CN104677987A - 一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法及系统。系统采用脉冲、正弦、调频、调相等不同模式的激励信号驱动涡流传感器，在被检对象中感应出涡流。把涡流传感器的输出信号作为时域响应信号，把无缺陷区域的时域响应信号作为参考信号。对时域响应信号与参考信号实施互相关算法，得到互相关幅值和相位。从互相关幅值和相位中提取特征值，进行缺陷检测；通过标准试件试验，建立特征值与深度的定量对应关系，实现缺陷深度的定量；显示扫描路径上每个检测点的互相关幅值和相位，进行B扫描成像；借助于扫描机构检测某个区域，采用特征值进行C扫描成像。该方法及系统具有信噪比高、深度定量准确、抗干扰性好等优点，可应用于无损检测领域。
Description
技术领域
本发明属于装备无损检测、材料表征评估、结构健康监测和产品质量控制等技术领域，特别是涉及一种涡流电磁无损检测方法及系统。
背景技术
随着现代科学和工业技术的发展，无损检测技术已成为保证产品质量和设备运行安全的必要手段。目前具有代表性的无损检测技术主要有射线检测、超声检测、渗透检测、磁粉检测、涡流检测（Eddy Current Testing, ECT）以及发展迅速的热成像检测、错位散斑干涉等技术。
涡流检测技术是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，适用于导电材料。其基本原理是，给导体附近的线圈施加激励信号，通过测量线圈中的电压或电流变化，就可以判断导电材料中有无缺陷，并推断出缺陷的大小。涡流检测技术是一个大家庭，包含常规涡流检测、多频涡流检测、远场涡流检测和脉冲涡流检测等技术。
涡流检测技术种类繁多，大致可分为稳态法和瞬态法。稳态法采用一个或多个交流信号去激励涡流传感器，其采用的信号处理与分析技术主要是阻抗分析法，通过幅值和相位的变化对缺陷进行检测和深度定量[1, 2]。瞬态法主要采用随时间变化的电压或电流信号去激励涡流传感器。典型的瞬态法是脉冲涡流检测技术（Pulsed Eddy Current Testing, PECT）。瞬态法涡流传感器的输出信号是随时间变化的，主要从时域或频域响应信号中提取各种特征值来检测和评估缺陷。由于具有检测速度快、深度大、灵敏度高、频谱宽、易定量等优势，瞬态法已成为最具发展前景的一类涡流检测技术[3]。
申请号为200910111030.9的中国专利公开了一种基于时间闸门的脉冲涡流检测方法，用阵列区域内各位置点检测信号在同一时间点的相对幅值数据进行成像处理，以得到被测构件的缺陷信息[4]。申请号为201310224561.5的中国专利公开了一种脉冲涡流缺陷定量检测方法及检测系统，该检测方法利用无缺陷时的参考信号和缺陷情况已知的检测信号在时域内的差分峰值或频域内基频差分峰值对被测试件表面缺陷深度或宽度进行标定与检测[5]。申请号为201410017024.8的中国专利公开了一种变脉宽激励的脉冲涡流检测方法，采用变脉宽激励，可对被测构件的各区域特征进行检测，不易受噪声影响[6]。
除采用脉冲信号进行激励外，含有多频信息的调频信号也被用来激励涡流传感器。申请号为201010506292.8的中国专利公开了一种调制多频涡流检测方法，对检测信号进行FFT 变换后提取特征值，可有效降低涡流检测系统激励信号和响应信号的峰值因数，提高检测速度[7]。
当前涡流检测技术也存在一些不足，主要表现在：1）受电磁场衰减和噪声干扰等影响，信号的信噪比较低；2）对内部缺陷的深度定量精度不高，很难判断缺陷离被检对象表面的距离；3）主要依靠时域特征值和检测点位置进行C扫描成像，抗干扰性差。
雷达是英文Radar的音译，源于Radio detection and ranging的缩写，原意为“无线电探测和测距”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。信号获取和处理是雷达领域的关键技术。互相关技术是雷达领域的一种信号处理技术。互相关用来表示两个信号之间相似性的一个度量，通常通过与已知信号比较用于寻找未知信号中的特性。它是两个信号之间相对于时间的一个函数，反映的是两个信号在不同的相对位置上互相匹配的程度。互相关技术可以提高检测信号的信噪比，一些特征值的延迟时间可以用来表征目标的空间位置。
本发明提供一种涡流雷达（Eddy Current Radar）缺陷检测、定量和成像方法及系统，把被检对象中的缺陷视作需要检测定位的目标，采用雷达领域中的互相关技术实现缺陷的检测、深度定量及成像。所公布的方法及系统具有检测信噪比高、深度定量准确、抗干扰性好等优点，可广泛应用于航空航天、石油化工、核电、铁路、汽车、特种设备、冶金、土木等领域。
参考文献：
[1] 任吉林，林俊明，电磁无损检测，科学出版社，北京，2008；
[2] 徐可北，周俊华，涡流检测，机械工业出版社，北京，2004；
[3] 何赟泽，电磁无损检测缺陷识别与评估新方法研究，国防科学技术大学，长沙，2012；
[4] 林俊明，一种基于时间闸门的脉冲涡流无损检测方法，林俊明，中国，2009；
[5] 于亚婷，关佳，一种脉冲涡流缺陷定量检测方法及检测系统，电子科技大学，中国，2013；
[6] 武新军，李建，张卿，变脉宽激励的脉冲涡流检测方法，华中科技大学，中国，2014；
[7] 高军哲，潘孟春，罗飞路，翁飞兵，何赟泽，刘波，调制多频涡流检测方法，中国人民解放军国防科学技术大学，中国，2010。
发明内容
本发明目的是，针对现有涡流检测技术的不足，提供一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法及系统。系统采用脉冲、正弦、调频、调相等不同模式的激励信号驱动涡流传感器，在被检对象中感应出不同模式的涡流。将涡流传感器的输出作为时域响应信号，无缺陷区域的时域响应信号作为时域参考信号。对时域响应信号与时域参考信号实施互相关算法，得到时域响应信号与时域参考信号的互相关幅值和互相关相位。从互相关幅值和互相关相位中提取特征值，进行显示和对比，实现缺陷检测；建立特征值与深度的定量对应关系，实现内部缺陷的深度定量；把扫描路径上每个检测点的互相关幅值和互相关相位进行显示，实现B扫描成像；借助于扫描机构，把每个检测点的特征值进行显示，实现C扫描成像。成像技术可直观地判断扫描路径上或区域内是否存在缺陷。
一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像系统，主要包括：
1)人机界面，用于人机交互，由用户选择脉冲、正弦、调频、调相等工作模式，并设定其它工作参数，触发整个系统开始工作；
2)激励信号模块，用于产生矩形波信号、正（余）弦波信号、频率调制信号或相位调制信号等激励信号，把激励信号放大后，施加到涡流传感器；
3)涡流传感器，用于检测标准试件或被检对象，获得时域响应信号；
4)被检对象，被检测的对象，通常为导电材料，如金属及其合金、碳纤维复合材料、金属基复合材料等；
5)标准试件，与被检对象材料相同并含有不同深度缺陷的试件；
6)信号调理模块，用于对时域响应信号进行放大滤波等调理；
7)参考信号设定模块，用于选取被检对象或标准试件无缺陷区域的时域响应信号作为时域参考信号，并获得频域参考信号和频域正交参考信号；
8)信号处理模块，用于计算时域响应信号与时域参考信号的互相关幅值和互相关相位；
9)特征值提取模块，用于从互相关幅值和互相关相位中提取特征值；
10)缺陷检测模块，用于显示、对比不同检测点的特征值，进行缺陷检测；
11)定量关系确定模块，用于建立特征值和缺陷深度的定量对应关系；
12)缺陷定量模块，用于计算缺陷深度；
13)B扫描成像模块，把检测点作为横坐标，延迟时间作为纵坐标，显示互相关幅值或互相关相位进行B扫描成像；
14)C扫描成像模块，用于把被检对象某个区域中每个检测点的特征值进行C扫描成像；
15)扫描机构，用于移动涡流传感器到被检对象某个区域中的每个检测点，并记录每个检测点的坐标，传输给C扫描成像模块。
基于一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像系统的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，包括如下步骤：
1)采用人机界面设定系统工作模式和其它参数，触发系统进行工作；
2)激励信号模块产生矩形波信号、正（余）弦波信号、频率调制信号或相位调制信号等激励信号，并把激励信号放大后施加到涡流传感器；
3)把涡流传感器靠近标准试件或被检对象；
4)把涡流传感器的输出作为时域响应信号；
5)信号调理模块对时域响应信号进行放大滤波等调理；
6)参考信号设定模块选取无缺陷区域的时域响应信号作为时域参考信号，计算获得频域参考信号和频域正交参考信号；
7)信号处理模块计算时域响应信号与时域参考信号的互相关幅值和互相关相位；
8)特征值提取模块从互相关幅值和互相关相位中提取特定参数作为特征值；
9)把涡流传感器放置在被检对象的不同位置，重复步骤6)-8)，获得不同位置的特征值，缺陷检测模块把不同位置的特征值进行显示、比较，判断是否存在缺陷；
10)把涡流传感器放置在标准试件不同深度缺陷的上方，重复步骤6)-8)，获得不同深度缺陷的特征值，定量关系确定模块建立特征值和缺陷深度的定量对应关系；
11)把涡流传感器放置在被检对象的被检测区域，重复步骤6)-8)，获得被检测区域的特征值，缺陷定量模块利用特征值与缺陷深度的定量对应关系，求出被检测区域中缺陷的深度；
12)设置涡流传感器沿某一扫描路径进行检测，获得每个检测点的时域响应信号，重复步骤6)-7)，获得每个检测点的互相关幅值和互相关相位。把检测点位置作为横坐标，延迟时间作为纵坐标显示每个检测点的互相关幅值或互相关相位，实现B扫描成像，可直观的判断扫描路径上是否存在缺陷及缺陷的所在位置和深度；
13)利用扫描机构把涡流传感器移动到被检对象表面的其他位置，并记录每个位置的坐标，获得每个位置的时域响应信号，重复步骤6)-8)，获得所有位置的特征值；C扫描成像模块把所有位置的坐标和特征值进行C扫描成像，可以快速判断本区域是否存在缺陷及对缺陷的平面位置进行评估。
附图说明
图1示出了一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像系统的示意图。
图2示出了三种工作模式下单周期的激励信号、时域响应信号和时域参考信号的示意图。
图3示出了参考信号设定模块的算法框图。
图4示出了信号处理模块的算法框图。
图5示出了互相关幅值-延迟时间曲线和互相关相位-延迟时间曲线。
图6示出了涡流传感器的扫描路径和获得的特征值曲线。
附图标记说明：1-人机界面；2-激励信号模块；3-涡流传感器；4-标准试件；5-被检对象；6-信号调理模块；7-参考信号设定模块；8-信号处理模块；9-特征值提取模块；10-缺陷检测模块；11-定量关系确定模块；12-缺陷定量模块；13-B扫描成像模块；14-激励信号；15-时域响应信号；16-时域参考信号；17-希尔伯特变换；18-时域正交参考信号；19-快速傅里叶变换；20-频域响应信号；21-复共轭运算；22-频域参考信号；23-频域正交参考信号；24-乘法运算；25-逆傅里叶变换；26-实部运算；27-同相信号；28-正交信号；29-求幅值；30-求相位；31-互相关幅值；32-互相关相位；33-C扫描成像模块；34-扫描机构；35-扫描路径；36-特征值曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
图1是一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像系统示意图，主要包含：人机界面1、激励信号模块2、涡流传感器3、标准试件4、被检对象5、信号调理模块6、参考信号设定模块7、信号处理模块8、特征值提取模块9、缺陷检测模块10、定量关系确定模块11、缺陷定量模块12、B扫描成像模块13、C扫描成像模块33、扫描机构34。
基于一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像系统的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法的具体实施步骤如下：
1)采用人机界面1选择系统的脉冲、正弦、调频、调相等工作模式，设定系统各项参数，触发系统开始工作；
2)激励信号模块2根据工作模式产生激励信号14。脉冲工作模式下，激励信号模块2产生矩形波信号；正弦模式下，激励信号模块2产生正（余）弦波信号；调频模式下，激励信号模块2产生频率调制信号；调相模式下，激励信号模块2产生相位调制信号。脉冲、正弦、调频工作模式下单周期的矩形波、正弦波和线性调频等激励信号的波形分别如图2（A）、（B）和（C）中的14所示；激励信号模块2把激励信号14放大后施加到涡流传感器3；
3)涡流传感器3放置在被检对象5上方，并在被检对象5中产生不同模式的涡流；
4)把涡流传感器3的输出作为时域响应信号15，图2（A）、（B）和（C）分别示出了脉冲、正弦、调频等三种工作模式下单周期的时域响应信号15；
5)信号调理模块6对时域响应信号15进行放大滤波等调理；
6)参考信号设定模块7把无缺陷区域的时域响应信号15作为时域参考信号16，图2（A）、（B）和（C）示出了脉冲、正弦、调频等三种工作模式下单周期的参考信号16；如图3所示，把时域参考信号16进行快速傅里叶变换19和复共轭运算21后，得到频域参考信号22；把时域参考信号16进行希尔伯特变换17后得到时域正交参考信号18，把时域正交参考信号18进行快速傅里叶变换19和复共轭运算21后，得到频域正交参考信号23；
7)信号处理模块8计算时域响应信号15和时域参考信号16的互相关幅值和互相关相位。如图4所示，首先把时域响应信号15进行快速傅里叶变换19得到频域响应信号20；把频域响应信号20与频域参考信号22依次进行乘法运算24、逆傅里叶变换25和实部运算26后，得到同相信号27；把频域响应信号20与频域正交参考信号23依次进行乘法运算24、逆傅里叶变换25和实部运算26后，得到正交信号28；对同相信号27和正交信号28进行求幅值29后得到互相关幅值31；对正交信号27和同相信号28进行求相位30后得到互相关相位32；
8)特征值提取模块9对互相关幅值31和互相关相位32进行特定参数提取，得到特征值。如图5（A）所示，计算互相关幅值31达到最大值时的延迟时间τA_max和达到最小值时的延迟时间τA_min等类似参数，作为特征值；如图5（B）所示，计算互相关相位32达到最大值时的延迟时间τp_max、达到最小值时的延迟时间τp_min和达到零值时的延迟时间τp_zero等类似参数，作为特征值；同理，也可以提取最大值、最小值、不同延迟时刻的幅值或相位等参数作为特征值；
9)把涡流传感器3放置在被检对象5的不同位置，重复步骤6)-8)，获得被检对象5不同位置的特征值。缺陷检测模块10把不同位置的特征值进行显示、比较，判断是否存在缺陷。如图6所示，把涡流传感器3沿着扫描路径35在被检对象5上方移动，记录扫描路径35上不同位置的特征值，并显示为特征值曲线36。如存在缺陷，特征值曲线36上将出现扰动，可判断是否存在缺陷。图6中，在扫描路径35上存在缺陷A和缺陷B两个缺陷，则特征值曲线36上出现两次扰动；
10)定量关系确定模块11确定特征值和缺陷深度的定量对应关系。把涡流传感器3放置在标准试件4的不同深度缺陷上方，重复步骤6)-8)，获得不同深度缺陷处的互相关幅值特征值和互相关相位特征值。通过拟合手段建立缺陷深度和特征值的定量对应关系；
11)把涡流传感器3放置在被检对象5的被检测区域，重复步骤6)-8)，获得被检测区域的特征值；缺陷定量模块12把获得的特征值代入步骤10）获得的定量对应关系，求出缺陷的深度；
12)B扫描成像模块13进行B扫描成像。设置涡流传感器3沿某一扫描路径35对被检对象5进行检测，获得每个检测点的时域响应信号15，重复步骤6)-7)，获得每个点的互相关幅值31和互相关相位32。把每个点的位置作为横坐标，延迟时间作为纵坐标，显示每个点的互相关幅值31或互相关相位32，实现B扫描成像，即扫描路径的截面成像。可直观的判断扫描路径上是否存在缺陷及对缺陷的水平位置和深度进行评估；
13)利用扫描机构34把涡流传感器3依次移动到被检对象5某个区域的所有检测位置，并记录每个位置的坐标和时域响应信号15，重复步骤6)-8)，获得所有位置的特征值；C扫描成像模块33把所有位置的坐标和特征值进行成像显示，实现C扫描成像，即扫描区域的平面成像。利用C扫描图像，可以快速判断本区域是否存在缺陷。如存在缺陷，还可利用定量对应关系，求出缺陷的深度。
在上面的实施例中，激励信号14是单周期形式。为进一步提高检测信噪比，可以采取多周期激励信号。相应的，涡流传感器3输出的时域响应信号15、参考信号16和正交参考信号18也是多周期的。采用多周期信号后，该方案可以进一步改进检测效果。此外，根据被检对象的属性变化，激励信号14等的频率、幅值、周期、持续时间等参数是可以调整的，以获得最佳的检测效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明权利要求下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法及系统，其特征在于，系统采用脉冲、正弦、调频、调相等不同模式的激励信号驱动涡流传感器，在被检对象中感应出不同模式的涡流；将涡流传感器的输出作为时域响应信号，无缺陷区域的时域响应信号作为时域参考信号；对时域响应信号与时域参考信号实施互相关算法，得到时域响应信号与时域参考信号的互相关幅值和互相关相位；从互相关幅值和互相关相位中提取特征值，进行显示和对比，实现缺陷检测；建立特征值与深度的定量对应关系，实现内部缺陷的深度定量；把扫描路径上每个检测点的互相关幅值和互相关相位进行显示，实现B扫描成像；借助于扫描机构，把每个检测点的特征值进行显示，实现C扫描成像。
2.根据权利要求1所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像系统，其特征在于，主要包括：人机界面、激励信号模块、涡流传感器、被检对象、标准试件、参考信号设定模块、信号调理模块、信号处理模块、特征值提取模块、缺陷检测模块、定量关系确定模块、缺陷定量模块、B扫描成像模块、C扫描成像模块、扫描机构等。
3.根据权利要求1所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于包括如下步骤：
1)采用人机界面设定系统工作模式和其它参数，触发系统进行工作；
2)激励信号模块产生矩形波信号、正（余）弦波信号、频率调制信号或相位调制信号等激励信号，并把激励信号放大后施加到涡流传感器；
3)把涡流传感器靠近标准试件或被检对象；
4)把涡流传感器的输出作为时域响应信号；
5)信号调理模块对时域响应信号进行放大滤波等调理；
6)参考信号设定模块选取无缺陷区域的时域响应信号作为时域参考信号，计算获得频域参考信号和频域正交参考信号；
7)信号处理模块计算时域响应信号与时域参考信号的互相关幅值和互相关相位；
8)特征值提取模块从互相关幅值和互相关相位中提取特定参数作为特征值；
9)把涡流传感器放置在被检对象的不同位置，重复步骤6)-8)，获得不同位置的特征值，缺陷检测模块把不同位置的特征值进行显示、比较，判断是否存在缺陷；
10)把涡流传感器放置在标准试件不同深度缺陷的上方，重复步骤6)-8)，获得不同深度缺陷的特征值，定量关系确定模块建立特征值和缺陷深度的定量对应关系；
11)把涡流传感器放置在被检对象的被检测区域，重复步骤6)-8)，获得被检测区域的特征值，缺陷定量模块利用特征值与缺陷深度的定量对应关系，求出被检测区域中缺陷的深度；
12)设置涡流传感器沿某一扫描路径进行检测，获得每个检测点的时域响应信号，重复步骤6)-7)，获得每个检测点的互相关幅值和互相关相位；把检测点位置作为横坐标，延迟时间作为纵坐标显示每个检测点的互相关幅值或互相关相位，实现B扫描成像，可直观的判断扫描路径上是否存在缺陷及缺陷的所在位置和深度；
13)利用扫描机构把涡流传感器移动到被检对象表面的其他位置，并记录每个位置的坐标，获得每个位置的时域响应信号，重复步骤6)-8)，获得所有位置的特征值；C扫描成像模块把所有位置的坐标和特征值进行C扫描成像，可以快速判断本区域是否存在缺陷及对缺陷的平面位置进行评估。
4. 根据权利要求3所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于，参考信号的设定方法是，把无缺陷区域的时域响应信号作为时域参考信号；把时域参考信号进行快速傅里叶变换和复共轭运算后，得到频域参考信号；把时域参考信号进行希尔伯特变换后得到时域正交参考信号，把时域正交参考信号进行快速傅里叶变换和复共轭运算后，得到频域正交参考信号。
5.根据权利要求3所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于，信号处理模块的实现方法是，把时域响应信号进行快速傅里叶变换得到频域响应信号；把频域响应信号与频域参考信号依次进行乘法运算、逆傅里叶变换和实部运算后，得到同相信号；把频域响应信号与频域正交参考信号依次进行乘法运算、逆傅里叶变换和实部运算后，得到正交信号；对同相信号和正交信号进行求幅值后得到互相关幅值；对正交信号和同相信号进行求相位后得到互相关相位。
6.根据权利要求3所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于，特征值提取的实现方法是，计算互相关幅值和互相关相位达到最大值时的延迟时间、达到最小值时的延迟时间和达到零值时的延迟时间等作为特征值；也可以提取最大值、最小值、不同延迟时刻的幅值或相位等作为特征值。
7.根据权利要求3所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于，缺陷检测的实现方法是，把涡流传感器放置在被检对象的不同位置，重复权利要求3中的步骤6)-8)，获得被检对象不同位置的特征值；把不同位置的特征值进行显示、比较，判断是否存在缺陷。
8.根据权利要求3所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于，缺陷定量的实现方法是，把涡流传感器放置在标准试件的不同深度缺陷上方，重复权利要求3中的步骤6)-8)，获得不同深度缺陷处的互相关幅值特征值和互相关相位特征值；通过拟合手段建立缺陷深度和特征值的定量对应关系；把涡流传感器放置在被检对象的被检测区域，重复权利要求3中的步骤6)-8)，获得被检测区域的特征值；把获得的特征值代入权利要求3步骤10）获得的定量对应关系，求出缺陷的深度。
9.根据权利要求3所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于，B扫描成像的实现方法是，设置涡流传感器沿某一扫描路径进行检测，获得每个检测点的时域响应信号，重复权利要求3中的步骤6)-7)，获得每个点的互相关幅值和互相关相位；把每个点的位置作为横坐标，延迟时间作为纵坐标，显示每个点的互相关幅值或互相关相位曲线，实现B扫描成像，即扫描路径的截面成像。
10.根据权利要求3所述的一种涡流雷达缺陷检测、定量和成像方法，其特征在于，C扫描成像的实现方法是，利用扫描机构把涡流传感器依次移动到被检对象某个区域的所有检测位置，并记录每个位置的坐标和时域响应信号，重复权利要求3中的步骤6)-8)，获得所有位置的特征值；把所有位置的坐标和特征值进行成像显示，实现C扫描成像，即扫描区域的平面成像。
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