CN106596712B - 一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法，首先根据被测试件底面缺陷的深度范围，确定脉冲涡流频率选择范围；其次结合脉冲重复周期、基频、检测灵敏度，在该频段内，进行合理地等分，并确保所取频率幅值相等，相位相同；然后根据具体的频谱分布情况，通过逆傅里叶变换，得到脉冲激励的时域信号；再利用信号发生器产生该时域信号，同时提取检出信号，实现对试件底面缺陷的检测；相较于传统的方波激励的脉冲涡流无损检测方法，本发明方法对目标试件的底面缺陷检测灵敏度更高，脉冲激励信号的可控性更强，更具针对性；同时，由于选频带脉冲涡流无损检测方法的激励信号能量的有效集中，可以使检出信号的信噪比更高，更好的体现缺陷特征，避免了不必要的能量浪费，具有一定的市场应用前景。

Description

一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法
技术领域
本发明涉及基于电磁方法的缺陷定量无损检测技术领域，具体涉及一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法。
背景技术
随着经济社会发展的全面加速，各行各业能源需求的增长同传统化石能源紧缺的矛盾日益明显，核电站的出现和发展大大缓解了这一矛盾。然而核电站数量的逐年增加，核电站安全问题引起社会广泛关注，2011年福岛事故的发生再次表明核电站安全问题的重要性。核电站定期安全检查是其安全运行的重要保证，无损检测是定期安全检查的重要手段。在核电站中，冷却用管道内管壁局部减薄缺陷是较为常见的安全问题之一，尽管管壁厚度初始设计足够厚，但是管道中液体的流动加速腐蚀和液滴冲击易造成内管壁局部减薄，当管壁减薄到相当薄时，会导致严重后果。
脉冲涡流检测具有频率广、检测深度大等优点，对深部缺陷和多层结构缺陷的检测具有优势，因此脉冲涡流检测方法被认为是有效手段。但是在通常情况下，缺陷多集中在冷却管内壁近表面区域，在确知缺陷深度范围时，传统方波激励的脉冲涡流检测方法由于频率过于分散，易造成能量浪费，检测灵敏度不高。
经过分析研究发现，通过对脉冲涡流激励信号的频段范围进行控制，可以对激励信号的能量分布进行有效集中，提高检测灵敏度，避免能量浪费；对于不同深度范围的缺陷也更具有针对性，可控性更强。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法，首先根据被测试件底面缺陷的深度范围，确定脉冲涡流频率选择范围；其次结合脉冲重复周期及检测灵敏度因素，在该频段内，进行合理地等分，并确保所取频率幅值相等，相位相同；然后根据具体的频谱分布情况，通过逆傅里叶变换，得到脉冲激励的时域信号，再利用信号发生器产生该激励信号，实现对试件底面缺陷的检测。该方法主要针对已知深度范围的缺陷，具有灵敏度高，可控性强，灵活方便以及节能等优点。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法，包括如下步骤：
步骤1：根据被测试件的材料参数、底面缺陷的深度范围，运用涡流趋肤深度公式(1-1)确定选频带脉冲涡流无损检测方法的频带范围；
其中：δ为涡流的趋肤深度，μ为被测试件的磁导率，σ为被测试件的电导率，f为激励信号的频率；依据上式能够确定检测被测试件的底面缺陷时脉冲激励信号的频率选取范围，具体方法如下：假设目标试件的底面缺陷的深度范围是[d2，d1]，则根据公式(1-1)衍生方程式(1-2)能够确定出f1，根据公式(1-1)衍生方程式(1-3)能够确定出f2，[f1，f2]即选频带脉冲涡流无损检测方法的频带选取范围；由于公式计算结果均为概数，所以在实际选取时，应尽量保证f2为f1的倍数，若不能保证二者为倍数关系，则应尽量保证二者的公约数最大；
步骤2：根据所选频率范围，结合脉冲重复周期及检测灵敏度因素，将[f1，f2]之间的频段进行等分；令△f为间隔频率即等分[f1，f2]后每等份的频带大小；根据脉冲涡流频谱特性发现，△f亦是脉冲涡流激励信号的基频，与脉冲涡流激励信号的重复周期互为倒数，△f≤f1，且△f是f1、f2的公约数；根据数值模拟结果发现，当间隔频率△f越大时，检出信号的特征参数越大，所以当△f为f1、f2的最大公约数时，检测灵敏度最高，且此时检测周期最小；但是在实际检测中，应根据目标试件以及检测要求，灵活把握频率间隔△f，以节能、提高检测灵敏度为原则，合理确定幅值和相位大小，并保证所有频率的幅值相等，相位相同，从而得到脉冲激励信号的频谱图；
步骤3：根据步骤2选定的脉冲激励信号的频谱图的详细信息，对频域信号进行逆傅里叶变换，得到脉冲激励的时域信号f(t)；
傅里叶级数展开与其系数的计算公式如下：
其中：t为时间，ω为角频率，ω＝2π△f，ɑ0/2为直流分量，ɑn、bn均为系数；根据脉冲激励频域信息，ɑ0、ɑn、bn、△f均已知，通过式(1-4)计算出f(t)，即脉冲激励的时域信号；
步骤4：搭建基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测实验系统，主要包括三部分：由脉冲信号发生器和功率放大器组成的激励信号发生装置、由激励线圈和磁场传感器组成的脉冲涡流检测探头和数据采集装置；激励线圈连接激励信号发生装置，激励线圈底部中心的磁场传感器连接数据采集装置；首先脉冲信号发生器产生脉冲激励的时域信号，该信号按照步骤3得到，功率放大器用来放大脉冲激励的时域信号并传递给激励线圈，同时磁场传感器检测试件表面的磁场大小，并通过数据采集装置对检出信号进行采集；
步骤5：对检出信号提取特征参数并分析，具体如下：将无缺陷标准试件与带有底面缺陷的被测试件的检出磁场信号进行差分，提取差分信号的正峰值作为特征参数，特征参数即磁场差分信号正峰值与缺陷大小成正相关。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明提出了一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法，提高了脉冲涡流检测方法中激励信号的频域/时域可控性。
2)本发明方法针对目前脉冲涡流检测存在的一些缺点，解决了脉冲涡流激励信号的频率的分散性，以及能量的浪费等缺点。该方法可根据目标检测试件缺陷的具体情况，调整频率范围，确保能量有效集中，在提高了检测灵敏度的基础上，也减少了能量的浪费，可广泛应用于不同深度范围缺陷材料的检测。
附图说明
图1为本发明中提到的通过逆傅里叶变换，频域信号向时域信号的转换。
图2为本发明方法所用系统各组件连接示意图。
图3为本发明中用到的模拟大口径管道的带有底面局部减薄缺陷的平板试件示意图(即被检测对象)。
具体实施方式
对于如图3所示的底面缺陷，本发明方法的检测步骤为：如图2所示，连接系统各组件，将探头置于被检试件上方；根据图3所示目标试件的底面缺陷的深度范围[d2，d1]，计算频率范围[f1，f2]，选取频率间隔△f，保证幅值、相位相等；根据频域信号图1(a)，通过逆傅里叶变换，得到时域信号，如图1(b)所示；信号发生器按照所得时域信号产生脉冲激励信号，经过功率放大器放大脉冲激励信号并传递给激励线圈，然后磁场传感器检测试件表面的磁场大小，并通过数据采集装置对检出信号进行采集并分析。
下面结合图2、图3和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法，包括如下步骤：
步骤1：根据被测试件的材料参数、底面缺陷的深度范围，运用涡流趋肤深度公式(1-1)确定选频带脉冲涡流无损检测方法的频带范围；
其中：δ为涡流的趋肤深度，μ为被测试件的磁导率，σ为被测试件的电导率，f为激励信号的频率；依据上式能够确定检测被测试件的底面缺陷时脉冲激励信号的频率选取范围，具体方法如下：假设目标试件的底面缺陷的深度范围是[d2，d1]，则根据公式(1-1)衍生方程式(1-2)能够确定出f1，根据公式(1-1)衍生方程式(1-3)能够确定出f2，[f1，f2]即选频带脉冲涡流无损检测方法的频带选取范围；由于公式计算结果均为概数，所以在实际选取时，应尽量保证f2为f1的倍数，若不能保证二者为倍数关系，则应尽量保证二者的公约数最大；
步骤2：根据所选频率范围，结合脉冲重复周期及检测灵敏度因素，将[f1，f2]之间的频段进行合理等分；令△f为间隔频率即等分[f1，f2]后每等份的频带大小；根据脉冲涡流频谱特性发现，△f亦是脉冲涡流激励信号的基频，与脉冲涡流激励信号的重复周期互为倒数，△f≤f1，且△f是f1、f2的公约数；根据数值模拟结果发现，当间隔频率△f越大时，检出信号的特征参数越大，所以当△f为f1、f2的最大公约数时，检测灵敏度最高，且此时检测周期最小；但是在实际检测中，应根据目标试件以及检测要求，灵活把握频率间隔△f，以节能、提高检测灵敏度为原则，合理确定幅值和相位大小，并保证所有频率的幅值相等，相位相同，从而得到脉冲激励信号的频谱图；
步骤3：根据步骤2选定的脉冲激励信号的频谱图的详细信息，对频域信号进行逆傅里叶变换，得到脉冲激励的时域信号f(t)；
傅里叶级数展开与其系数的计算公式如下：
其中：t为时间，ω为角频率，ω＝2π△f，ɑ0/2为直流分量，ɑn、bn均为系数；根据脉冲激励频域信息，ɑ0、ɑn、bn、△f均已知，通过式(1-4)计算出f(t)，即脉冲激励的时域信号；
步骤4：搭建基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测实验系统，主要包括三部分：由脉冲信号发生器和功率放大器组成的激励信号发生装置、由激励线圈和磁场传感器组成的脉冲涡流检测探头和数据采集装置；激励线圈连接激励信号发生装置，激励线圈底部中心的磁场传感器连接数据采集装置；首先脉冲信号发生器产生脉冲激励的时域信号，该信号按照步骤3得到，功率放大器用来放大脉冲激励的时域信号并传递给激励线圈，同时磁场传感器检测试件表面的磁场大小，并通过数据采集装置对检出信号进行采集；
步骤5：对检出信号提取特征参数并分析，具体如下：将无缺陷标准试件与带有底面缺陷的被测试件的检出磁场信号进行差分，提取差分信号的正峰值作为特征参数，特征参数即磁场差分信号正峰值与缺陷大小成正相关。

Claims (1)

1.一种基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：根据被测试件的材料参数、底面缺陷的深度范围，运用涡流趋肤深度公式(1-1)确定选频带脉冲涡流无损检测方法的频带范围；
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其中：δ为涡流的趋肤深度，μ为被测试件的磁导率，σ为被测试件的电导率，f为激励信号的频率；依据上式能够确定检测被测试件的底面缺陷时脉冲激励信号的频率选取范围，具体方法如下：假设目标试件的底面缺陷的深度范围是[d2，d1]，则根据公式(1-1)衍生方程式(1-2)能够确定出f1，根据公式(1-1)衍生方程式(1-3)能够确定出f2，[f1，f2]即选频带脉冲涡流无损检测方法的频带选取范围；由于公式计算结果均为概数，所以在实际选取时，应尽量保证f2为f1的倍数，若不能保证二者为倍数关系，则应尽量保证二者的公约数最大；
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步骤2：根据所选频率范围，结合脉冲重复周期及检测灵敏度因素，将[f1，f2]之间的频段进行等分；令△f为间隔频率即等分[f1，f2]后每等份的频带大小；根据脉冲涡流频谱特性发现，△f亦是脉冲涡流激励信号的基频，与脉冲涡流激励信号的重复周期互为倒数，△f≤f1，且△f是f1、f2的公约数；根据数值模拟结果发现，当间隔频率△f越大时，检出信号的特征参数越大，所以当△f为f1、f2的最大公约数时，检测灵敏度最高，且此时检测周期最小；但是在实际检测中，应根据目标试件以及检测要求，灵活把握频率间隔△f，以节能、提高检测灵敏度为原则，合理确定幅值和相位大小，并保证所有频率的幅值相等，相位相同，从而得到脉冲激励信号的频谱图；
步骤3：根据步骤2选定的脉冲激励信号的频谱图的详细信息，对频域信号进行逆傅里叶变换，得到脉冲激励的时域信号f(t)；
傅里叶级数展开与其系数的计算公式如下：
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其中：t为时间，ω为角频率，ω＝2π△f，ɑ0/2为直流分量，ɑn、bn均为系数；根据脉冲激励频域信息，ɑ0、ɑn、bn、△f均已知，通过式(1-4)计算出f(t)，即脉冲激励的时域信号；
步骤4：搭建基于缺陷深度的选频带脉冲涡流无损检测实验系统，主要包括三部分：由脉冲信号发生器和功率放大器组成的激励信号发生装置、由激励线圈和磁场传感器组成的脉冲涡流检测探头和数据采集装置；激励线圈连接激励信号发生装置，激励线圈底部中心的磁场传感器连接数据采集装置；首先脉冲信号发生器产生脉冲激励的时域信号，该信号按照步骤3得到，功率放大器用来放大脉冲激励的时域信号并传递给激励线圈，同时磁场传感器检测试件表面的磁场大小，并通过数据采集装置对检出信号进行采集；
步骤5：对检出信号提取特征参数并分析，具体如下：将无缺陷标准试件与带有底面缺陷的被测试件的检出磁场信号进行差分，提取差分信号的正峰值作为特征参数，特征参数即磁场差分信号正峰值与缺陷大小成正相关。
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基于频谱分析的涡流探头工作频率确定方法及检测系统研究;杨琳瑜 等;《无损检测》;20121031;第34卷(第10期);42-45 *
铁磁性钢管涡流探伤激励频率的选择范围;汪毅 等;《河南电力》;19991231(第4期);61-62 *

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