CN108828058A - 一种基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，包括如下步骤：1、设计脉冲漏磁检测组件中磁芯的相对磁导率及绕线匝数；2、用脉冲漏磁检测组件检测待测钢板是否有缺陷，如检测出有缺陷，在励磁线圈两端施加激励脉冲电压；3、提取一个激励周期的传感器输出信号，计算所述输出信号的一阶导数y；4、在脉冲激励电压为高电平时间段内，如果存在满足y<0的点，或在脉冲激励电压为低电平时间段内，存在满足y≥0的点，则判断该处缺陷为上表面缺陷；5、如果输出信号的一阶导数不满足步骤4中的条件，则判断该处缺陷为下表面缺陷。该方法能够简单、快速、有效地分辨出已检测到的缺陷是处于材料的上表面还是下表面，为后续维护提供指导。

Description

一种基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法。

背景技术

漏磁检测技术使用磁传感器取代磁粉进行检测，具有成本低、检测速度快、非接触性、灵敏度高、易于实现自动化等优点，广泛应用于石油石化、港口、钢厂和交通等领域，可以对管道、容器、钢缆、轨道等铁磁性构件进行出厂和在役检测。使用脉冲信号作为激励的漏磁检测技术因其激励信号频谱较宽，能反映不同深度的缺陷信息，也得到了广泛关注。

但是目前漏磁检测技术虽然可以检测到缺陷的存在，但无法判断缺陷处于材料的深度位置，比如一个上表面较宽较浅的缺陷和一个下表面较深较窄的缺陷，两者的漏磁检测信号波形可能非常相似。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，该方法在管道等钢材的外部使用脉冲漏磁检测探头检测是否有缺陷，通过对缺陷处的脉冲漏磁信号进行分析，即可区分出上、下表面缺陷。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，包括如下步骤：

(1)设计脉冲漏磁检测组件中磁芯的相对磁导率及绕线匝数N，满足条件：

其中H_m表示待检测钢板的最大相对磁导率对应的磁场强度；l₀为气隙处的磁路长度，l₁为磁芯中的磁路长度，l₂为待检测钢板中的磁路长度；；为待检测钢板中磁场强度为H_m/2时钢板的相对磁导率，为待检测钢板中磁场强度为H_m时钢板的相对磁导率；I为励磁线圈中的电流值；

(2)用脉冲漏磁检测组件检测待测钢板是否有缺陷，如检测出有缺陷，在励磁线圈两端施加激励脉冲电压，并采集缺陷处磁场传感器的输出信号；

(3)提取一个激励周期的传感器输出信号，计算所述输出信号的一阶导数y；

(4)在脉冲激励电压为高电平时间段内，如果输出信号的一阶导数y存在满足y<0的点，则判断该处缺陷为上表面缺陷；

(5)在脉冲激励电压为低电平时间段内，如果输出信号的一阶导数y存在满足y≥0的点，则判断该处缺陷为上表面缺陷；

(6)如果输出信号的一阶导数不满足步骤4和步骤5中的任意一个条件，则判断该处缺陷为下表面缺陷。

所述步骤(3)中，对传感器输出信号进行曲线拟合，计算拟合后曲线的一阶导数，即为输出信号的一阶导数y。

所述步骤(3)中，将传感器输出信号分为多段区间，计算连接每一段区间两端点线段的斜率来代替所述输出信号的一阶导数y。

在脉冲激励电压为高电平时间段内，将传感器输出信号按时间等分为M段，求出连接第i段区间两端点线段的斜率y_ui，i＝1,2,3,…,M；在激励电压为低电平期间，将传感器输出信号按时间等分为M段，求出连接第j段区间两端点线段的斜率y_dj，j＝1,2,3,…,M；

在脉冲激励电压为高电平时间段内，如果存在斜率y_ui<0，判断该处缺陷为上表面缺陷；

在脉冲激励电压为低电平时间段内，如果存在斜率y_dj>0，判断该处缺陷为上表面缺陷。

优选地，在脉冲激励电压为高电平时间段内，将传感器输出信号按时间等分为50段；在激励电压为低电平期间，将传感器输出信号按时间等分为50段，即M＝50。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法能够简单、快速、有效地分辨出已检测到的缺陷是处于材料的上表面还是下表面，为后续维护提供指导。

附图说明

图1为漏磁检测原理示意图；

图2为漏磁检测简化磁路图和电路图；

图3为45#钢的磁化初始特性曲线图；

图4为本发明实施方式提供的上、下表面缺陷分类图；

图5为漏磁信号反向过冲原理示意图；

图6为实施例中不同探头提离下使用脉冲漏磁探头检测上表面缺陷时霍尔传感器采集到的漏磁场信号波形图；

图7为实施例中不同探头提离下使用脉冲漏磁探头检测下表面缺陷时霍尔传感器采集到的漏磁场信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1所示，为漏磁法检测原理图，磁感应线在缺陷处发生畸变，漏磁检测组件包括检测探头和磁场传感器，磁场传感器用来提取漏磁信号；本实施例中磁场传感器采用霍尔传感器。图2为漏磁检测简化磁路图和电路图，图2(a)中l₀为气隙处的磁路长度，l₁为磁芯中的磁路长度，l₂为待检测钢板中的磁路长度，l₃为缺陷处的磁路长度；I为励磁线圈中的电流值；Φ为磁通。图2(b)中，R_m0,R_m1,R_m2,R_m3分别为气隙、磁芯、待检测钢板、缺陷处的等效电阻；U_m为磁路的磁动势。

选取闭合虚线，应用安培环路定理可以得到：

其中，N为缠绕在磁芯上的线圈匝数，H₀、H₁、H₂、H₃分别为气隙、磁芯、待检测钢板、缺陷处的磁场强度，缺陷处的磁路和样本内的磁路存在并联关系。

由于磁场强度H与磁通Φ之间关系如下：

式中，Φ为主磁通，μ为材料的磁导率，μ_r为材料的相对磁导率，μ₀为真空磁导率，S为材料的横截面积。由此简化磁路的等式可以变为：

式中，分别为磁芯和待检测钢板的相对磁导率，其中空气的相对磁导率为1，S₀、S₁、S₂、S₃为气隙、磁芯、待检测钢板和缺陷处对应的横截面积。

为便于计算，将气隙、待检测钢板和缺陷处的横截面积近似等于磁芯处的横截面积，都记为S。以带入式(2)，可求得待检测钢板的磁场强度H₂的表达式，由于钢板样本的磁导率远大于1，表达式可近似为：

45#钢的初始磁化特性曲线和对应的相对磁导率曲线如图3所示，钢板样本的相对磁导率与磁场强度H₂满足图中的变化趋势，记为

本发明采用的基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，要求钢板样本中的磁场强度不能过大，磁场强度应控制在图3中曲线上H_m的左侧，否则受涡流效应的影响无法实现。但磁场强度又不能过小，应控制在的右侧，否则漏磁场信号会难以检测。根据曲线上磁场强度与相对磁导率的对应关系，得到H_m和对应的相对磁导率分别为和由此确定磁芯的相关参数满足条件如下式：

本发明中，待检测钢板靠近检测探头的一侧认为是上表面，另一侧认为是下表面，如图4所示。

如图5所示，为上表面缺陷的检测。当使用脉冲方波作为漏磁检测的激励时，激励电流I在脉冲激励电压上升沿处以很快速度上升，从而产生了快速增强的激励磁场，由电磁感应定律可知在样本上表面会感生出涡流阻碍磁场增强，等效为材料磁阻增大，故原先经过样本内部的磁通中的一部分将会穿出表面，相对增强了漏磁场。当激励磁场趋于稳定以后，涡流减小至零，等效为材料磁阻减小，致使一部分漏磁场重新进入样本中，漏磁场强度降低，所以漏磁信号在开始阶段存在过冲现象。此时，在脉冲激励电压为高电平时间段内，输出信号的一阶导数y在某段时间内为负值。

当撤去激励后，如图4所示，假设之前样本内磁场H的方向从左向右，如图中黑色实线箭头所示，在激励电压下降沿处，磁场H减小，在样本内部产生涡流阻碍原磁场的减小。涡流产生的磁场如图4虚线所示，其方向在样本内部与原磁场相同，在样本上表面与原磁场相反，所以会产生反向的漏磁场，从而导致负向过冲现象。此时，在脉冲激励电压为低电平时间段内，输出信号的一阶导数y在某段时间内为正值。

由于涡流集中分布在样本的上表面，因而下表面缺陷不会影响到样本中的涡流分布。样本上表面处的材料连续，不存在缺陷，其磁阻相比于空气来说较小，所以产生的涡流效应对漏磁场的影响较小，其漏磁信号特征与上表面缺陷存在差异。表现为信号缓慢到达稳定值，没有过冲现象出现。因此，如果存在下表面缺陷，在脉冲激励电压为高电平时间段内，输出信号的一阶导数y始终为正值，而在脉冲激励电压为低电平时间段内，输出信号的一阶导数y始终为负值。

计算输出信号的一阶导数可以通过曲线拟合的方法，计算拟合后曲线的一阶导数，即为输出信号的一阶导数y。

为了避免在下表面缺陷检测过程中，激励电压高电平期间随机出现的负向毛刺噪声，或是激励电压低电平期间随机出现的正向毛刺噪声导致结果的误判，对传感器输出信号做分段求导。在激励电压为高电平期间，将输出信号按时间等分为M个区间，计算连接每一段区间两端点线段的斜率来代替所述输出信号的一阶导数y，具体的步骤为：

在脉冲激励电压为高电平时间段内，将传感器输出信号按时间等分为M段，求出连接第i段区间两端点线段的斜率y_ui，i＝1,2,3,…,M；在激励电压为低电平期间，将传感器输出信号按时间等分为M段，求出连接第j段区间两端点线段的斜率y_dj，j＝1,2,3,…,M；

如果存在斜率y_ui<0或y_dj>0，判断该处缺陷为上表面缺陷；否则，该处缺陷为下表面缺陷。

其中，要保证提取到过冲现象处的斜率值。随着探头提离样本距离的增大，过冲时间占总时间的比例在增加。算得最大提离2mm处的过冲时间占总时间的1/14，因此需保证M>14。同时不能带入噪声影响，M不能过大。经试验，M＝50时检测效果较好。

本实施例中，以实际检测情况为例，具体步骤如下：

步骤1：如图1所示，将一种脉冲漏磁检测探头放置在待测钢板、管道等其他厚度较薄的钢材表面，该探头使用U型镍锌铁氧体磁芯，根据式(4)，选取磁芯相对磁导率为150，在U型磁芯上部缠绕550匝0.21mm线径的漆包铜线，测量出励磁线圈阻值约为20Ω，并且在磁芯底部位置放置一个磁场传感器用于检测漏磁场信号；

步骤2：根据式(4)，选用磁动势NI＝275安匝，所以在导线两端施加10V激励脉冲电压，周期1s，占空比50％，同时采集磁场传感器的输出信号，图6出了一个周期的上表面缺陷的脉冲漏磁检测信号，图7给出了一个周期的下表面缺陷脉冲漏磁检测信号；图6和图7中，也检测了探头提离样本距离不同情况下输出信号的区别，图中lift off为探头提离样本的距离。

步骤3：提取一个激励周期的传感器输出信号，在脉冲激励电压为高电平时间段内，将输出信号等分为50段，求出第i段的斜率为y_ui(i＝1,2,3,…,50),同样地，在激励电压为低电平期间，将输出信号等分为50段，求出第j段的斜率为y_dj(j＝1,2,3,…,50)；

步骤4：在脉冲激励电压为高电平时间段内，如果存在输出信号的斜率y_ui<0，则可以判断该处缺陷为上表面缺陷；

步骤5：在脉冲激励电压为低电平时间段内，如果存在输出信号的斜率y_dj>0，则可以判断该处缺陷为上表面缺陷；

步骤6：如果输出信号的斜率不满足步骤4和步骤5中的任意一个条件，则判断该处缺陷为下表面缺陷。

Claims (5)

1.一种基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设计脉冲漏磁检测组件中磁芯的相对磁导率μ_r1及绕线匝数N，满足条件：

其中H_m表示待检测钢板的最大相对磁导率对应的磁场强度；l₀为气隙处的磁路长度，l₁为磁芯中的磁路长度，l₂为待检测钢板中的磁路长度；；μ_rmin为待检测钢板中磁场强度为H_m/2时钢板的相对磁导率，μ_rmax为待检测钢板中磁场强度为H_m时钢板的相对磁导率；I为励磁线圈中的电流值；

(2)用脉冲漏磁检测组件检测待测钢板是否有缺陷，如检测出有缺陷，在励磁线圈两端施加激励脉冲电压，并采集缺陷处磁场传感器的输出信号；

(3)提取一个激励周期的传感器输出信号，计算所述输出信号的一阶导数y；

(4)在脉冲激励电压为高电平时间段内，如果输出信号的一阶导数y存在满足y<0的点，则判断该处缺陷为上表面缺陷；

(5)在脉冲激励电压为低电平时间段内，如果输出信号的一阶导数y存在满足y≥0的点，则判断该处缺陷为上表面缺陷；

(6)如果输出信号的一阶导数不满足步骤4和步骤5中的任意一个条件，则判断该处缺陷为下表面缺陷。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对传感器输出信号进行曲线拟合，计算拟合后曲线的一阶导数，即为输出信号的一阶导数y。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将传感器输出信号分为多段区间，计算连接每一段区间两端点线段的斜率来代替所述输出信号的一阶导数y。

4.根据权利要求3所述的基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，其特征在于，在脉冲激励电压为高电平时间段内，将传感器输出信号按时间等分为M段，求出连接第i段区间两端点线段的斜率y_ui，i＝1,2,3,…,M；在激励电压为低电平期间，将传感器输出信号按时间等分为M段，求出连接第j段区间两端点线段的斜率y_dj，j＝1,2,3,…,M；

在脉冲激励电压为高电平时间段内，如果存在斜率y_ui<0，判断该处缺陷为上表面缺陷；

在脉冲激励电压为低电平时间段内，如果存在斜率y_dj>0，判断该处缺陷为上表面缺陷。

5.根据权利要求4所述的基于脉冲漏磁检测区分钢板上、下表面缺陷的方法，其特征在于，在脉冲激励电压为高电平时间段内，将传感器输出信号按时间等分为50段；在激励电压为低电平期间，将传感器输出信号按时间等分为50段，即M＝50。