CN104535022A - 基于宇宙线的材料形变的检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于宇宙线的材料形变的检测方法，包括以下步骤：获取宇宙线穿过材料的偏转角度分布和入、出射位置以作为假设检验的数据来源；根据假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析；根据分析结果判断偏转角度分布是否存在显著差异；如果偏转角度分布存在显著差异，则判定材料发生形变；若已判断材料发生了形变，则根据做出此判断所需的数据量，计算材料的形变量的大小。本发明的方法缩短了宇宙线判断材料形变所需时间，提高材料形变无损检测的效率。本发明还提供了一种基于宇宙线的材料形变的检测系统。
Description
技术领域
本发明涉及材料形变无损检测技术领域，特别涉及一种基于宇宙线的材料形变的检测方法及系统。
背景技术
材料的形变可能引起其功能失效或故障，若材料存放时间或使用时间较长，由于氧化、老化、磨损等多种因素，材料很可能发生形变或变性，为了保证材料的持续可用，功能完善，需要检测存放或使用一段时间后的材料是否发生形变。目前，检测材料是否发生形变的常规方法有肉眼识别、射线检测、声热光电传感等。肉眼识别，方法简便易行，但精度较低；声热光电传感精度较高，但很难对材料内部结构的形变进行检测；依靠射线进行检测一般采用图像重建的方法，包括透射和断层扫描，所使用的人工辐射源通常包括X射线、中子、质子等。对于体积较小的材料，其检测自动化程度和精度都很高，但对于体积较大较厚、内部结构复杂的材料这些射线的穿透能力有限，使用这些射线对大体积材料形变进行无损检测的常规方法，检测能力较低，效果较差，有时甚至失效，而且，使用这些人工辐射源存在材料改性风险。
研究发现，宇宙线能量很高，可穿过体积较大较厚的材料，其中的带电粒子穿过材料时，由于库伦相互作用，径迹会发生偏转，偏转的程度与材料的厚度和原子序数有关，当材料发生形变时，宇宙线的偏转程度会发生改变。
目前，尚未有利用宇宙线判断材料形变的直接方法，现有方法一般采用宇宙线缪子成像方法对材料内部进行成像，其基本原理是通过测量宇宙线中的缪子穿过材料时径迹的偏转，依靠PoCA算法(Point of Closet Approach Algorithm)[1]、最大似然算法(Maximum LikelihoodAlgorithm)[2]、最大后验概率算法(Maximum A Posteriori Algorithm)[3]、以及基于以上算法的各种改进算法[4]等多种二维或三维图像重建算法重建材料的图像，判断材料是否发生形变，分析形变量的大小，由于宇宙线缪子通量较低，约为1cm-2min-1，采用缪子成像方法所需时间较长，图像噪声较大，图像分辨率较差，物体边界清晰度不够，在判断小尺寸形变上困难较大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于宇宙线的材料形变的检测方法，该方法缩短了宇宙线判断材料形变所需时间，提高材料形变无损检测的效率。
本发明的另一个目的在于提供一种基于宇宙线的材料形变的检测系统。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种基于宇宙线的材料形变的检测方法，包括以下步骤：获取宇宙线穿过材料的偏转角度分布和入、出射位置以作为假设检验的数据来源；根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析；根据分析结果判断所述偏转角度分布是否存在显著差异；如果所述偏转角度分布存在显著差异，则判定所述材料发生形变。
根据本发明实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法，根据宇宙线穿过不同材料时径迹偏转角度分布的差异，利用宇宙线测量或模拟的数据作为假设检验的数据来源，利用假设检验的方法，设计零假设和备择假设，根据宇宙线入出射位置分区，对比这些分布，判断分布是否存在显著差异，从而判断材料是否发生形变。因此，该方法缩短了宇宙线快速判断材料形变所需时间，提高材料形变无损检测的效率。
另外，根据本发明上述实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，在判定所述材料发生形变之后，还包括：根据所述偏转角度分布存在显著差异的数据量，计算所述材料的形变量的大小。
在一些示例中，其中，所述假设检验的数据来源包括宇宙线穿过材料的当前测量数据、基于材料先验知识的模拟数据或宇宙线穿过材料的历史测量数据。
在一些示例中，根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析，具体包括：设计零假设：用基于材料先验知识的宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的模拟数据或历史测量数据作为假设材料没有发生形变的数据样本；设计备择假设：用宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的当前测量数据作为假设材料发生了形变的数据样本；对零假设的数据样本和备择假设的数据样本通过假设检验的方法进行分析。
在一些示例中，所述假设检验的方法可判断两组数据样本是否来自于同一个分布，包括Kolmogorov-Smirnov检验和Cramér–von Mises检验。
本发明第二方面的实施例提供了一种基于宇宙线的材料形变的检测系统，包括：数据获取模块，所述数据获取模块用于获取宇宙线穿过材料的偏转角度分布和入、出射位置以作为假设检验的数据来源；数据分析模块，所述数据分析模块用于根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析；判断模块，所述判断模块用于根据分析结果判断所述偏转角度分布是否存在显著差异，并在所述偏转分布存在显著差异时，判定所述材料发生形变。
根据本发明实施例的基于宇宙线的材料形变的检测系统，根据宇宙线穿过不同材料时径迹偏转角度分布的差异，利用宇宙线测量或模拟的数据作为假设检验的数据来源，利用假设检验的方法，设计零假设和备择假设，根据宇宙线入出射位置分区，对比这些分布，判断分布是否存在显著差异，从而判断材料是否发生形变。因此，该系统缩短了宇宙线快速判断材料形变所需时间，提高材料形变无损检测的效率。
另外，根据本发明上述实施例的基于宇宙线的材料形变的检测系统还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，还包括：计算模块，所述计算模块用于在所述材料发生形变时，根据所述偏转角度分布存在显著差异的数据量，计算所述材料的形变量的大小。
在一些示例中，其中，所述假设检验的数据来源包括宇宙线穿过材料的当前测量数据、基于材料先验知识的模拟数据或宇宙线穿过材料的历史测量数据。
在一些示例中，所述数据分析模块根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析，具体包括：设计零假设：用基于材料先验知识的宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的模拟数据或历史测量数据作为假设材料没有发生形变的数据样本；设计备择假设：用宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的当前测量数据作为假设材料发生了形变的数据样本；对零假设的数据样本和备择假设的数据样本通过假设检验的方法进行分析。
在一些示例中，所述假设检验的方法可判断两组数据样本是否来自于同一个分布，包括Kolmogorov-Smirnov检验和Cramér–von Mises检验。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法的流程图；
图2是根据本发明另一个实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法的流程图；
图3是根据本发明一个实施例的利用宇宙线判断材料形变的具体示例的测量结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的基于宇宙线的材料形变的检测系统的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法及系统。
图1是根据本发明一个实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法的流程图，图2是根据本发明另一个实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法的流程图。结合图1和图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，获取宇宙线穿过材料的偏转角度分布和入、出射位置以作为假设检验的数据来源。
在本发明的一个实施例中，结合图2所示，上述的假设检验的数据来源例如包括宇宙线穿过材料的当前测量数据、基于材料先验知识的模拟数据或宇宙线穿过材料的历史测量数据。
步骤S102，根据假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析。在本发明的一个实施例中，该步骤具体包括：
步骤1：设计零假设：用基于材料先验知识的宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的模拟数据或历史测量数据作为假设材料没有发生形变的数据样本。
步骤2：设计备择假设：用宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的当前测量数据作为假设材料发生了形变的数据样本。
步骤3：对于上述得到的零假设的数据样本和备择假设的数据样本，通过假设检验的方法进行分析，得到分析结果。其中，在一些示例中，假设检验的方法可判断两组数据样本是否来自同一个分布，例如包括但不限于Kolmogorov-Smirnov检验和Cramér–von Mises检验。步骤S103，根据分析结果判断偏转角度分布是否存在显著差异。换言之，即根据上述步骤3中得到的分析结果判断两个偏转角度分布是否存在显著差异。
步骤S104，如果偏转角度分布存在显著差异，则判定材料发生形变。
进一步地，结合图2，在步骤S104中，如果判定材料发生形变之后，则根据偏转角度分布存在显著差异的数据量，计算材料的形变量的大小。
作为一个具体示例，以下结合图3描述本发明上述实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法。
在该示例中，如图3所示，在实际应用中，涉及到的主要结构包括记录穿过被测材料23前后的宇宙线24信息的探测器及电子学组件21和22、数据处理单元25、数据分析判断单元26，其中，探测器及电子学组件21包括两块或两块以上位置灵敏探测器21-1、21-2、21-3及相应的电子学，探测器组件22包括两块或两块以上位置灵敏探测器22-1、22-2、22-3及相应的电子学。被测材料23放置在两组探测器及电子学组件21和22的中间，两组探测器及电子学组件21和22可以水平放置、垂直放置、倾斜一定角度放置，两组探测器及电子学组件21和22也可以不正对着放置，可成一定角度。本发明实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法所应用的探测器及电子学组件包含至少一对上述探测器及电子学组件。
参照图3，该方法的具体实施方式说明如下：
S1：当宇宙线24从探测器及电子学组件21入射，穿过被测材料23，再从探测器及电子学组件22出射时，探测器及电子学组件21给出宇宙线24穿过被测材料23前的入射信息，探测器及电子学组件22给出宇宙线24穿过被测材料23后的出射信息。探测器及电子学组件21和22将每个宇宙线24的入射信息和出射信息传输至数据处理单元25。
S2：数据处理单元25对探测器及电子学组件21和22传输过来的信息进行处理，得到宇宙线24穿过被测材料23前后的偏转角度和入射、出射位置，再将这些数据传输至数据分析判断单元26。
S3：数据分析判断单元26对这些偏转角度和入射、出射位置数据进行分析，设计零假设和备择假设，其中，零假设为被测材料23没有发生形变，用基于被测材料23先验知识的宇宙线24穿过被测材料23的偏转角度和入、出射位置的模拟数据或历史实测数据作为零假设的数据样本。备择假设为被测材料23发生了形变，用宇宙线24穿过被测材料23的偏转角度和入、出射位置的当前实测数据作为备择假设的数据样本，对这两个对立的假设，通过假设检验的方法进行分析，如使用Kolmogorov-Smirnov检验等假设检验的方法，给出零假设为真的条件下，出现备择假设的样本的条件概率，即P值。然后根据P值和获得此实测数据样本所需时间，对比形变大小与累积数据进行分辨所需时间的模拟数据标准值，判断被测材料23是否发生形变，若发生形变，进一步计算被测材料23发生形变的大小。
综上，根据本发明实施例的基于宇宙线的材料形变的检测方法，根据宇宙线穿过不同材料时径迹偏转角度分布的差异，利用宇宙线测量或模拟的数据作为假设检验的数据来源，利用假设检验的方法，设计零假设和备择假设，根据宇宙线入出射位置分区，对比这些分布，判断分布是否存在显著差异，从而判断材料是否发生形变，若发生形变，可根据偏转角度分布存在显著差异的数据量估计形变量的大小。因此，该方法缩短了宇宙线快速判断材料形变所需时间，提高材料形变无损检测的效率。另外，该方法可与宇宙线缪子成像图像重建算法相结合，在给出内部图像的同时，给出是否形变的假设检验判断。
本发明的进一步实施例还提供了一种基于宇宙线的材料形变的检测系统。
图4是根据本发明一个实施例的基于宇宙线的材料形变的检测系统的结构框图。如图4所示，该系统400包括：数据获取模块410、数据分析模块420和判断模块430。
其中，数据获取模块410用于获取宇宙线穿过材料的偏转角度分布和入、出射位置以作为假设检验的数据来源。
在本发明的一个实施例中，结合图2所示，上述的假设检验的数据来源例如包括宇宙线穿过材料的当前测量数据、基于材料先验知识的模拟数据或宇宙线穿过材料的历史测量数据。
数据分析模块420用于根据假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析。在本发明的一个实施例中，该过程具体包括以下步骤：
步骤1：设计零假设：用基于材料先验知识的宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的模拟数据或历史测量数据作为假设材料没有发生形变的数据样本。
步骤2：设计备择假设：用宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的当前测量数据作为假设材料发生了形变的数据样本。
步骤3：对于上述得到的零假设的数据样本和备择假设的数据样本，通过假设检验的方法进行分析，得到分析结果。其中，在一些示例中，假设检验的方法可判断两组数据样本是否来自同一个分布，例如包括但不限于Kolmogorov-Smirnov检验和Cramér–von Mises检验。
判断模块430用于根据分析结果判断偏转角度分布是否存在显著差异，并在偏转分布存在显著差异时，判定材料发生形变。换言之，即根据上述步骤3中得到的分析结果判断两个偏转角度分布是否存在显著差异，若存在，则判定材料发生形变。
进一步地，在一些示例中，该装置400还包括计算模块440(图中未示出)。计算模块440用于在材料发生形变时，根据偏转角度分布存在显著差异的数据量，计算材料的形变量的大小。
对该系统400的具体示例性描述参见上述对方法的示例性描述部分，为减少冗余，此处不再赘述。
综上，根据本发明实施例的基于宇宙线的材料形变的检测系统，根据宇宙线穿过不同材料时径迹偏转角度分布的差异，利用宇宙线测量或模拟的数据作为假设检验的数据来源，利用假设检验的方法，设计零假设和备择假设，根据宇宙线入出射位置分区，对比这些分布，判断分布是否存在显著差异，从而判断材料是否发生形变，若发生形变，可根据偏转角度分布存在显著差异的数据量估计形变量的大小。因此，该系统缩短了宇宙线快速判断材料形变所需时间，提高材料形变无损检测的效率。另外，该系统可与宇宙线缪子成像图像重建算法相结合，在给出内部图像的同时，给出是否形变的假设检验判断。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于宇宙线的材料形变的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取宇宙线穿过材料的偏转角度分布和入、出射位置以作为假设检验的数据来源；
根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析；
根据分析结果判断所述偏转角度分布是否存在显著差异；
如果所述偏转角度分布存在显著差异，则判定所述材料发生形变。
2.根据权利要求1所述的基于宇宙线的材料形变的检测方法，其特征在于，在判定所述材料发生形变之后，还包括：
根据所述偏转角度分布存在显著差异的数据量，计算所述材料的形变量的大小。
3.根据权利要求1所述的基于宇宙线的材料形变的检测方法，其特征在于，其中，所述假设检验的数据来源包括宇宙线穿过材料的当前测量数据、基于材料先验知识的模拟数据或宇宙线穿过材料的历史测量数据。
4.根据权利要求3所述的基于宇宙线的材料形变的检测方法，其特征在于，根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析，具体包括：
设计零假设：用基于材料先验知识的宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的模拟数据或历史测量数据作为假设材料没有发生形变的数据样本；
设计备择假设：用宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的当前测量数据作为假设材料发生了形变的数据样本；
对零假设的数据样本和备择假设的数据样本通过假设检验的方法进行分析。
5.根据权利要求4所述的基于宇宙线的材料形变的检测方法，其特征在于，所述假设检验的方法可判断两组数据样本是否来自于同一个分布，包括Kolmogorov-Smirnov检验和Cramér–von Mises检验。
6.一种基于宇宙线的材料形变的检测系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，所述数据获取模块用于获取宇宙线穿过材料的偏转角度分布和入、出射位置以作为假设检验的数据来源；
数据分析模块，所述数据分析模块用于根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析；
判断模块，所述判断模块用于根据分析结果判断所述偏转角度分布是否存在显著差异，并在所述偏转分布存在显著差异时，判定所述材料发生形变。
7.根据权利要求6所述的基于宇宙线的材料形变的检测系统，其特征在于，还包括：
计算模块，所述计算模块用于在所述材料发生形变时，根据所述偏转角度分布存在显著差异的数据量，计算所述材料的形变量的大小。
8.根据权利要求6所述的基于宇宙线的材料形变的检测系统，其特征在于，其中，所述假设检验的数据来源包括宇宙线穿过材料的当前测量数据、基于材料先验知识的模拟数据或宇宙线穿过材料的历史测量数据。
9.根据权利要求8所述的基于宇宙线的材料形变的检测系统，其特征在于，所述数据分析模块根据所述假设检验的数据来源设计零假设和备择假设，并通过假设检验的方法进行分析，具体包括：
设计零假设：用基于材料先验知识的宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的模拟数据或历史测量数据作为假设材料没有发生形变的数据样本；
设计备择假设：用宇宙线穿过材料的偏转角度和入、出射位置的当前测量数据作为假设材料发生了形变的数据样本；
对零假设的数据样本和备择假设的数据样本通过假设检验的方法进行分析。
10.根据权利要求9所述的基于宇宙线的材料形变的检测系统，其特征在于，所述假设检验的方法可判断两组数据样本是否来自于同一个分布，包括Kolmogorov-Smirnov检验和Cramér–von Mises检验。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150422 |