CN106940343A - 一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法及系统，方法步骤包括预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，获取阵列电磁传感器检测被测对象输出的各路转移阻抗信号并进行校准、信息融合后再分别作为自变量利用网格数据库搜索得到各个检测单元检测到的材料物理属性，再根据材料物理属性对被测对象进行微损伤评价；系统包括测量网格初始化程序模块、传感器校准程序模块、传感器信息融合程序模块、材料物理属性反演程序模块、微损伤评价程序模块。本发明具有微损伤检测准确性好、检测分辨力高、能够有效抑制提离干扰的优点。

Description

一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法及系统

技术领域

本发明涉及阵列电磁传感器的材料微损伤检测技术，具体涉及一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法及系统。

背景技术

自德国科学家伦琴1895年发现X射线以来，无损检测作为一门应用型技术学科得到迅速发展，到二十世纪中期已建立了以射线、超声、磁粉、渗透和涡流五大常规检测技术为代表的无损检测体系，在机械、建筑、冶金、电力、石油、造船、汽车、宇航、核能、铁路等行业中得到广泛应用。涡流无损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，具有检测速度快、灵敏度高、非接触、无需耦合介质等优点，是对材料微损伤进行检测的有效方法之一。但是，传统的涡流无损检测系统普遍存在以下问题：采用包含多个检测单元的阵列电磁传感器时，阵列电磁传感器的传感器线圈主要采用人工或机械方法绕制，在构成阵列时难以保证各检测单元的一致性，性能差异大；提离(传感器与被检测对象的间隙)变化对检测信号的影响很大，并且与真实缺陷的影响难以分离，严重影响检测的准确性；阵列电磁传感器的尺寸难以做得很小，导致空间分辨力低，定量检测效果差。

近年来国内外对微损伤定量检测技术开展了一些研究，主要有X射线衍射技术、超声非线性技术、金属磁记忆法、磁场测量技术等。X射线衍射技术可以对金属试件残余应力及疲劳损伤进行有效检测，但是设备复杂、价格昂贵，主要在实验室使用；超声非线性技术利用非线性声学特征和参数检测识别材料内部微损伤，目前还处于实验室探索阶段；金属磁记忆法无需对被测设备进行任何磁化或除锈处理，但是目前只是作为铁磁构件是否存在危险和危险所在部位的一种前期初步判定方法，后续必须辅助其他检测手段，才能定性定量。

美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室、日本丰桥科技大学等单位将超导量子磁力仪应用于微损伤检测，具有高灵敏度、高分辨力等优势，但是设备价格昂贵、操作不便，并且受干扰影响大。空客公司和德国弗朗霍夫无损检测学会将巨磁阻传感器构成的涡流检测阵列用于飞机铆接结构上隐藏裂纹的检测与成像，欧洲保险与再保险联合会(CEA)与法国辐射防护与核安全研究所(IRSN)使用蚀刻在聚酰亚胺上的微型线圈构成的柔性阵列探头来检查核反应堆余热排出管等部件，美国JENTEK公司与西科斯基飞机公司采用蜿蜒绕组磁力仪技术对旋翼机和直升机关键零部件上的疲劳和腐蚀损伤进行扫描与监测，取得了较好的检测效果，但均未实现微损伤的定量检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种微损伤检测准确性好、检测分辨力高、能够有效抑制提离干扰的基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，实施步骤包括：

1)预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，所述传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，所述材料物理属性是指电导率或磁导率，所述提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；当需要对被测对象进行材料微损伤检测时跳转执行步骤2)；

2)校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号；

3)将校准后的各路转移阻抗信号进行信息融合，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号；

4)分别将进行信息融合后的各路转移阻抗信号作为自变量，利用网格数据库的测量网格进行搜索，得到阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性；

5)根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性对被测对象进行微损伤评价。

优选地，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)预先针对阵列电磁传感器建立有限元仿真分析模型，所述有限元仿真分析模型基于阵列电磁传感器的结构及其工作条件来建立，所述工作条件包括工作频率和提离，所述提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；

1.2)通过对有限元仿真分析模型进行仿真分析，得到阵列电磁传感器的传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，所述传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，所述材料物理属性是指电导率或磁导率；当需要对被测对象进行材料微损伤检测时跳转执行步骤2)。

优选地，步骤2)校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号采用的函数表达式如式(1)所示；

Z_corrected＝kZ_m-Z_p (1)

式(1)中，Z_corrected表示校准后的转移阻抗信号，Z_m表示校准前的转移阻抗信号，k为预设的比例系数参量，Z_p为激励绕组和感应绕组的杂散耦合引入的寄生阻抗参量，且参量k和参量Z_p两者均为复数；所述参量k和参量Z_p的值为针对同一阵列电磁传感器，通过多次改变提离的数值并测量获取传感器转移阻抗信号的变化，将不同提离情况下的传感器转移阻抗信号代入式(3)采用最小二乘法计算得到。

优选地，步骤3)的详细步骤包括：根据阵列电磁传感器产生的涡流磁场分布曲线确定阵列电磁传感器中各路检测信号对应检测单元的补偿系数，获取阵列电磁传感器对被测对象检测输出的多路检测信号乘以对应的补偿系数，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号。

优选地，步骤4)的详细步骤包括：

4.1)分别将各路转移阻抗信号作为自变量，针对网格数据库的测量网格利用二分法进行粗略查找，得到离目标点T所在网格较近的初始网格；

4.2)针对得到离目标点T所在网格较近的初始网格，利用“井”字型方向判断方法进行精确查找，得到目标点的精确位置，根据目标点T的精确位置确定阵列电磁传感器各个检测单元对应的材料物理属性。

优选地，步骤1)中存储在网格数据库中的测量网格用二维数组(p,q)对网格点进行编号，变量p和q分别代表该点提离和材料物理属性的编号，每个网格点都有与之对应的提离和材料物理属性值，同时也与转移阻抗坐标(x_i,y_i)一一对应，与编号一起存储在测量网格数据库中，其中x_i为实部，y_i为虚部；步骤4.1)的详细步骤包括：

4.1.1)取搜索区域中提离和材料物理属性编号的中值，分别用P和Q表示；

4.1.2)根据编号得到网格点A的转移阻抗坐标(x₁,y₁)和网格点B的转移阻抗坐标(x₂,y₂)，判断目标点T与式(2)所示过网格点A、B的直线AB的位置关系，其中目标点T的转移阻抗坐标为(x_t,y_t)，网格点A的值为(P,Q)、网格点B的值为(P+1,Q)，当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足y_t-y(x_t)>0时，说明目标点T在直线AB的上方，则将提离等值线q上方的网格作为下一次的搜索范围；若y_t-y(x_t)<0，则将提离等值线q下方的网格作为下一次的搜索范围；若y_t-y(x_t)＝0，则说明目标点T在直线AB上，目标点T的提离为编号q对应的提离值；

式(2)中，y(x)表示直线AB在坐标x处对应的函数值，(x₁,y₁)为网格点A的转移阻抗坐标，(x₂,y₂)为网格点B的转移阻抗坐标；

4.1.3)根据编号得到网格点C的转移阻抗坐标(x₃,y₃)，网格点C的值为(P,Q+1)；判断目标点T与式(3)所示过网格点A、C的直线AC的位置关系，当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)>0时，说明目标点T在直线的右侧，则将材料物理属性等值线p右边的网格作为下一次的搜索范围；当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)<0时，说明目标点T在直线的左侧，则将材料物理属性等值线p左边的网格作为下一次的搜索范围；当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)＝0时，则说明目标点T在直线AC上，目标点T的材料物理属性为编号p对应的材料物理属性值；

式(3)中，x(y)表示直线AC在坐标x处对应的函数值，(x₁,y₁)为网格点A的转移阻抗坐标，(x₃,y₃)为网格点C的转移阻抗坐标；

4.1.4)判断网格区域中提离和材料物理属性的最大和最小编号相差为1是否成立，如果成立，则得到离目标点所在网格较近的初始网格；否则跳转执行步骤4.1.2)。

优选地，步骤4.2)的详细步骤包括：

4.2.1)将得到离目标点T所在网格较近的初始网格作为当前网格ABCD；

4.2.2)分别根据式(4)所示方向判断表达式计算目标点T和当前网格ABCD的四条边AB、BC、CD、DA的两端点的正负特性M_ijt，共得到四个正负特性M_ijt；

M_ijt＝x_i(y_t-y_j)+x_j(y_i-y_t)+x_t(y_j-y_i) (4)

式(4)中，M_ijt表示方向判断的正负特性，i,j,t分别表示二维平面上的三个点，(x_i,y_i)，(x_j,y_j)，(x_t,y_t)分别为三个点i,j,t对应的横坐标和纵坐标值，当i,j,t三点沿顺时针方向分布时，M_ijt的值为正；当i,j,t三点沿逆时针方向分布时，M_ijt的值为负；

4.2.3)判断四个正负特性M_ijt是否均为正值，如果四个正负特性M_ijt均为正值，则判定目标点T在当前网格ABCD中，停止搜索，确定当前网格ABCD为目标点T所在网格，且当前网格ABCD的网格中心点对应的材料物理属性即为该转移阻抗信号对应检测单元的材料物理属性；否则，根据四个正负特性M_ijt的正负确定目标点T相对当前网格ABCD的移动方向，将当前网格ABCD朝该移动方向移动得到新的当前网格ABCD，跳转执行步骤4.2.2)。

优选地，步骤5)的进行微损伤评价具体是指定性评价和/或定量评价，所述定性评价具体是指判断阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性的实测值和理论值之间的差值是否超过预设阈值，如果任意检测单元的材料物理属性的实测值和理论值之间的差值超过预设阈值则判定被测对象对应该检测单元的位置存在材料微损伤，否则判定被测对象对应该检测单元的位置不存在材料微损伤，从而得到被测对象的材料微损伤情况；所述定量评价体是指首先进行定性评价得到阵列电磁传感器被测对象对应各个检测单元的位置的材料微损伤情况，然后针对被测对象对应各个检测单元的位置的材料微损伤情况进行判断，如果存在连续最大n个检测单元检测到材料微损伤，则判定被测对象的微损伤尺寸为n*d，其中n为检测到微损伤存在的检测单元数量，d为阵列电磁传感器中相邻两个检测单元的间隔。

优选地，步骤5)进行微损伤评价后，还包括根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性生成被测对象的图像并输出，且生成的图像中采用不同的颜色表达出材料物理属性的变化。

另一方面，本发明还提供一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测系统，包括：

测量网格初始化程序模块，用于预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，所述传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，所述材料物理属性是指电导率或磁导率，所述提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；

传感器校准程序模块，用于校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号；

传感器信息融合程序模块，用于将校准后的各路转移阻抗信号进行信息融合，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号；

材料物理属性反演程序模块，用于分别将进行信息融合后的各路转移阻抗信号作为自变量，利用网格数据库的测量网格进行搜索，得到阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性；

微损伤评价程序模块，用于根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性对被测对象进行微损伤评价。

本发明基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法具有下述优点：

本发明基于具有空间周期性结构、便于工厂批量生产的阵列电磁传感器，解决了现有涡流传感器一致性差、标定复杂、大面积检测效率低、难以实现形状复杂部件检测等问题，而且通过预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，获取阵列电磁传感器检测被测对象输出的各路转移阻抗信号并进行校准、信息融合后再分别作为自变量利用网格数据库搜索得到各个检测单元检测到的材料物理属性，再根据材料物理属性对被测对象进行微损伤评价，有效抑制了提离干扰，实现了信号特征到材料物理属性的反演，提高了微损伤检测的准确性和分辨力。

本发明基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测系统为本发明基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法完全对应的程序模块构成的系统，同样也具有发明基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法的前述优点，故在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中的阵列电磁传感器的结构示意图。

图3为本发明实施例中的测量网格数据库示意图；

图4为本发明实施例中的阵列电磁传感器等效电路示意图；

图5为本发明实施例中的阵列电磁传感器产生的涡流磁场分布示意图；

图6为本发明实施例中网格移动方向判断示意图；

图7为本发明实施例中缺陷实时成像示意图。

图8为本发明实施例中微损伤定量检测系统的工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法的实施步骤包括：

1)预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，材料物理属性是指电导率或磁导率，提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；当需要对被测对象进行材料微损伤检测时跳转执行步骤2)；

2)校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号；

3)将校准后的各路转移阻抗信号进行信息融合，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号；

4)分别将进行信息融合后的各路转移阻抗信号作为自变量，利用网格数据库的测量网格进行搜索，得到阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性；

5)根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性对被测对象进行微损伤评价。

如图2所示，阵列电磁传感器由基底1、激励线圈2和检测线圈3组成，其中激励线圈2弯曲布置成蛇形走线状，检测线圈3的数量为多个，各个检测线圈3分别耦合布置于激励线圈2的凹入区域内，每一个检测线圈3和激励线圈2的一部分构成一个检测单元，使得阵列电磁传感器形成空间周期性结构，便于工厂批量生产，解决了现有涡流传感器一致性差、标定复杂、大面积检测效率低的优点。本实施例中，基底1为采用聚酰亚胺材料制成的柔性基底，可实现复杂形状微损伤的检测，解决了现有涡流传感器难以实现形状复杂部件检测等问题。阵列电磁传感器既可采用普通的柔性印刷电路板工艺制造，也可采用微机电系统(MEMS)工艺制造，用于在形状复杂的被测对象中产生涡流场并获取多路感应电压。工作时，在具有周期性矩形结构的激励线圈2中施加幅度恒定的正弦激励电流，从多个紧挨在激励线圈2旁的检测线圈3的两端获取感应电压；当被测对象中存在微损伤时，其电导率和磁导率会发生变化，导致检测线圈3输出的感应电压的幅度和相位也会发生相应的变化，因此通过计算传感器感应电压和激励电流之比(转移阻抗)就可以检测出微损伤。

本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)预先针对阵列电磁传感器建立有限元仿真分析模型，有限元仿真分析模型基于阵列电磁传感器的结构及其工作条件来建立，工作条件包括工作频率和提离，提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；本实施例中，针对阵列电磁传感器建立有限元仿真分析模型时，具体是采用COMSOL等软件建立有限元仿真分析模型；

1.2)通过对有限元仿真分析模型进行仿真分析，得到阵列电磁传感器的传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，材料物理属性是指电导率或磁导率；当需要对被测对象进行材料微损伤检测时跳转执行步骤2)。

如图3所示，本实施例中测量网格包括传感器转移阻抗(实部、虚部)与材料物理属性(电导率)和提离(传感器与被测对象的间隙)之间的非线性关系。

本实施例中，步骤2)校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号的目的在于对转移阻抗信号进行校准处理，消除传感器和信号传输线路中各种寄生阻抗的影响，能够提高各检测单元一致性。

本实施例中，步骤2)校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号采用的函数表达式如式(1)所示；

Z_corrected＝kZ_m-Z_p (1)

式(1)中，Z_corrected表示校准后的转移阻抗信号，Z_m表示校准前的转移阻抗信号，k为预设的比例系数参量，Z_p为激励绕组和感应绕组的杂散耦合引入的寄生阻抗参量，且参量k和参量Z_p两者均为复数；参量k和参量Z_p的值为针对同一阵列电磁传感器，通过多次改变提离的数值并测量获取传感器转移阻抗信号的变化，将不同提离情况下的传感器转移阻抗信号代入式(3)采用最小二乘法计算得到。

如图4所示阵列电磁传感器的等效电路中，I_m表示对激励绕组加以正弦时变电流I_s的复数幅值，I₁表示激励电流，I_s表示对激励绕组加以正弦时变电流，C_s表示连接线的等效电容，Z₁₁表示激励绕组的自阻抗，Z₁₂表示转移阻抗，Z_p表示寄生阻抗，Z₂₂表示感应绕组的自阻抗，Z_L表示与感应绕组相连接的负载阻抗，K表示复数形式的比例系数，V_m表示感应绕组回路测得的输出电压的复数幅值。对激励绕组加以正弦时变电流I_s，I_s具有复数幅值I_m，感应绕组回路测得的输出电压具有复数幅值V_m，则可以得到激励绕组和感应绕组之间的转移阻抗Z_m＝V_m/I_m。为了校准方便，引入复数形式的比例系数K描述处理电路引起的感应电压衰减或放大的比例系数。通过对阵列电磁传感器的有限元仿真分析模型的分析和计算可以得到转移阻抗Z₁₂，激励绕组的自阻抗Z₁₁，感应绕组的自阻抗为Z₂₂。但是有限元仿真分析模型中没有包括连接线的等效电容C_s、激励绕组和感应绕组的杂散耦合引入的寄生阻抗Z_p，以及与感应绕组相连接的负载阻抗Z_L等因素。未经校准的转移阻抗与根据理想有限元仿真分析模型计算得到的转移阻抗之间会存在差异。为了得到被测对象的物理属性，需要研究传感器校准算法消除上述差异，目标是使校准后的转移阻抗与求解有限元仿真分析模型得到的转移阻抗一致，即Z_corrected＝Z₁₂。考虑图4所示等效电路中各因素的影响，可以得到如下等式(1-1)：

式(1-1)中，K表示复数形式的比例系数，V_m表示感应绕组回路测得的输出电压的复数幅值，I_m表示对激励绕组加以正弦时变电流I_s的复数幅值，I₁表示激励电流，Z₁₁表示激励绕组的自阻抗，Z₁₂表示转移阻抗，Z_p表示寄生阻抗，Z₂₂表示感应绕组的自阻抗，Z_L表示与感应绕组相连接的负载阻抗，C_s表示连接线的等效电容，ω是激励电流的角频率，j是-1的平方根。根据阵列电磁传感器的有限元仿真分析模型可知实际测量到的转移阻抗Z_m＝V_m/I_m，将其代入上式(1-1)，整理可得式(1-2)：

式(1-2)中，各参数符号表达的含义与式(1-1)相同。

又Z_corrected＝Z₁₂，令：

则可得到式(1)。式(1)中比例系数k描述由等效电容、负载阻抗、激励电流频率和处理电路感应电压放大系数等引起的比例变化因素，Z_p为激励绕组和感应绕组的杂散耦合引入的寄生阻抗，且k和Z_p均为复数，传感器校准算法的任务就是计算出这两个未知参量。针对同一被检测对象(即保持材料物理属性不变)，通过多次改变传感器与被检测对象的间隙并测量出传感器转移阻抗的变化，就可以用最小二乘法计算出式(1)中的k和Z_p这两个未知参量，实现传感器非理想特性的校准。

本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：根据阵列电磁传感器产生的涡流磁场分布曲线确定阵列电磁传感器中各路检测信号对应检测单元的补偿系数，获取阵列电磁传感器对被测对象检测输出的多路检测信号乘以对应的补偿系数，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号。通过上述方法实现了对阵列式传感器获取的多路检测信号进行加权插值，从而能够消除传感器边缘效应的影响和各检测通道的不一致性。本实施例中，阵列电磁传感器产生的涡流磁场分布曲线如图5所示。

本实施例中，步骤4)的详细步骤包括：

4.1)分别将各路转移阻抗信号作为自变量，针对网格数据库的测量网格利用二分法进行粗略查找，得到离目标点T所在网格较近的初始网格；

4.2)针对得到离目标点T所在网格较近的初始网格，利用“井”字型方向判断方法进行精确查找，得到目标点的精确位置，根据目标点T的精确位置确定阵列电磁传感器各个检测单元对应的材料物理属性。

本实施例中步骤4)利用测量网格数据库以测量得到的传感器转移阻抗为自变量，通过多变量非线性搜索，将提离干扰对传感器转移阻抗的影响进行分离，得到材料的电导率或磁导率等物理属性。为了提高搜索效率，本实施例中步骤4.1)～4.2)采用粗略查找与精确查找相结合的方法。首先利用高效的二分法进行粗略查找，得到离目标点所在网格较近的初始网格；然后利用“井”字型方向判断方法进行精确查找，得到目标点的精确位置。实验证明，该搜索算法不仅可以提高搜索的准确性，而且实现了搜索速度的大幅提高。

本实施例中，步骤1)中存储在网格数据库中的测量网格用二维数组(p,q)对网格点进行编号，变量p和q分别代表该点提离和材料物理属性的编号，每个网格点都有与之对应的提离和材料物理属性值，同时也与转移阻抗坐标(x_i,y_i)一一对应，与编号一起存储在测量网格数据库中，其中x_i为实部，y_i为虚部；步骤4.1)的详细步骤包括：

4.1.1)取搜索区域中提离和材料物理属性编号的中值，分别用P和Q表示；

4.1.2)根据编号得到网格点A的转移阻抗坐标(x₁,y₁)和网格点B的转移阻抗坐标(x₂,y₂)，判断目标点T与式(2)所示过网格点A、B的直线AB的位置关系，其中目标点T的转移阻抗坐标为(x_t,y_t)，网格点A的值为(P,Q)、网格点B的值为(P+1,Q)，当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足y_t-y(x_t)>0时，说明目标点T在直线AB的上方，则将提离等值线q上方的网格作为下一次的搜索范围；若y_t-y(x_t)<0，则将提离等值线q下方的网格作为下一次的搜索范围；若y_t-y(x_t)＝0，则说明目标点T在直线AB上，目标点T的提离为编号q对应的提离值；

式(2)中，y(x)表示直线AB在坐标x处对应的函数值，(x₁,y₁)为网格点A的转移阻抗坐标，(x₂,y₂)为网格点B的转移阻抗坐标；

4.1.3)根据编号得到网格点C的转移阻抗坐标(x₃,y₃)，网格点C的值为(P,Q+1)；判断目标点T与式(3)所示过网格点A、C的直线AC的位置关系，当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)>0时，说明目标点T在直线的右侧，则将材料物理属性等值线p右边的网格作为下一次的搜索范围；当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)<0时，说明目标点T在直线的左侧，则将材料物理属性等值线p左边的网格作为下一次的搜索范围；当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)＝0时，则说明目标点T在直线AC上，目标点T的材料物理属性为编号p对应的材料物理属性值；

式(3)中，x(y)表示直线AC在坐标x处对应的函数值，(x₁,y₁)为网格点A的转移阻抗坐标，(x₃,y₃)为网格点C的转移阻抗坐标；

4.1.4)判断网格区域中提离和材料物理属性的最大和最小编号相差为1是否成立，如果成立，则得到离目标点所在网格较近的初始网格；否则跳转执行步骤4.1.2)。

本实施例中，步骤4.2)的详细步骤包括：

4.2.1)将得到离目标点T所在网格较近的初始网格作为当前网格ABCD；

4.2.2)分别根据式(4)所示方向判断表达式计算目标点T和当前网格ABCD的四条边AB、BC、CD、DA的两端点的正负特性M_ijt，共得到四个正负特性M_ijt；

M_ijt＝x_i(y_t-y_j)+x_j(y_i-y_t)+x_t(y_j-y_i)(4)

式(4)中，M_ijt表示方向判断的正负特性，i,j,t分别表示二维平面上的三个点，(x_i,y_i)，(x_j,y_j)，(x_t,y_t)分别为三个点i,j,t对应的横坐标和纵坐标值，当i,j,t三点沿顺时针方向分布时，M_ijt的值为正；当i,j,t三点沿逆时针方向分布时，M_ijt的值为负；

4.2.3)判断四个正负特性M_ijt是否均为正值，如果四个正负特性M_ijt均为正值，则判定目标点T在当前网格ABCD中，停止搜索，确定当前网格ABCD为目标点T所在网格，且当前网格ABCD的网格中心点对应的材料物理属性即为该转移阻抗信号对应检测单元的材料物理属性；否则，根据四个正负特性M_ijt的正负确定目标点T相对当前网格ABCD的移动方向，将当前网格ABCD朝该移动方向移动得到新的当前网格ABCD，跳转执行步骤4.2.2)。

如图6所示，当网格(不规则四边形ABCD)的四个角点确定后，平面上任何一点T与AB，BC，CD，DA四条直线的相对位置即可确定。表1列出了当目标点T处在k1到k9九个不同区域时，根据式(4)计算得到的M_ABT、M_BCT、M_CDT和M_DAT的正负特性。

表1：目标点在当前网格不同位置时M_ijt值的正负特性。

目标点位置

k1

k2

k3

k4

k5

k6

k7

k8

k9

MABT

负

负

负

正

正

正

正

正

正

MBCT

正

正

负

负

负

正

正

正

正

MCDT

正

正

正

正

负

负

负

正

正

MDAT

负

正

正

正

正

正

负

负

正

从表1可以看出，目标点T与四边形ABCD的相对位置关系与上述四个M_ijt值的正负特性唯一对应。因此，确定了四个M_ijt值的正负，即可推知目标点T相对ABCD的位置，从而判断网格的移动方向。例如，当四个M_ijt值依次为“负负正正”时，查表可知目标点在四边形ABCD的k3方向，此时将网格向右上方移动。以此方法反复判断和移动，直到四个M_ijt值均为正时，则可判定目标点在当前网格中，停止搜索，确定当前网格为目标点所在网格，网格中心点对应的材料属性(例如电导率)即为搜索结果。

本实施例中，步骤5)的进行微损伤评价具体是指定性评价和/或定量评价，定性评价具体是指判断阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性的实测值和理论值之间的差值是否超过预设阈值，如果任意检测单元的材料物理属性的实测值和理论值之间的差值超过预设阈值则判定被测对象对应该检测单元的位置存在材料微损伤，否则判定被测对象对应该检测单元的位置不存在材料微损伤，从而得到被测对象的材料微损伤情况；例如，假设检测系统对电导率或磁导率测量的均方相对误差小于1％，则当测量到大于3％的电导率或磁导率变化时，按照3σ法则，即可认为材料中存在微损伤。定量评价体是指首先进行定性评价得到阵列电磁传感器被测对象对应各个检测单元的位置的材料微损伤情况，然后针对被测对象对应各个检测单元的位置的材料微损伤情况进行判断，如果存在连续最大n个检测单元检测到材料微损伤，则判定被测对象的微损伤尺寸为n*d(还可以根据信号变化幅度进行插值处理，进一步提高定量检测精度)，其中n为检测到微损伤存在的检测单元数量，d为阵列电磁传感器中相邻两个检测单元的间隔。

本实施例中，步骤5)进行微损伤评价后，还包括根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性生成被测对象的图像并输出，且生成的图像中采用不同的颜色表达出材料物理属性的变化，本实施例中生成的图像如图7所示。基于材料电导率或磁导率的检测数据，采用不同的颜色在屏幕上实时显示出材料属性的变化，便于检测人员直观地了解检测结果，参见图7，本实施例中共检测到1、2、3、4共四处人工缺陷(微损伤)。

综上所述，本实施例基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法具有阵列电磁传感器为柔性、各检测单元一致性好、检测分辨力高、能有效抑制提离干扰、缺陷实时成像、能实现定量检测等优点，适合复杂形状装备微损伤的检测。

如图8所示，本实施例基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法实质上是基于计算机程序来实现的，且该计算机程序的执行载体分别和阵列电磁传感器、多路阻抗精密测量电路、信息处理平台四大部分相连构成完整的检测系统，阵列电磁传感器结构详见图2；多路阻抗精密测量电路用于产生特定频率的正弦信号为阵列电磁传感器提供激励电流，在被测对象中产生涡流场，并对阵列电磁传感器获取的多路感应电压进行采集与处理，从中提取出传感器转移阻抗的实部和虚部(或幅度和相位)；信息处理平台由计算机系统组成，用于接受用户的操作指令、对检测数据进行处理并输出检测结果。参见图8，基于计算机程序实现的基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测系统包括：

测量网格初始化程序模块，用于预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，材料物理属性是指电导率或磁导率，提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；

传感器校准程序模块，用于校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号；

传感器信息融合程序模块，用于将校准后的各路转移阻抗信号进行信息融合，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号；

材料物理属性反演程序模块，用于分别将进行信息融合后的各路转移阻抗信号作为自变量，利用网格数据库的测量网格进行搜索，得到阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性；

微损伤评价程序模块，用于根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性对被测对象进行微损伤评价。

激励信号经功率放大后作用于阵列电磁传感器的初级绕组，在被测对象中产生涡流场。微损伤的存在会对涡流场产生扰动，并导致阵列电磁传感器的次级绕组的输出的感应电压发生变化。感应电压经多路阻抗精密测量电路进行处理后，基于本实施例基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，获得转移阻抗(感应电压和激励电流之比)，再采用多变量非线性搜索算法从测量网格数据库(根据有限元仿真分析模型的分析结果事先建立，表征了传感器转移阻抗与结构参数、工作频率、与被测对象的间隙以及被测对象材料属性之间的关系)中准确获取材料的电导率或磁导率等物理属性。同时，由于微损伤的存在将导致材料属性发生变化，据此就可以实现微损伤定量检测和缺陷实时成像。

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仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路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，在不脱离本发明原理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)

1.一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于实施步骤包括：

1)预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，所述传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，所述材料物理属性是指电导率或磁导率，所述提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；当需要对被测对象进行材料微损伤检测时跳转执行步骤2)；

2)校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号；

3)将校准后的各路转移阻抗信号进行信息融合，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号；

4)分别将进行信息融合后的各路转移阻抗信号作为自变量，利用网格数据库的测量网格进行搜索，得到阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性；

5)根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性对被测对象进行微损伤评价。

2.根据权利要求1所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)预先针对阵列电磁传感器建立有限元仿真分析模型，所述有限元仿真分析模型基于阵列电磁传感器的结构及其工作条件来建立，所述工作条件包括工作频率和提离，所述提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；

1.2)通过对有限元仿真分析模型进行仿真分析，得到阵列电磁传感器的传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，所述传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，所述材料物理属性是指电导率或磁导率；当需要对被测对象进行材料微损伤检测时跳转执行步骤2)。

3.根据权利要求1所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤2)校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号采用的函数表达式如式(1)所示；

Z_corrected＝kZ_m-Z_p (1)

式(1)中，Z_corrected表示校准后的转移阻抗信号，Z_m表示校准前的转移阻抗信号，k为预设的比例系数参量，Z_p为激励绕组和感应绕组的杂散耦合引入的寄生阻抗参量，且参量k和参量Z_p两者均为复数；所述参量k和参量Z_p的值为针对同一阵列电磁传感器，通过多次改变提离的数值并测量获取传感器转移阻抗信号的变化，将不同提离情况下的传感器转移阻抗信号代入式(3)采用最小二乘法计算得到。

4.根据权利要求1所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤3)的详细步骤包括：根据阵列电磁传感器产生的涡流磁场分布曲线确定阵列电磁传感器中各路检测信号对应检测单元的补偿系数，获取阵列电磁传感器对被测对象检测输出的多路检测信号乘以对应的补偿系数，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号。

5.根据权利要求1所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤4)的详细步骤包括：

4.1)分别将各路转移阻抗信号作为自变量，针对网格数据库的测量网格利用二分法进行粗略查找，得到离目标点T所在网格较近的初始网格；

4.2)针对得到离目标点T所在网格较近的初始网格，利用“井”字型方向判断方法进行精确查找，得到目标点的精确位置，根据目标点T的精确位置确定阵列电磁传感器各个检测单元对应的材料物理属性。

6.根据权利要求5所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤1)中存储在网格数据库中的测量网格用二维数组(p,q)对网格点进行编号，变量p和q分别代表该点提离和材料物理属性的编号，每个网格点都有与之对应的提离和材料物理属性值，同时也与转移阻抗坐标(x_i,y_i)一一对应，与编号一起存储在测量网格数据库中，其中x_i为实部，y_i为虚部；步骤4.1)的详细步骤包括：

4.1.1)取搜索区域中提离和材料物理属性编号的中值，分别用P和Q表示；

4.1.2)根据编号得到网格点A的转移阻抗坐标(x₁,y₁)和网格点B的转移阻抗坐标(x₂,y₂)，判断目标点T与式(2)所示过网格点A、B的直线AB的位置关系，其中目标点T的转移阻抗坐标为(x_t,y_t)，网格点A的值为(P,Q)、网格点B的值为(P+1,Q)，当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足y_t-y(x_t)>0时，说明目标点T在直线AB的上方，则将提离等值线q上方的网格作为下一次的搜索范围；若y_t-y(x_t)<0，则将提离等值线q下方的网格作为下一次的搜索范围；若y_t-y(x_t)＝0，则说明目标点T在直线AB上，目标点T的提离为编号q对应的提离值；

$y\left(x\right)=\frac{y_1-y_2}{x_1-x_2}(x-x_1)+y_1---\left(2\right)$

式(2)中，y(x)表示直线AB在坐标x处对应的函数值，(x₁,y₁)为网格点A的转移阻抗坐标，(x₂,y₂)为网格点B的转移阻抗坐标；

4.1.3)根据编号得到网格点C的转移阻抗坐标(x₃,y₃)，网格点C的值为(P,Q+1)；判断目标点T与式(3)所示过网格点A、C的直线AC的位置关系，当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)>0时，说明目标点T在直线的右侧，则将材料物理属性等值线p右边的网格作为下一次的搜索范围；当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)<0时，说明目标点T在直线的左侧，则将材料物理属性等值线p左边的网格作为下一次的搜索范围；当目标点T的转移阻抗坐标(x_t,y_t)满足x_t-x(y_t)＝0时，则说明目标点T在直线AC上，目标点T的材料物理属性为编号p对应的材料物理属性值；

$x\left(y\right)=\frac{x_1-x_3}{y_1-y_3}(y-y_1)+x_1---\left(3\right)$

式(3)中，x(y)表示直线AC在坐标x处对应的函数值，(x₁,y₁)为网格点A的转移阻抗坐标，(x₃,y₃)为网格点C的转移阻抗坐标；

4.1.4)判断网格区域中提离和材料物理属性的最大和最小编号相差为1是否成立，如果成立，则得到离目标点所在网格较近的初始网格；否则跳转执行步骤4.1.2)。

7.根据权利要求6所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤4.2)的详细步骤包括：

4.2.1)将得到离目标点T所在网格较近的初始网格作为当前网格ABCD；

4.2.2)分别根据式(4)所示方向判断表达式计算目标点T和当前网格ABCD的四条边AB、BC、CD、DA的两端点的正负特性M_ijt，共得到四个正负特性M_ijt；

M_ijt＝x_i(y_t-y_j)+x_j(y_i-y_t)+x_t(y_j-y_i) (4)

式(4)中，M_ijt表示方向判断的正负特性，i,j,t分别表示二维平面上的三个点，(x_i,y_i)，(x_j,y_j)，(x_t,y_t)分别为三个点i,j,t对应的横坐标和纵坐标值，当i,j,t三点沿顺时针方向分布时，M_ijt的值为正；当i,j,t三点沿逆时针方向分布时，M_ijt的值为负；

4.2.3)判断四个正负特性M_ijt是否均为正值，如果四个正负特性M_ijt均为正值，则判定目标点T在当前网格ABCD中，停止搜索，确定当前网格ABCD为目标点T所在网格，且当前网格ABCD的网格中心点对应的材料物理属性即为该转移阻抗信号对应检测单元的材料物理属性；否则，根据四个正负特性M_ijt的正负确定目标点T相对当前网格ABCD的移动方向，将当前网格ABCD朝该移动方向移动得到新的当前网格ABCD，跳转执行步骤4.2.2)。

8.根据权利要求1所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤5)的进行微损伤评价具体是指定性评价和/或定量评价，所述定性评价具体是指判断阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性的实测值和理论值之间的差值是否超过预设阈值，如果任意检测单元的材料物理属性的实测值和理论值之间的差值超过预设阈值则判定被测对象对应该检测单元的位置存在材料微损伤，否则判定被测对象对应该检测单元的位置不存在材料微损伤，从而得到被测对象的材料微损伤情况；所述定量评价体是指首先进行定性评价得到阵列电磁传感器被测对象对应各个检测单元的位置的材料微损伤情况，然后针对被测对象对应各个检测单元的位置的材料微损伤情况进行判断，如果存在连续最大n个检测单元检测到材料微损伤，则判定被测对象的微损伤尺寸为n*d，其中n为检测到微损伤存在的检测单元数量，d为阵列电磁传感器中相邻两个检测单元的间隔。

9.根据权利要求1所述基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测方法，其特征在于，步骤5)进行微损伤评价后，还包括根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性生成被测对象的图像并输出，且生成的图像中采用不同的颜色表达出材料物理属性的变化。

10.一种基于阵列电磁传感器的材料微损伤检测系统，其特征在于包括：

测量网格初始化程序模块，用于预先针对阵列电磁传感器建立包含传感器转移阻抗、被测对象的材料物理属性和提离之间非线性关系的测量网格并存储在网格数据库中，所述传感器转移阻抗是指实部和虚部或者幅度和相位，所述材料物理属性是指电导率或磁导率，所述提离是指阵列电磁传感器与被测对象之间的距离；

传感器校准程序模块，用于校准阵列电磁传感器各个检测单元输出的转移阻抗信号；

传感器信息融合程序模块，用于将校准后的各路转移阻抗信号进行信息融合，得到进行信息融合后的各路转移阻抗信号；

材料物理属性反演程序模块，用于分别将进行信息融合后的各路转移阻抗信号作为自变量，利用网格数据库的测量网格进行搜索，得到阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性；

微损伤评价程序模块，用于根据阵列电磁传感器各个检测单元检测到的材料物理属性对被测对象进行微损伤评价。