CN108982652A - 一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法 - Google Patents

一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法 Download PDF

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Abstract

一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，方法：1)在待测试件的中心位置处生成一个标准缺陷；2)将激励装置与待测试件连接，搭建检测模型；3)在线圈接受激励的同时进行分量的采集，提取出每个数据的检测信号，使用EMD进行经验模态分解，得到本征模函数信号；4)根据分量数据特征，实现裂纹缺陷的角度、轴向长度、周向长度以及径向长度的精准识别，进而换算出缺陷的实际尺寸；本发明使用缠绕着通电矩形线圈的U型磁轭对待检构件磁化激发出缺陷漏磁场，实现缺陷上方磁场扰动的信号采集，并对金属表面缺陷进行检测与识别，提高检测结果的可靠性，对于缺陷形状较复杂试件的电磁无损检测具有较强的使用价值。

Description

一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法
技术领域
本发明属于金属损伤的电磁无损检测技术领域，具体涉及一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法。
背景技术
我国的石油开发的范围已经迈向海底资源，我国在沿海的海上石油勘探平台数量不断增加。这些平台每年都要进行例行的安全隐患检测，一般情况下，需要检测的均为海下钢架、管道等。普通的检测方法已经不能满足检测需要，随着交变电磁场检测技术的出现，这种技术已经被大面积应用在海底检测，但是国外检测经费昂贵，不利于这种技术的大力发展，因此研究交变电磁场检测技术的理论，推动国内交变电磁场技术的发展非常有必要。
磁场检测方法是在金属材料中施加多频率耦合的交变磁场，在金属表面由于集肤效应会感应出均匀交变电流，并在金属表面外空间产生交变磁场，当铁磁性材料表面光滑无任何缺陷时，磁感线会均匀分布在周围；当铁磁性材料表面存在缺陷时，因为磁感线是不会断开消失的，当磁感线经过缺陷时会发生弯曲，部分磁感线绕过或溢出材料表面缺陷处，从而在缺陷边缘处发生畸变，形成漏磁场，通过检测这个磁场信号的畸变，就能确定裂纹信息的角度、宽度、深度与长度。
已知的利用交变磁场检测裂纹缺陷的技术，大多是依靠单一的幅值和频率的激励源，在检测裂纹缺陷长度和深度上具有良好的效果，但是对于激励频率的变化对于检测随机分布裂纹缺陷的灵敏度没有提及。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，目的在于利用磁场检测方法的基本原理，设计一种金属损伤的无损检测和评定方法，从而实现裂纹缺陷角度、宽度、深度与长度的定量测量。
一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，具体步骤如下：
步骤1：在待测试件的中心位置处生成一个长10mm、宽4mm、深3mm、与轴向方向夹角为45°的长方体标准缺陷；
步骤2：将激励装置与待测试件连接，在激励线圈中施加激励信号，搭建检测模型，磁轭的中心与缺陷的中心处于相同的水平坐标；
步骤3：在线圈接受激励的同时，在采集点处开始进行径向分量与轴向分量的采集，扰动磁场信号采集完成后，提取出每个数据采集位置中轴向分量、径向分量的10*T(激励周期)长度的检测信号，使用EMD对每个数据采集点的轴向分量与径向分量分别进行经验模态分解，得到本征模函数信号；
步骤4：根据每组轴向分量数据以及径向分量的数据特征，实现裂纹缺陷的角度、轴向长度、周向长度以及径向长度的精准识别：
取t0为第一次励磁最大时刻，分别将每点采集的数据分解得到的IMF1、IMF2、IMF3信号的t0时刻点对应的数据，重组为两个n条由m个数据点构成的信号；
(1)在IMF2信号下，根据n条轴向分量峰谷值的高度差识别缺陷的径向长度h：
设n条径向分量的峰值分别为f1,f2,...,fn，谷值分别为g1,g2,...,gn，记录峰谷值差连续大于阈值m且小于阈值M的条数信息(第a1条至第a2条)，在阈值范围内的峰谷值差的平均数div与缺陷径向长度h的关系式为：div＝32.86h3-18.33h2+8.47h+19.95；
(2)在IMF2信号下，根据n条径向分量信号的峰谷值坐标点信息，识别裂纹缺陷倾斜角度θ：
设第i条径向分量的峰值坐标为(xfi，yfi)，谷值坐标为(xgi，ygi)；
令将n个(xi，yi)坐标点按照升序连成一条曲线，与(1)中的条数信息结合，取斜率计算得到缺陷的倾斜角度θ＝arctan(k)；
(3)在IMF1信号下，根据n条径向分量信号的峰谷值的高度差连续大于阈值m1的信号条数的首末位置(第a3条至第a4条)和峰值的连续大于阈值m2的信号条数的首末位置(如第a5条至第a6条)，识别缺陷在周向长度length_d：
取峰谷值的连续大于阈值的信号条数的周向长度D1＝(a4-a3)*1.5和峰值的连续大于阈值的信号条数的周向长度D2＝(a6-a5)*0.4，D1、D2与缺陷周向长度length_d的关系式为：length_d＝0.2618*D1+0.7382*D2；
(4)在IMF3信号下，识别缺陷在轴向长度length_l：
求得n条径向分量信号中峰谷值高度差最大的为第i条信号，设第i条径向分量的峰值坐标为(xfi，yfi)，谷值坐标为(xgi，ygi)，将第i条信号的峰谷值轴向坐标差length＝|xfi-xgi|；
根据n条轴向分量峰值分别为f1,f2,...,fn，取其连续大于阈值m3的起止条数条数信息(第a7条至第a8条)，各自取其峰值的70％位置所在的横坐标差若其方差低于阈值ma，则取平均值否则，按各自的峰值做权重计算均值根据信号中峰谷值轴向坐标差和峰值平均值计算缺陷轴向长度length_l＝0.1094*length+0.8906*det_x。
上述一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，其中：
所述步骤1中，待测试件为碱磁金属材料。
所述步骤2中，鼓励装置由U型磁轭和缠绕在其中间的正方形激励线圈构成，其中激励线圈采用线径为0.6mm的漆包线绕制而成，线圈内边长为20mm，线圈外边长为32mm，有效长度为15mm，线圈匝数为250圈；U型磁轭采用10号钢，其相对磁导率为10000，外尺寸为100mm*20mm*35mm，内尺寸为80mm*20mm*15mm。
所述步骤3中，考虑待测试件表面不平滑等问题，采样点高度h取值为2～4mm，轴向方向上以0.4mm为间距，周向方向上以1.5mm为间距，分别设置m行n列，共计m*n个数据采集点；阵列式检测方式用于检测试件上的金属损伤，当位于缺陷上方区域时，缺陷正上方采集到的信号相交于无缺陷处会有所变化。
本发明的一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，主要设计思路为：
激励磁场采用了磁化强度随时间变化的磁场激励方式，以保证对实际情况下沿各个方向随机分布的缺陷具有足够的检测灵敏度；随时间变化的磁场通过采用多频耦合的周期非正弦电流作为励磁线圈的激励信号来实现，通过U型磁轭将磁场导入待检测试件。
本发明的一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明使用缠绕着通电矩形线圈的U型磁轭对待检构件磁化激发出缺陷漏磁场，通过布置在待测构件正上方h处的阵列式传感器拾取扰动磁场的方式，实现缺陷上方磁场扰动的信号采集。
2、本发明通过使用多频正弦电流耦合的激励方式激发出一个周期非正弦变化的检测磁场，实现对试件上存在的缺陷特征的有效检测与识别，提高检测结果的可靠性，对于缺陷形状较复杂试件的电磁无损检测具有较强的使用价值。
附图说明
图1本发明的激励装置示意图；
图2本发明的激励信号分布图；
图3本发明实施例中待测缺陷与待测试件示意图。
具体实施方式
为了能更好地说明本专利的实施与优点，下面结合具体的实施例对本专利做进一步说明。
实施例
本实施例中待测试件选用常用的低碳钢Q235钢材料，长160mm，宽64mm，厚10mm。
本实施例中激励装置如图1所示，由U型磁轭和缠绕在其中间的正方形激励线圈构成，其中激励线圈采用线径为0.6mm的漆包线绕制而成，线圈内边长为20mm，线圈外边长为32mm，有效长度为15mm，线圈匝数为250圈；U型磁轭采用10号钢，其相对磁导率为10000，外尺寸为100mm*20mm*35mm，内尺寸为80mm*20mm*15mm。
本实施例中激励线圈中的激励信号如图2所示，是由幅值均为0.5a的2kHz、5kHz和10kHz的正弦电流叠加而成，多频信号的激励周期为0.5ms。
一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，具体步骤如下：
步骤1：:在待测试件的中心位置处生成一个长10mm、宽4mm、深3mm、与轴向方向夹角为45°的长方体标准缺陷，缺陷与待测试件如图3所示；
步骤2：将激励装置与待测试件连接，在激励线圈中施加如图2所示的激励信号，搭建检测模型，磁轭的中心与缺陷的中心处于相同的水平坐标；
步骤3：在线圈接受激励的同时，在待测试样表面上方2mm处，轴向方向上以0.4mm为间距，周向方向上以1.5mm为间距，分别设置101和25，共计101*25个数据采集点，在采集点处开始进行径向分量与轴向分量的采集，信号采集频率为20kHz，扰动磁场信号采集完成后，使用EMD将每个点上采集的两种信号进行经验模态分解，轴向信号分解后命名为z_IMF1、z_IMF2、z_IMF3，径向信号分解后命名为j_IMF1、j_IMF2、j_IMF3。分别将每点采集的原始信号分解得到的z_IMF1、z_IMF2、z_IMF3和j_IMF1、j_IMF2、j_IMF3信号的0.25ms时刻点数据提取出来，然后将在每组分解信号下，重组为两个25条由101个数据点构成的信号；
步骤4：根据每组轴向分量数据以及径向分量的数据特征，实现裂纹缺陷的角度、轴向长度、周向长度以及径向长度的精准识别：
(1)在z_IMF2信号下，根据25条轴向分量峰谷值的高度差识别缺陷的径向长度：
取25条轴向分量(单位为Gs)，峰值分别为[12.85，16.21，58.98，120.04，196.24，289.67，368.45，457.52，564.22，604.90，644.63，704.16，709.88，714.53，728.92，792.71，874.55，914.10，912.81，882.54，691.63，497.14，21，303.22，175.09，93.7270]，谷值分别为[-104.32，-119.86，-136.41，-159.92，-182.04，-202.44，-199.10，-183.04，-158.61，-131.66，-110.26，-99.24，-96.30，-89.88，-88.47，-83.40，-77.59，-72.43，-69.49，-69.06，-65.52，-60.92，-55.20，-57.31，-56.33]，记录峰谷值差[91.46，136.07，195.38，279.96，378.28，492.11，567.55，640.56，722.83，736.56，754.89，803.40，806.18，804.41，817.391，876.11，952.14，986.53，982.30，951.60，757.15，558.06，358.42，232.40，150.05]，连续大于阈值600Gs且小于阈值1000Gs的条数(第8条至第21条)，分别为[640.56，722.83，736.56，754.89，803.40，806.18，804.41，817.391，876.11，952.14，986.53，982.30，951.60，757.15]，并取在阈值范围内的峰谷值差的平均数div＝(640.56+722.83+736.56+754.89+803.40+806.18+804.41+817.391+876.11+952.14+986.53+982.30+951.60+757.15)/(21-8+1)＝828.01(Gs)；峰谷值差的平均数div(Gs)与缺陷深度h(mm)的关系式为：div＝32.86h3-18.33h2+8.47h+19.95，由div＝828.01(Gs)，求得h＝3.0748(mm)；
(2)在j_IMF2信号下，根据25条径向分量信号的峰谷值坐标点信息，识别裂纹缺陷倾斜角度θ：
25条径向分量的峰值和谷值坐标的中点依次为为(41，40.5，41，43，43.5，44，44，44，46，47.5，49.5，51，52.5，53，53.5，54，55，55，55.5，56.5，55，54，53，51，50.5)，将25个坐标点按照升序连成一条曲线，与(1)中的条数信息(第8条至第21条)结合，取斜率k＝(56.5-44)/(21-8)＝0.96，计算得到缺陷的倾斜角度θ＝arctan(0.9615)＝43.87°；
(3)在j_IMF1信号下，根据25条径向分量峰谷值的高度差识别缺陷的径向长度h：
取25条径向分量(单位为Gs)，峰值分别为(167.87，192.23，251.04，311.86，364.24，408.04，491.44，564.56，626.81，676.15，738.45，797.55，778.53，718.01，656.00，601.90，556.55，528.98，485.26，421.23，332.07，259.68，207.68，171.646，170.29)，谷值分别为(-72.77，-82.16，-108.67，-146.74，-176.02，-196.56，-233.42，-272.15，-310.94，-321.34，-347.58，-398.54，-407.73，-387.82，-357.79，-330.11，-302.70，-273.20，-247.94，-226.80，-175.41，-130.04，-94.89，-77.92，-85.38)；
根据25条径向分量信号的峰谷值的高度差(167.87，192.23，251.04，311.86，364.24，408.04，491.44，564.56，626.81，676.15，738.45，797.55，778.53，718.01，656.00，601.90，556.55，528.98，485.26，421.23，332.07，259.68，207.68，171.646，170.29)，连续大于阈值600Gs的信号条数(第9条至第16条)，其周向长度为D1＝(16-9)*1.5＝10.5(mm)；
在z_IMF1信号下，取25条轴向分量信号(单位为Gs)，峰值分别为：9.96，17.88，100.75，222.84，370.16，543.19，617.12，609.23，726.70，761.60，809.60，874.70，868.70，839.10，805.20，766.40，740.80，728.80，672.40，677.50，550.92，519.69，486.23，339.63，225.04，取其连续大于阈值800Gs的信号条数(第11条至第15条)，其周向长度为D2＝(15-11)*1.5＝6(mm)；根据关系式得出缺陷周向长度length_d＝0.2618*10.5+0.7382*6＝7.1781(mm)；
(4)在j_IMF3信号下，求得25条径向分量信号中峰谷值高度差最大的为第19条信号，第19条径向分量的峰值点轴向坐标为64*0.4mm，谷值点轴向坐标为42*0.4mm，第19条信号的峰谷值轴向坐标差length＝25.6-16.8＝8.8(mm)；
在z_IMF3信号下，25条轴向分量的峰值分别为(3.97，6.87，30.82，65.58，110.67，168.91，209.30，256.90，317.09，330.36，348.74，389.95，400.37，414.45，440.14，498.94，570.15，617.23，628.96，621.58，487.51，349.45，211.46，112.59，56.44)，其中连续大于阈值600Gs的起止条数(第18条至第20条)，各自取其峰值的70％位置所在的轴向坐标差分别为5.6mm，5.6mm，6.0mm。其方差0.2309低于阈值0.3，则取平均值det_x＝5.73mm；根据信号中峰谷值轴向坐标差和峰值平均值计算缺陷轴向长度length_l＝0.1094*8.8+0.8906*5.73＝6.0658(mm)。
根据检测的磁场信号得出：轴向长度为6.0658mm、周向长度为7.1781mm、径向长度为3.0748mm、倾角为43.87°，将轴向长度、周向长度与倾角结合，换算出缺陷的长为6.0658×c°s43.87°＝4.3729(mm)、宽为7.1781÷sin43.87°＝10.3576(mm)。
试验结果：缺陷的实际尺寸特征长、宽、深、倾角分别为10mm、4mm、3mm、45°，检测尺寸特征长、宽、深、倾角分别为10.3576mm、4.3729mm、3.0748mm、43.87°，检测缺陷尺寸与实际缺陷尺寸在误差允许的范围内。此检测方法表明，多频交流电磁检测方法，可以对试件上规则缺陷的特征进行有效监测，提高检测结果的可靠性，对于缺陷形状较复杂试件的电磁无损检测具有较强的使用价值。
本实施例仅为一种材料的试件进行检测，是本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：在待测试件的中心位置处生成一个长10mm、宽4mm、深3mm、与轴向方向夹角为45°的长方体标准缺陷；
步骤2：将激励装置与待测试件连接，在激励线圈中施加激励信号，搭建检测模型，磁轭的中心与缺陷的中心处于相同的水平坐标；
步骤3：在线圈接受激励的同时，在采集点处开始进行径向分量与轴向分量的采集，扰动磁场信号采集完成后，提取出每个数据采集位置中轴向分量、径向分量的10*T(激励周期)长度的检测信号，使用EMD对每个数据采集点的轴向分量与径向分量分别进行经验模态分解，得到本征模函数信号；
步骤4：根据每组轴向分量数据以及径向分量的数据特征，实现裂纹缺陷的角度、轴向长度、周向长度以及径向长度的精准识别：
取t0为第一次励磁最大时刻，分别将每点采集的数据分解得到的IMF1、IMF2、IMF3信号的t0时刻点对应的数据，重组为两个n条由m个数据点构成的信号；
(1)在IMF2信号下，根据n条轴向分量峰谷值的高度差识别缺陷的径向长度h：
设n条径向分量的峰值分别为f1,f2,...,fn，谷值分别为g1,g2,...,gn，记录峰谷值差连续大于阈值m且小于阈值M的条数信息(第a1条至第a2条)，在阈值范围内的峰谷值差的平均数div与缺陷径向长度h的关系式为：div＝32.86h3-18.33h2+8.47h+19.95；
(2)在IMF2信号下，根据n条径向分量信号的峰谷值坐标点信息，识别裂纹缺陷倾斜角度θ：
设第i条径向分量的峰值坐标为(xfi，yfi)，谷值坐标为(xgi，ygi)；
令将n个(xi，yi)坐标点按照升序连成一条曲线，与(1)中的条数信息结合，取斜率计算得到缺陷的倾斜角度θ＝arctan(k)；
(3)在IMF1信号下，根据n条径向分量信号的峰谷值的高度差连续大于阈值m1的信号条数的首末位置(第a3条至第a4条)和峰值的连续大于阈值m2的信号条数的首末位置(如第a5条至第a6条)，识别缺陷在周向长度length_d：
取峰谷值的连续大于阈值的信号条数的周向长度D1＝(a4-a3)*1.5和峰值的连续大于阈值的信号条数的周向长度D2＝(a6-a5)*0.4，D1、D2与缺陷周向长度length_d的关系式为：length_d＝0.2618*D1+0.7382*D2；
(4)在IMF3信号下，识别缺陷在轴向长度length_l：
求得n条径向分量信号中峰谷值高度差最大的为第i条信号，设第i条径向分量的峰值坐标为(xfi，yfi)，谷值坐标为(xgi，ygi)，将第i条信号的峰谷值轴向坐标差length＝|xfi-xgi|；根据n条轴向分量峰值分别为f1,f2,...,fn，取其连续大于阈值m3的起止条数条数信息(第a7条至第a8条)，各自取其峰值的70％位置所在的横坐标差若其方差低于阈值ma，则取平均值否则，按各自的峰值做权重计算均值根据信号中峰谷值轴向坐标差和峰值平均值计算缺陷轴向长度length_l＝0.1094*length+0.8906*det_x；
根据轴向长度计算缺陷的长L＝length_l*cosθ，根据周向长度计算缺陷的宽W＝length_d*sinθ，缺陷的深H＝h。
2.根据权利要求1所述的一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，其特征在于，所述步骤1中，待测试件为碱磁金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，其特征在于，所述步骤2中，鼓励装置由U型磁轭和缠绕在其中间的正方形激励线圈构成，其中激励线圈采用线径为0.6mm的漆包线绕制而成，线圈内边长为20mm，线圈外边长为32mm，有效长度为15mm，线圈匝数为250圈；U型磁轭采用10号钢，其相对磁导率为10000，外尺寸为100mm*20mm*35mm，内尺寸为80mm*20mm*15mm。
4.根据权利要求1所述的一种多频激励场阵列电磁无损检测金属表面裂纹的方法，其特征在于，所述步骤3中，采样点高度h取值为2～4mm，轴向方向上以0.4mm为间距，周向方向上以1.5mm为间距，分别设置m行n列，共计m*n个数据采集点。
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