涡流探伤仪器采集到的信号进行分析与处理，可确定检测对象是否符合工艺要求，而对检测信号的分析与处理，获取各种信息特征，是涡流探伤技术中的重要环节。近年来，研究者在傅里叶变换的基础上，提出了许多新的分析信号的理论，如：短时傅里叶变换、魏格纳分布、小波变换、EMD分析方法等。

2几种现代信号分析方法比较

2.1短时傅里叶变换（STFT）

短时傅里叶变换是在傅里叶变换的基础上，将信号划分成许多小的时间间隔，并用傅里叶变换分析每个时间间隔，以确定在时间间隔内存在的频率。为研究信号在时间t的特性，将待分析信号S（τ）乘以窗函数h（t），使围绕时间t的信号得到加强。在窗函数h（t）宽度足够窄时，将信号看作是平稳的。

采用STFT方法时，为得到某一时刻信号的频谱，要求窗口的宽度非常窄，但时域加窗时，时窗窗口的宽度越窄，在提高时间分辨率的同时，会降低频率分辨率；同理，频域加窗时，频窗窗口的宽度越窄，在提高频率分辨率的同时，会降低时间分辨率，也就是说时间分辨率与低频率分辨率之前存在互相矛盾、互相制约的关系。

2.2小波变换

通过伸缩（膨胀）和平移等运算功能，对信号进行多尺度化分析，是空间（时间）和频率的局部变换，能有效地将信息从信号中提取出来。

小波分析由于能自动调节时间窗口，因而其时间分辨率高、频率分辨率低，但也有许多不足，比如最常用的Morlet小波的基函数长度有限，会导致能量泄漏；再者它不具备自适应性，小波基函数一旦选定，在整个分析过程中只能使用这一个基函数，导致分析效果不理想。

2.3经验模态分解（EMD）方法

经验模态分解方法是由美国国家宇航局的N EHuang于1998年提出的一种分析非线性非平稳时间序列的新方法，其利用EMD方法求得信号的本征模态函数（IMF），并对其进行希尔伯特变换，求得时频分析结果。

3 EMD方法在涡流探伤信号检测中初探本节用Matlab对EMD方法在信号检测中应用进行模拟仿真。设信号X（t）=2e ti+e 3ti+0.5t，由此得到信号的时域图。

（1）原序列的变化信息集中在少数几个IMF分量上，提高了分解的效率，增强了在实际应用中的便捷性，提高了分解的精度和效率。

（2）可以揭示出一个复杂的信号序列是由那些不同时间尺度的内在振荡构成，以及振荡模态的相对重要性。

经验模态分解通过对非线性、非稳定信号进行逐层分解，获取若干个本征模态函数（IMF），并通过提取每个分量的瞬时特征，完成复杂信号的特征提取，为进一步分析和处理打下了良好的基础，因此，经验模态分解方法适宜分析涡流探伤技术采集的复杂检测信号。

4结论

EMD方法在涡流探伤信号检测中的应用，具有便捷性、高精度、高效率的优点，它是当前迅速发展并广泛使用的研究时间序列的方法。近年来，不断有学者在改进瞬时频率的计算方法、改善EMD算法的稳健性、探索二维EMD方法等方面，对EMD方法进行着发展和完善，相信在不远的未来，EMD方法必将得到更加广泛的应用。