CN103837580B - 一种基于超声和电磁超声相结合的双模无损检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超声和电磁超声相结合的双模无损检测方法及装置，首先在非静磁场作用下，利用超声检测方法对金属构件进行粗检；然后在静磁场作用下，对金属构件施加脉冲激励电流.金属构件在静磁场的作用下其内部产生洛伦兹力，洛伦兹力将导致声信号的产生，在金属构件有缺陷和无缺陷位置处产生的超声信号不同。通过贴放在金属构件上的超声探头阵列重建金属构件的电导率分布，通过电导率分布结合超声检测结果检测金属构件缺陷。应用本发明检测方法的装置中，控制系统（2）连接脉冲激励系统（1）、超声探头阵列（4）和磁体系统（3），超声探头阵列（4）连接信号检测处理系统（5），信号检测处理系统（5）连接重建系统（6）。

Description

一种基于超声和电磁超声相结合的双模无损检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种超声和电磁超声相结合的双模无损检测方法和装置。

背景技术

无损检测技术是在不损伤被测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来实现对各种工程材料、零部件、结构件等内部货表面缺陷的检测，并对检测对象存在缺陷的类型、尺寸、形状、位置等信息做出判断和评价的技术。无损检测涉及了物理学、材料学、电子信息技术等多个学科及技术领域。

目前对于金属板面的部件常规的检测方法包括超声波检测、射线检测、漏磁检测、涡流检测以及声发射检测技术等，传统检测技术在金属构件的检测中取得了很好的效果，但任何一种单一的方法都不可能实现所有金属构件的高灵敏检测，尤其对微细缺陷和疲劳损伤的金属构件的检测，因此急需快速、精确、高灵敏的金属构件缺陷检测方法。

通过专利检索可见利用电磁方式的无损检测方法有电磁激励的声发射无损检测方法，例如“金属材料的电磁声发射无损检测方法及其装置”专利申请号201210112145.1和“一种金属材料的电磁声发射无损检测装置”，专利申请号为201210140882.2，该方法仅采用电磁作为激励，不存在静磁场因此导致的电磁激励的功率大，激励源实现困难，检测灵敏度受限。同时该方法的检测机理与本发明完全不同，电磁声发射产生的原因是由于内部结构的不均匀及各种缺陷的存在造成应力集中，从而使局部应力分布不稳定，导致应力的重新分布，从而应变能以应力波的形式发射出去，产生声信号。而电磁超声的检测原理则是交变电流信号在静磁场的作用下产生洛伦兹力进而产生声波信号，内部缺陷的存在导致电导率的分布发生变化，使得产生的声波信号也发生变化，因此通过声波信号重建电导率，再进一步通过电导率判断缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的检测灵敏度不高，检测参数单一的缺点提出一种高灵敏、快速、多参量的无损检测方法。本发明采用超声检测方法和电磁超声相结合的方式，首 先利用超声检测方法获取缺陷的厚度信息、缺陷深度等常规信息，再利用电磁超声方法对缺陷进行进一步的判断。超声探头既作为超声检测方法的发射和接收器件，同时又作为电磁超声检测方法的接收器件。

本发明检测方法的主要原理为：首先在非静磁场作用下，利用超声检测方法对金属构件进行粗检，然后在静磁场作用下，对金属构件施加脉冲激励电流。金属构件在静磁场的作用下其内部产生洛伦兹力，洛伦兹力将导致声信号的产生，在金属构件有缺陷和无缺陷位置处产生的超声信号不同。通过贴放在金属构件上的超声探头阵列检测超声信号，利用此超声信号可以重建金属构件的电导率分布，通过电导率分布结合超声检测结果可检测金属构件缺陷，检测精度和灵敏度高，判断快速。

应用本发明无损检测方法的检测装置包括脉冲激励系统、超声探头阵列、磁体系统、控制系统、信号检测处理系统和重建系统。控制系统分别连接脉冲激励系统、超声探头阵列和磁体系统，超声探头阵列连接信号检测处理系统，信号检测处理系统连接重建系统。超声探头阵列的探测面和被测金属构件之间通过水或者绝缘油进行耦合，式，超声探头阵列的检测面与主磁场方向垂直。

本发明的检测装置的工作过程如下：

所述的控制系统控制磁体系统，首先使磁体系统处于关闭状态，采用超声阵列自发射和自接收的方式获得被测金属构件的超声回波信号，利用超声无损检测方式对缺陷进行粗判断。然后开启磁体系统，控制系统同时控制脉冲激励系统发射脉冲激励信号，发射的脉冲激励信号频率范围为20KHz-500KHz，脉冲电流激励系统通过电极加载在被测金属构件上，在外加磁场的作用下，被测金属构件内部产生洛伦兹力，尤其在缺陷处的洛伦兹力分布明显不同，洛伦兹力导致声波信号的产生，通过贴放在被测金属构件表面的超声探头阵列接收超声信号，然后超声信号经过信号处理系统进行放大和滤波得到高信号比的超声信号，利用得到的超声信号经过重建系统对被测金属组件的洛伦兹力分布进行重建，进一步得到电流密度分布，通过电流密度分布得到电导率的分布，根据电导率的分布对被测金属构件的缺陷进行定位和分析。

磁声无损检测的具体重建过程可以用下面的方程进行描述：

首先对于在外加磁场作用下产生的超声波信号进行还原：

$m(r,t)=p(r,t)*h\left(t\right)+\mathrm{\γ}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，*表示卷积运算，表示原始声场，为噪声信号，为超声换能器的时域脉冲响应，表示经过信号处理系统后接收到的超声波信号。公式(1)的频域表示 为：

$M(r,\mathrm{\ω})=P(r,\mathrm{\ω})\×H\left(\mathrm{\ω}\right)+Y\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

其中和分别是和的傅里叶谱。则基于最小均方差估计，存在噪声时，根据维纳滤波反卷积理论，超声换能器处的原始声场可以通过维纳滤波反卷积恢复：

$p(r,\mathrm{\ω})=\frac{M(r,\mathrm{\ω})H\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+C}---\left(3\right)$

$p(r,t)={\mathrm{FFT}}^{-1}\left(\frac{M(r,\mathrm{\ω})H\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+C}\right)---\left(4\right)$

式中 为乘数因子，为反傅里叶符号。利用超声换能器接收到的超声信号通过公式(4)利用维纳滤波反卷积可得到超声换能器处的原始声场求出原始声场后，即可用时间反演法进行样品声源分布的重建，在声源分布求解后，利用磁体系统主磁场与超声探头阵列的探头垂直的情况，外加磁体系统的磁场只有单一分量，假设为 为一常数，为外加磁体系统的磁场强度，是方向矢量，因此有，

$\▿\·(J\×B_0)=\▿\×J\·B_0---\left(5\right)$

超声探头阵列的扫描方式为断层圆周扫描方式，外加磁体系统的磁通密度为方向，可以对公式(5)进行简化：

$\▿\·(J\×B_0)=\▿\×J\·B_0=\▿\×J{|}_z\·B_0---\left(6\right)$

即样品中的电流密度只有分量，由公式(6)可以得到：

$\▿\×J{|}_z=\left|\begin{array}{ccc}{e}_x& e_y& e_z\\ \frac{\∂}{\∂x}& \frac{\∂}{\∂y}& \frac{\∂}{\∂z}\\ J_x& J_y& 0\end{array}\right|=(\frac{{\∂J}_y}{\∂x}-\frac{{\∂J}_x}{\∂y})e_z---\left(7\right)$

又由电流的连续性定理，电流密度的散度为：

$\▿\·H=0---\left(8\right)$

令 $\▿\×J{|}_z=f(x,y),$ 可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\∂}^2{J}_x}{{\∂}^{2}x}+\frac{{\∂}^2{J}_x}{{\∂}^{2}y}=-\frac{\∂f(x,y)}{\∂y}\\ \frac{{\∂}^2{J}_y}{{\∂}^{2}x}+\frac{{\∂}^2{J}_y}{{\∂}^{2}y}=\frac{\∂f(x,y)}{\∂x}\end{array}\right.---\left(9\right)$

是获得的洛伦兹力散度的表达式。在已知洛伦兹力散度和静磁场的磁通密度的条件下，由公式(9)电流密度满足的方程，以及相应的边界条件即可重建被测金属构件断层的电流密度分布。

获得电流密度后，参照磁共振电阻抗成像中电导率的重建方法，通过迭代算法即可重建金属构件样品的电导率分布。

本发明基于超声和电磁超声相结合的金属构件无损检测方法不同于传统的检测方法，两种方法相结合克服了单一方法漏检和误判的缺点，该方法具有检测精度高、提高误判率的优点，具有广泛的应用前景和潜在的应用价值。

附图说明

图1本发明系统结构示意图；

图中1脉冲激励系统，2控制系统，3磁体系统，4超声探头阵列，5信号检测处理系统，6重建系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明无损检测装置包括脉冲激励系统1、超声探头阵列4、磁体系统3、控制系统2、信号检测处理系统5和重建系统6。控制系统2连接脉冲激励系统1、超声探头阵列4和磁体系统3，超声探头阵列4连接信号检测处理系统5，信号检测处理系统5连接重建系统6。超声探头阵列4的探测面和被测金属构件之间通过水或者绝缘油进行耦合，超声探头阵列4的检测面与主磁场方向垂直。

本发明的检测装置的工作过程如下：

所述的控制系统2控制磁体系统3，首先使磁体系统3处于关闭状态，采用超声探头阵列4自发射和自接收的方式获得被测金属构件的超声回波信号，利用超声无损检测方式对缺陷进行粗判断。然后开启磁体系统3，控制系统2同时控制脉冲激励系统1发射脉冲激励信号，发射的脉冲激励信号频率范围为20KHz-500KHz。所述的被测金属构件和超声探头阵列4位于水溶液或绝缘油溶液内，在外加磁场的作用下，被测金属构件内部产生洛伦兹力，尤其在缺陷处洛伦兹力分布明显不同，洛伦兹力导致超声信号的产生，通过位于水溶液或绝缘油溶液内的超声探头阵列4接收超声信号，然后超声信号经过信号处理系统进行放大和滤波得到高信号比的超声信号，利用得到的超声信号经过重建系统对被测金属构件的洛伦兹力分布进行重建，进一步得到电流密度分布，通过电流密度分布得到电导率的分布，根据电导率的分布对被测金属构件的缺陷进行定位和分析。基于电磁超声无损检测的具体重建过程可以用下面的方程进行描述：

首先对于在外加磁场作用下产生的超声波信号进行还原：

$m(r,t)=p(r,t)*h\left(t\right)+\mathrm{\γ}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，*表示卷积运算，表示原始声场，为噪声信号，为超声换能器的时域脉冲响应，表示经过信号处理系统后接收到的超声波信号。公式(1)的频域表示为：

$M(r,\mathrm{\ω})=P(r,\mathrm{\ω})\×H\left(\mathrm{\ω}\right)+Y\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

其中和分别是和的傅里叶谱。则基于最小均方差估计，存在噪声时，根据维纳滤波反卷积理论，超声换能器处的原始声场可以通过维纳滤波反卷积恢复：

$p(r,\mathrm{\ω})=\frac{M(r,\mathrm{\ω})H\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+C}---\left(3\right)$

$p(r,t)={\mathrm{FFT}}^{-1}\left(\frac{M(r,\mathrm{\ω})H\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+C}\right)---\left(4\right)$

式中 为反傅里叶符号。利用超声换能器接收到的超声信号 通过公式(4)利用维纳滤波反卷积可得到超声换能器处的原始声场求出原始声场后，即可用时间反演法进行样品声源分布的重建，在声源分布求解后，利用磁体系统主磁场与超声探头阵列的探头垂直的情况，外加磁体系统的磁场只有单一分量，假设为 为一常数，因此有：

$\▿\·(J\×B_0)=\▿\×J\·B_0---\left(5\right)$

超声探头阵列的扫描方式为断层圆周扫描方式，外加磁体系统的磁通密度为方向，可以对公式(5)进行简化：

$\▿\·(J\×B_0)=\▿\×J\·B_0=\▿\×J{|}_z\·B_0---\left(6\right)$

即样品中的电流密度只有分量，由公式(6)可以得到：

$\▿\×J{|}_z=\left|\begin{array}{ccc}{e}_x& e_y& e_z\\ \frac{\∂}{\∂x}& \frac{\∂}{\∂y}& \frac{\∂}{\∂z}\\ J_x& J_y& 0\end{array}\right|=(\frac{{\∂J}_y}{\∂x}-\frac{{\∂J}_x}{\∂y})e_z---\left(7\right)$

又由电流的连续性定理，电流密度的散度为：

$\▿\·H=0---\left(8\right)$

令 $\▿\×J{|}_z=f(x,y),$ 可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\∂}^2{J}_x}{{\∂}^{2}x}+\frac{{\∂}^2{J}_x}{{\∂}^{2}y}=-\frac{\∂f(x,y)}{\∂y}\\ \frac{{\∂}^2{J}_y}{{\∂}^{2}x}+\frac{{\∂}^2{J}_y}{{\∂}^{2}y}=\frac{\∂f(x,y)}{\∂x}\end{array}\right.---\left(9\right)$

在已知洛伦兹力散度和静磁场的磁通密度的条件下，由公式(9)电流密度满足的方程，以及相应的边界条件即可重建被测金属构件断层的电流密度分布。

获得电流密度后，参照磁共振电阻抗成像中电导率的重建方法，通过迭代算法即可重建样品的电导率分布。

Claims (1)

1.一种基于超声和电磁超声相结合的双模无损检测方法，其特征在于所述的检测方法是首先在非静磁场作用下，利用超声检测方法对金属构件进行粗检；然后在静磁场作用下，对金属构件施加脉冲激励电流；金属构件在静磁场的作用下其内部产生洛伦兹力，洛伦兹力将导致超声信号的产生，在金属构件有缺陷和无缺陷位置处产生的超声信号不同；通过贴放在金属构件上的超声探头阵列检测超声信号，利用此超声信号重建金属构件的电导率分布，通过电导率分布结合超声检测结果检测金属构件缺陷；

所述的重建金属构件的电导率分布过程的步骤如下：

首先对于在外加磁场作用下产生的超声信号进行还原：

$m(r,t)=p(r,t)*h\left(t\right)+\mathrm{\γ}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，*表示卷积运算，表示原始声场，为噪声信号，为超声换能器的时域脉冲响应，表示经过信号处理系统后接收到的超声信号；

公式(1)的频域表示为：

$M(r,\mathrm{\ω})=P(r,\mathrm{\ω})\×H\left(\mathrm{\ω}\right)+Y\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

其中和分别是和的傅里叶谱；则基于最小均方差估计，存在噪声时，根据维纳滤波反卷积理论，超声换能器处的原始声场能够通过维纳滤波反卷积恢复：

$p(r,t)={\mathrm{FFT}}^{-1}\left(\frac{M(r,\mathrm{\ω})H\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+C}\right)---\left(4\right)$

式中 为乘数因子，为反傅里叶符号；

然后利用超声换能器接收到的超声信号通过公式(4)利用维纳滤波反卷积得到超声换能器处的原始声场求出原始声场后，可用时间反演法进行样品声源分布的重建，在声源分布求解后，利用磁体系统主磁场与超声探头阵列的探头垂直的情况，外加磁体系统的磁场只有单一分量，假设为 为一常数，为外加磁体系统的磁场强度，是方向矢量，结合电流连续性定理求解电流密度：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\∂}^2{J}_x}{{\∂}^{2}x}+\frac{{\∂}^2{J}_x}{{\∂}^{2}y}=-\frac{\∂f(x,y)}{\∂y}\\ \frac{{\∂}^2{J}_y}{{\∂}^{2}x}+\frac{{\∂}^2{J}_y}{{\∂}^{2}y}=\frac{\∂f(x,y)}{\∂x}\end{array}\right.---\left(9\right)$

是获得的洛伦兹力散度的表达式；在已知洛伦兹力散度和静磁场的磁通密度的条件下，由公式(9)电流密度满足的方程，以及相应的边界条件重建被测金属构件断层的电流密度分布；

最后获得电流密度后，参照磁共振电阻抗成像中电导率的重建方法，通过迭代算法重建金属构件样品的电导率分布。