CN108195931A - 金属构件损伤检测的放置式探头及可视化定量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属构件损伤检测的放置式探头及可视化定量评估方法，所述放置式探头包括一个聚磁磁芯组、一个盘式激励线圈、一个垂直磁场梯度传感器和一组环形分布的磁场梯度传感器阵列；聚磁磁芯组由轴截面底部中心非闭合“口”形的圆柱磁芯和轴截面为“⊥”形的圆柱磁芯组成，两个圆柱磁芯同轴；盘式激励线圈与聚磁磁芯组同轴；垂直磁场梯度传感器位于“⊥”形的圆柱磁芯顶部；环形分布磁场梯度传感器阵列均匀排布在轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯和“⊥”形的圆柱磁芯之间的缺口底部；本发明还提供应用上述探头实施金属构件损伤检测和可视化定量评估的方法，能够对金属构件损伤进行快速、高精度检测、成像和定量评估，具有重要的工程应用价值。

Description

金属构件损伤检测的放置式探头及可视化定量评估方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种金属构件损伤检测的放置式探头及可视化定量评估方法。

背景技术

为实现大型、复杂结构和装备的长期安全运行，结构安全维护相关理论和技术的研发非常重要。无损检测技术是在不损伤被测体结构的前提下，依据被测体的物理特性变化对被测体结构的损伤进行检测和定量分析，是结构安全评估和维护技术的基础。现在，无损检测技术已成为工程领域不可或缺的关键技术之一，并广泛应用于石油、化工、能源、运输和航空航天等领域。

目前，在航空航天、能源、化工等领域的工程结构与装备中广泛存在着金属构件。然而由于腐蚀、温差、流动、应力等复杂服役环境，在役装备的金属构件易出现分层、脱粘、裂纹和腐蚀等损伤，严重影响系统完整性，导致构件失效，形成重大安全隐患/事故。因此，及时发现损伤对于确保结构和装备安全性、降低事故发生概率、减少各项损失等具有非常重要的意义。目前针对金属构件分层、裂纹和腐蚀等损伤的脉冲涡流检测探头和检测方法研究较少，可实现金属构件分层、裂纹和腐蚀损伤精确、快速定位及定量评估的脉冲涡流检测探头和检测方法尚不多见。

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出金属构件损伤检测的放置式探头及可视化定量评估方法，能够对金属构件损伤进行快速、高精度检测、成像和定量评估，具有重要的工程应用价值。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

金属构件损伤检测的放置式探头其特征在于：所述放置式探头包括一个聚磁磁芯组1、固定于聚磁磁芯组1上的盘式激励线圈4、一个垂直磁场梯度传感器5和一组环形分布磁场梯度传感器阵列6；所述聚磁磁芯组1由轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和轴截面为“⊥”形的圆柱磁芯3组成，两个圆柱磁芯同轴；所述盘式激励线圈4与聚磁磁芯组1同轴；所述垂直磁场梯度传感器5位于“⊥”形的圆柱磁芯3顶部；所述环形分布磁场梯度传感器阵列6均匀排布在轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和“⊥”形的圆柱磁芯3之间的缺口底部，且与聚磁磁芯组1中心轴距离均为R。

所述盘式激励线圈4在加电驱动情况下，所激发磁场在所述“⊥”形的圆柱磁芯3顶部形成垂直磁场，在轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和“⊥”形的圆柱磁芯3之间缺口区域形成平行于被测金属构件表面的径向辐射形匀强磁场；所述垂直磁场梯度传感器5拾取垂直方向磁场梯度信号，检测损伤局部深度；所述环形分布磁场梯度传感器阵列6由n个参数相同且等间距圆周排列的磁场梯度传感器构成，拾取径向多角度方向的磁场梯度信号，检测复杂损伤边界。

金属构件损伤检测的放置式探头的可视化定量评估方法，其特征在于：包括检测信号特征量‐金属构件损伤深度标定曲线的建立，以及金属构件新型扫查特征曲线的建立和金属构件损伤的可视化定量评估；

(1)检测信号特征量‐金属构件损伤深度标定曲线的建立，具体方法如下：

1)预制无缺陷金属构件标准件和已知不同损伤深度的n个金属构件损伤标准件；

2)依次连接信号发生器、功率放大器、所述金属构件损伤检测的放置式探头、多通道滤波放大器、多通道数据采集卡和计算机，形成检测系统，将所述金属构件损伤检测的放置式探头放置于无缺陷金属构件标准件表面，信号发生器和功率放大器驱动盘式激励线圈4激发暂态磁场，与此同时，由计算机通过多通道数据采集卡采集垂直磁场梯度传感器5的输出信号V₀(t)，将此信号作为无缺陷信号；

3)利用2)中方法，分别将探头放置于n个金属损伤标准件的损伤中心(x,y)，拾取垂直磁场梯度传感器5的输出信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_nxy(t)，将此信号作为缺陷信号；

4)将所得到的缺陷信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_nxy(t)与无缺陷信号V₀(t)做差，得到差分信号ΔV_1xy(t)，ΔV_2xy(t)，...，ΔV_nxy(t)，将此信号作为检测信号；

5)利用LabVIEW程序提取检测信号ΔV_1xy(t)，ΔV_2xy(t)，...，ΔV_nxy(t)的包络面积即S＝∫_tΔV_tdt作为信号特征量S_1xy，S_2xy，...，S_nxy，建立检测信号特征量‐金属构件损伤深度标定曲线，通过曲线拟合，获取上述标定曲线的拟合函数H＝f(S),式中H指金属构件损伤深度；

(2)金属构件脉冲涡流信号新型扫查特征曲线的建立，具体方法如下：

采用所述检测系统，将金属构件损伤检测的放置式探头放置于金属构件表面，金属构件损伤检测的放置式探头中心轴的初始位置(x₀,y₀)为其在金属构件上的水平扫查坐标原点，金属构件损伤检测的放置式探头水平扫查方向为X轴，X轴与Y轴在扫查平面内且相互垂直，金属构件损伤检测的放置式探头在金属构件上进行水平扫查时不发生转动；在水平扫查的任意位置(x,y)处，信号发生器和功率放大器产生方波信号，激励盘式激励线圈4中的线圈工作，与此同时，由计算机通过多通道数据采集卡采集环向分布磁场梯度传感器阵列6的输出信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_nxy(t)；计算输出信号偏度即得到KV_1xy，KV_2xy，...，KV_nxy，其中μ、σ和E分别是V(t)的均值、标准偏差和期望值，将输出信号偏度KV_1xy，KV_2xy，...，KV_nxy进行累加得到KV_xy，将其作为位置(x,y)处的特征量；由此得到金属构件损伤检测的放置式探头位置(x,y)与特征量KV_xy的扫查特征图像(x,y)‐KV_xy；

(3)金属构件损伤的可视化定量评估，具体方法如下：

采用步骤(1)中步骤2)、3)、4)、5)获取水平扫查任意位置(x,y)处金属构件损伤深度的特征量S_xy。；采用步骤(2)中所述方法获取任意位置(x,y)处特征量KV_xy；对两个特征量进行加权叠加得到A_xy，即A_xy＝S_xy+aKV_xy，其中，a为特征量S_xy与KV_xy最大值的比值；

提取水平扫查平面内任一直线上的特征量A_xy，其两侧极值出现的位置为金属构件损伤的边界位置；提取两侧极值之间数值A_xy，通过步骤(1)中步骤5)中拟合函数H＝f(S),计算金属构件损伤在该局部位置的深度H。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

1、本发明探头的聚磁磁芯组由截面底部中心非闭合“口”形的圆柱磁芯和轴截面为“⊥”形的圆柱磁芯组成，两个圆柱磁芯同轴；盘式激励线圈与聚磁磁芯组同轴；聚磁磁芯的导磁作用将在非闭合“口”形圆柱磁芯和“⊥”形圆柱磁芯之间缺口的周围区域产生平行于被测金属构件表面的径向辐射形匀强磁场；被测金属构件无损伤时，输出的检测信号为零，而当被测金属构件存在损伤时，磁场梯度传感器会输出幅值明显的检测信号，可有效增加损伤的检出率。

2、本发明探头组合使用垂直磁场梯度传感器和环向磁场梯度传感器阵列，在一个水平扫查位置同时拾取垂直磁场梯度信号和径向多角度方向的磁场梯度信号，实现对金属构件损伤深度和复杂边界的有效检测和可视化定量评估，且显著提高金属构件损伤的检测效率。

附图说明

图1为本发明探头轴截面图。

图2为图1探头非闭合“口”形圆柱磁芯轴截面图。

图3为“⊥”形的圆柱磁芯轴截面图。

图4为本发明探头仰视图。

图5为实验系统框图。

图6为应用本发明检测圆形亚表面损伤的结果图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明金属构件损伤检测的放置式探头包括一个聚磁磁芯组1、固定于聚磁磁芯组1上的盘式激励线圈4、一个垂直磁场梯度传感器5和一组环形分布磁场梯度传感器阵列6。所述聚磁磁芯组1由轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和轴截面为“⊥”形的圆柱磁芯3组成，两个圆柱磁芯同轴；所述盘式激励线圈4与聚磁磁芯组1同轴；所述垂直磁场梯度传感器5位于“⊥”形的圆柱磁芯3顶部；所述环形分布磁场梯度传感器阵列6均匀排布在轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和“⊥”形的圆柱磁芯3之间的缺口底部，且与聚磁磁芯组1中心轴距离均为R。其中信号发生器(AFG3022)产生脉冲激励信号，激励信号经由功率放大器驱动上述探头中的盘式激励线圈4，产生幅值、基频、占空比依次为300mV、100Hz、50％的方波激励信号。

盘式激励线圈4在加电驱动情况下，所激发磁场在所述“⊥”形的圆柱磁芯3顶部形成垂直磁场，在轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和“⊥”形的圆柱磁芯3之间缺口区域形成平行于被测金属构件表面的径向辐射形匀强磁场；所述垂直磁场梯度传感器(TMR4002)5拾取垂直方向磁场梯度信号；所述环形分布磁场梯度传感器阵列6由4个参数相同且等间距圆周排列的磁场梯度传感器(TMR4002)构成，拾取相互垂直的两条径向方向的磁场梯度信号。拾取的信号经信号采集及处理模块进行前处理后输入计算机，由LabVIEW程序进行后处理，最终由下述方法实现金属构件损伤的可视化定量评估。

金属构件损伤的可视化定量评估方法，包括：检测信号特征量‐金属构件损伤深度标定曲线的建立，以及金属构件新型扫查特征曲线的建立和金属构件损伤的可视化定量评估；

(1)检测信号特征量‐金属构件损伤深度标定曲线的建立，具体方法如下：

1)预制无缺陷金属构件标准件和已知不同损伤深度的10个金属构件损伤标准件。

2)如图5所示，依次连接信号发生器、功率放大器、金属构件损伤检测的放置式探头、多通道滤波放大器、多通道数据采集卡和计算机，形成检测系统，将所述金属构件损伤检测的放置式探头放置于无缺陷金属构件标准件表面，信号发生器和功率放大器驱动盘式激励线圈4激发暂态磁场，与此同时，由计算机通过多通道数据采集卡采集垂直磁场梯度传感器5的输出信号V₀(t)，将此信号作为无缺陷信号。

3)利用2)中方法，分别将探头放置于n个金属损伤标准件的损伤中心部位(x,y)，拾取垂直磁场梯度传感器5的输出信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_10xy(t)，将此信号作为缺陷信号。

4)将所得到的缺陷信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_10xy(t)，与无缺陷信号V₀(t)做差，得到差分信号ΔV_1xy(t)，ΔV_2xy(t)，...，ΔV_10xy(t)，将此信号作为检测信号。

5)利用LabVIEW程序提取检测信号ΔV_1xy(t)，ΔV_2xy(t)，...，ΔV_10xy(t)的包络面积即S＝∫_tΔV_tdt作为信号特征量S_1xy，S_2xy，...，S_10xy，建立检测信号特征量‐金属构件损伤深度标定曲线，通过曲线拟合，获取上述标定曲线的拟合函数H＝f(S),式中H指金属构件损伤深度。

(2)金属构件脉冲涡流信号新型扫查特征曲线的建立，具体方法如下：

采用上述检测系统，将金属构件损伤检测的放置式探头放置于金属构件表面，金属构件损伤检测的放置式探头中心轴的初始位置(x₀,y₀)为其在金属构件上的水平扫查坐标原点，金属构件损伤检测的放置式探头水平扫查方向为X轴，X轴与Y轴在扫查平面内且相互垂直，金属构件损伤检测的放置式探头在金属构件上进行水平扫查时不发生转动。在水平扫查的任意位置(x,y)处，信号发生器和功率放大器产生方波信号，激励盘式激励线圈4中的线圈工作，与此同时，由计算机通过多通道数据采集卡采集环向分布磁场梯度传感器阵列6的输出信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_4xy(t)。计算输出信号偏度即得到KV_1xy，KV_2xy，...，KV_4xy，并进行累加得到KV_xy，将其作为位置(x,y)处的特征量。由此可得金属构件损伤检测的放置式探头位置(x,y)与特征量KV_xy的扫查特征图像(x,y)‐KV_xy。

(3)金属构件损伤的可视化定量评估，具体方法如下：

铝合金构件的人工亚表面腐蚀损伤制备，损伤尺寸(直径×深度)为20mm×4mm。

采用步骤(1)中步骤2)、3)、4)、5)获取水平扫查任意位置(x,y)处金属构件损伤深度的特征量S_xy。采用步骤(2)中所述方法获取任意位置(x,y)处特征量KV_xy。对两个特征量进行加权叠加得到A_xy，即A_xy＝S_xy+aKV_xy，其中，a为特征量S_xy与KV_xy最大值的比值。

提取水平扫查平面内任一直线上的特征量A_xy，其两侧极值出现的位置为金属构件损伤的边界位置；提取两侧极值之间数值A_xy，通过步骤(1)中步骤5)中拟合函数H＝f(S),计算金属构件损伤在该局部位置的深度H。

具体实施案例：

利用本发明所述金属构件损伤放置式检测探头对铝合金构件的人工亚表面腐蚀损伤进行检测，将探头放置于铝合金构件表面，并沿水平方向对铝合金构件进行扫查，采用本发明的金属构件损伤可视化定量评估方法，可得如图6所示的亚表面腐蚀损伤成像图，图中黑色区域为实验所得亚表面腐蚀损伤图像，白色虚线为损伤实际轮廓。

图6表明，亚表面腐蚀损伤成像结果与实际尺寸很接近，可以描绘出亚表面腐蚀损伤的基本形状；通过检测信号特征量‐金属构件损伤深度标定曲线的拟合函数，可直接从亚表面腐蚀损伤图像计算亚表面腐蚀损伤局部深度。可见采用本发明的金属构件损伤检测的放置式探头及可视化定量评估方法，能有效对金属构件损伤进行成像，且检测效率高，精度高。

Claims (3)

1.金属构件损伤检测的放置式探头，其特征在于：所述放置式探头包括一个聚磁磁芯组1、固定于聚磁磁芯组1上的盘式激励线圈4、一个垂直磁场梯度传感器5和一组环形分布磁场梯度传感器阵列6；所述聚磁磁芯组1由轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和轴截面为“⊥”形的圆柱磁芯3组成，两个圆柱磁芯同轴；所述盘式激励线圈4与聚磁磁芯组1同轴；所述垂直磁场梯度传感器5位于“⊥”形的圆柱磁芯3顶部；所述环形分布磁场梯度传感器阵列6均匀排布在轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和“⊥”形的圆柱磁芯3之间的缺口底部，且与聚磁磁芯组1中心轴距离均为R。

2.根据权利要求1金属构件损伤检测的放置式探头，其特征在于：所述盘式激励线圈4在加电驱动情况下，所激发磁场在所述“⊥”形的圆柱磁芯3顶部形成垂直磁场，在轴截面底部中心非闭合“口”形圆柱磁芯2和“⊥”形的圆柱磁芯3之间缺口区域形成平行于被测金属构件表面的径向辐射形匀强磁场；所述垂直磁场梯度传感器5拾取垂直方向磁场梯度信号，检测损伤局部深度；所述环形分布磁场梯度传感器阵列6由n个参数相同且等间距圆周排列的磁场梯度传感器构成，拾取径向多角度方向的磁场梯度信号，检测复杂损伤边界。

3.权利要求1或2所述金属构件损伤检测的放置式探头的可视化定量评估方法，其特征在于：包括检测信号特征量-金属构件损伤深度标定曲线的建立，以及金属构件新型扫查特征曲线的建立和金属构件损伤的可视化定量评估；

(1)检测信号特征量-金属构件损伤深度标定曲线的建立，具体方法如下：

1)预制无缺陷金属构件标准件和已知不同损伤深度的n个金属构件损伤标准件；

2)依次连接信号发生器、功率放大器、所述金属构件损伤检测的放置式探头、多通道滤波放大器、多通道数据采集卡和计算机，形成检测系统，将所述金属构件损伤检测的放置式探头放置于无缺陷金属构件标准件表面，信号发生器和功率放大器驱动盘式激励线圈4激发暂态磁场，与此同时，由计算机通过多通道数据采集卡采集垂直磁场梯度传感器5的输出信号V₀(t)，将此信号作为无缺陷信号；

3)利用2)中方法，分别将探头放置于n个金属损伤标准件的损伤中心(x,y)，拾取垂直磁场梯度传感器5的输出信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_nxy(t)，将此信号作为缺陷信号；

4)将所得到的缺陷信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_nxy(t)与无缺陷信号V₀(t)做差，得到差分信号ΔV_1xy(t)，ΔV_2xy(t)，...，ΔV_nxy(t)，将此信号作为检测信号；

5)利用LabVIEW程序提取检测信号ΔV_1xy(t)，ΔV_2xy(t)，...，ΔV_nxy(t)的包络面积即S＝∫_tΔV(t)dt作为信号特征量S_1xy，S_2xy，...，S_nxy，建立检测信号特征量-金属构件损伤深度标定曲线，通过曲线拟合，获取上述标定曲线的拟合函数H＝f(S),式中H指金属构件损伤深度；

(2)金属构件脉冲涡流信号新型扫查特征曲线的建立，具体方法如下：

采用所述检测系统，将金属构件损伤检测的放置式探头放置于金属构件表面，金属构件损伤检测的放置式探头中心轴的初始位置(x₀,y₀)为其在金属构件上的水平扫查坐标原点，金属构件损伤检测的放置式探头水平扫查方向为X轴，X轴与Y轴在扫查平面内且相互垂直，金属构件损伤检测的放置式探头在金属构件上进行水平扫查时不发生转动；在水平扫查的任意位置(x,y)处，信号发生器和功率放大器产生方波信号，激励盘式激励线圈4中的线圈工作，与此同时，由计算机通过多通道数据采集卡采集环向分布磁场梯度传感器阵列6的输出信号V_1xy(t)，V_2xy(t)，...，V_nxy(t)；计算输出信号偏度即得到KV_1xy，KV_2xy，...，KV_nxy，其中μ、σ和E分别是V(t)的均值、标准偏差和期望值；将输出信号偏度KV_1xy，KV_2xy，...，KV_nxy进行累加得到KV_xy，将其作为位置(x,y)处的特征量；由此得到金属构件损伤检测的放置式探头位置(x,y)与特征量KV_xy的扫查特征图像(x,y)-KV_xy；

(3)金属构件损伤的可视化定量评估，具体方法如下：

采用步骤(1)中步骤2)、3)、4)、5)获取水平扫查任意位置(x,y)处金属构件损伤深度的特征量S_xy；采用步骤(2)中所述方法获取任意位置(x,y)处特征量KV_xy；对两个特征量进行加权叠加得到A_xy，即A_xy＝S_xy+aKV_xy，其中，a为特征量S_xy与KV_xy最大值的比值；

提取水平扫查平面内任一直线上的特征量A_xy，其两侧极值出现的位置为金属构件损伤的边界位置；提取两侧极值之间数值A_xy，通过步骤(1)中步骤5)中拟合函数H＝f(S),计算金属构件损伤在该局部位置的深度H。