CN109298069A - 多层金属结构快速检测方法及其装置、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多层金属结构快速检测方法及其装置、设备和存储介质，通过使用直角三角形激励线圈，在待检测样品中激励产生流向相互垂直的电涡流，使用两组磁阻传感器阵列，分别测量垂直电涡流对应的磁场，通过扫描可获得样品表面的磁场图像，然后对两组传感器所采集到的磁场图像进行空间上的平移、磁场旋转，合成为新的对任意方向的缺陷都敏感的磁场图像，最后利用多频成像技术减去铆钉等结构体本身的信号，可以快速检测多层金属结构中的深层缺陷。本发明能够通过一次扫描，检测出多层金属结构任意方向上的缺陷，实现对缺陷的检测灵敏度不依赖于缺陷方向，同时检测速度快，可在复杂背景结构下快速识别并量化缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及电磁无损检测技术领域，特别是涉及一种多层金属结构快速检测方法及其装置、设备和存储介质。
背景技术
已有的理论研究和试验测试表明，受长期强机械作用力的影响，多层金属铆接结构上的应力集中部位易于产生由交变载荷所造成的疲劳损伤，并随着时间的推移而逐渐加剧，导致出现裂纹、应力腐蚀裂纹等缺陷。其中，尤其以表层以下的深层缺陷危害大且难以被检测出来。检测多层金属结构中的深层缺陷对飞机、轮船等大型设备的运行安全具有重要的意义。
(1)可在单次检测中检出任意方向缺陷。多层金属的铆钉铆接处出现的应力缺陷，可能沿着任意的径向方向产生，但对这种缺陷发展的具体方向，检测系统预先是未知的；而传统的检测成像探头常使用直线形、双矩形或双D形激励线圈产生涡流，其检测灵敏度依赖于激励电流方向与缺陷方向的相对关系，故不利于检测未知方向的缺陷。
(2)快速检测成像。大型飞机的机翼面积大。基于单个探头二维网格扫描的检测方法和实现手段耗时长，不能满足实用需求。所以，有必要研究可实施并行、快速检测的阵列探头，以切实提高检测系统的检测速度。
(3)深层缺陷识别。多层铆钉结构中的缺陷易于出现在机械应力集中的铆钉附近。由于铆钉穿透整个多层金属结构体，会严重扭曲相应位置处的电磁场分布，产生很强的信号，影响检测过程中对缺陷的识别和量化。尤其是机械强度好但具有铁磁特性的钢铆钉，其感应出的磁场信号会远强于多层金属铆接处深层缺陷产生的信号，给缺陷的识别和量化带来很大挑战。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多层金属结构快速检测方法及其装置、设备和存储介质，用于解决现有检测系统所用激励方式对缺陷的检测灵敏度依赖于缺陷方向的不足、检测耗时长、以及深层缺陷的识别效果不佳。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多层金属深层缺陷检测方法，所述方法包括：分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号；将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号；将混合的相同频率的所述第一磁场信号和/或第二磁场信号进行平移、及相位旋转处理以得到对应该频率且针对所述金属待测物任意方向上的缺陷都敏感的组合磁场信号；对多个不同频率的所述组合磁场信号通过多频信号空间变换混合算法进行融合形成最终磁场信号，以消除铆钉类信号并凸显深层缺陷信号。
于本发明的一实施例中，所述将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合是通过与不同频率的激励信号相对应的数字锁相放大器进行解调并混合的；所述不同频率的激励信号与不同频率的第一多频激励电流、及第二多频激励电流相对应。
于本发明的一实施例中，所述多频信号空间变换混合算法是依据所述多频激励电流在导体中的透射深度与所述多频激励电流对应的激励信号频率的平方根成反比的原理得到的。
于本发明的一实施例中，所述多频信号空间变换混合算法包括：对多个不同频率的所述组合磁场信号按一定比例进行空间伸缩变换；对空间伸缩变换后的各所述组合磁场信号进行复数变换；将复数变换后的各所述组合磁场信号累加以得到所述最终激励信号。
于本发明的一实施例中，所述复数变换的方法包括： 其中，表示经空间伸缩变换后的所述组合磁场信号；βi为参数；γi复数；表示取的实部，表示取的虚部；为所述最终激励信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多层金属深层缺陷检测装置，其特征在于，所述装置包括：获取部，用于分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号；解调混合部，用于将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号；处理部，用于将混合的相同频率的所述第一磁场信号和/或第二磁场信号进行平移、及相位旋转处理以得到对应该频率且针对所述金属待测物任意方向上的缺陷都敏感的组合磁场信号；对多个不同频率的所述组合磁场信号通过多频信号空间变换混合算法进行融合形成最终磁场信号，以消除铆钉类信号并凸显深层缺陷信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多层金属深层缺陷检测设备，所述设备包括：直角三角形激励线圈、多个数字锁相放大器、存储器、及处理器；所述直角三角形激励线圈，用于分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号；所述数字锁相放大器，用于将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号；所述存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，该程序被执行时实现上述所述的多层金属深层缺陷检测方法；所述直角三角形激励线圈、所述数字锁相放大器、及所述存储器分别与所述处理器电性连接。
于本发明的一实施例中，所述直角三角形激励线圈的两个直角边的中心线上分别设置磁阻传感器阵列；各所述磁阻传感器阵列包含至少一个磁阻传感器，各所述磁阻传感器包含多个传感器单元。
于本发明的一实施例中，所述直角三角形激励线圈的扫描方向与所述直角三角形激励线圈的直角对边平行。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述所述的多层金属深层缺陷检测方法。
如上所述，本发明提供的一种多层金属结构快速检测方法及其装置、设备和存储介质，通过使用直角三角形激励线圈，在待检测样品中激励产生流向相互垂直的电涡流，使用两组磁阻传感器阵列，分别测量垂直电涡流对应的磁场，通过扫描可获得样品表面的磁场图像，然后对两组传感器所采集到的磁场图像进行空间上的平移、磁场旋转，合成为新的对任意方向的缺陷都敏感的磁场图像，最后利用多频成像技术减去铆钉等结构体本身的信号，可以快速检测多层金属结构中的深层缺陷。
本方法具有如下优点：
(1)对缺陷的检测灵敏度不依赖于缺陷方向，可以在一次扫描中，检测出任意方向的缺陷；
(2)由于采用了大规模高灵敏度的磁阻传感器阵列，检测成像速度快；
(3)通过多频率的磁场图像数据分析，可在复杂背景结构下快速识别并量化缺陷。
附图说明
图1显示为本发明于一实施例中的直角三角形激励线圈的结构示意图。
图2显示为本发明于一实施例中的多层金属深层缺陷检测方法的流程示意图。
图3显示为本发明于一实施例中的多层金属深层缺陷检测装置的模型示意图。
图4显示为本发明于一实施例中的多层金属深层缺陷检测设备的结构示意图。
图5显示为本发明于一实施例中的缺陷角度固定时不同缺陷长度的效果图。
图6显示为本发明于一实施例中的缺陷长度固定时不同缺陷角度的效果图。
元件标号说明
S201～S204 方法步骤
300 多层金属深层缺陷检测装置
301 获取部
302 解调混合部
303 处理部
400 多层金属深层缺陷检测设备
401 直角三角形激励线圈
402 数字锁相放大器
403 存储器
404 处理器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图式仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
一般来说，由于多层金属结构中的各层金属间存在空气间隙，会阻碍超声波的传播，因此，基于超声波原理的检测仪器一般只能检测第一层金属，而不能检测出表层以下的金属缺陷；x射线检测方法对金属结构中的纵向裂纹不敏感，且有辐射风险，需要从两面接触被测物体，现场操作不方便，因而也不适用于对飞机整机结构的检测。而基于感应电流的电磁检测技术，由于具有检测速度快、成本低、易操作、非接触和可检出多层结构中缺陷等一系列优点，是解决飞机机翼上多层金属铆接处深层缺陷最可行的检测技术。
如图1所示，展示本发明于一实施例中的直角三角形激励线圈的场景示意图。如图所示，所述三角形激励线圈优选为直角三角形或等边直角三角形。
于本发明的一实施例中，通过一直角三角形激励线圈的设计对多层金属深层缺陷进行检测。具体为，将两个磁阻传感器阵列a、及b分别放置于直角三角形激励线圈的两个直角边的中心线上，所述直角三角形激励线圈的扫描方向与其直角对边平行。
于本发明的一实施例中，所述多频激励电流的励磁电流是交流，通过改变频率，以实现激励出不同频率的励磁电流。
通过对直角三角形激励线圈提供多频激励电流，使其产生调制磁场，利用磁场对待测物进行扫描，再通过分别放置于直角三角形激励线圈的两个直角边的中心线上的磁阻传感器阵列以测量磁场的方向分量，从而得到针对待测物的磁场信号或呈现为磁场图像。
于本发明的一实施例中，所述待测物为多层金属结构。举例来说，所述待测物为三层厚铝板结构，三层厚铝板均带有铆钉孔和沉孔并通过铆钉固定，而每一层还可能包含由于长期强机械的作用力并随着时间的推移而产生的如裂纹、应力腐蚀裂纹等缺陷。
如图2所示，展示本发明于一实施例中的多层金属深层缺陷检测方法的流程示意图。如图所示，所述方法包括：
步骤S201：分别获取针对金属待测物的至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号。
于本发明的一实施例中，可借助在空间上具有互相垂直关系的第一多频激励电流、及第二多频激励电流，通过扫描以作用于待测物上，由此可获得相应地第一磁场信号、及第二磁场信号。
于本发明的一实施例中，在空间上具有互相垂直关系的第一多频激励电流、及第二多频激励电流可通过如图1所述的直角三角形激励线圈实现，即通过分别在直角三角形激励线圈的两直角边上提供多频激励电流以实现。
当然，还可以通过其他能够形成相互垂直关系形状的激励线圈实现，如，金字塔形激励线圈或圆锥形线圈，通过在金字塔形或圆锥形侧面提供一对呈中心对称且互相垂直的激励电流。亦或是，两根独立的固定棒，通过一定方式使两根独立的固定棒互相垂直，再通过提供激励电流得以实现，如可参考三角铁形状。由此，凡无论通过何种形状提供互相垂直的激励电流的，均涵盖于本发明构思的保护范围内。
于本发明的一实施例中，所述激励电流是交流，通过改变频率，以实现激励出不同频率的励磁电流。
具体的获取原理如下：
在空间上具有互相垂直关系的两个多频激励电流，通过线圈以形成调制磁场，并通过扫描以作用于金属待测物。
由金属待测物处于变化着的磁场中(扫描带动磁场运动)或者在磁场中运动(待测物运动)时，金属待测物体内都会产生感应电动势，从而在金属待测处体内产生流向相互垂直的电涡流。故当金属待测物中存在缺陷时，缺陷会影响电涡流的分布，进而改变金属待测物表面磁场的分布。
可通过借助磁阻传感器捕获金属待测物表面的磁场分布以分别获得对应两个多频激励电流的磁场信号或磁场图像。
于本发明的一实施例中，同样将两个磁阻传感器设置为相互垂直。如，可设置于如图1所述的直角三角形激励线圈的两直角边的中心线处，优选地，两直角边为等边直角边。另外，使用该直角三角形激励线圈扫描时的方向与激励直角三角形线圈的长边平行。
于本发明的一实施例中，所述激励电流为多频的，因此，当处于不同频率时扫描金属待测物，会得到对应不同频率的磁场信号对或磁场图像对，如第一磁场信号、及第二磁场信号。
此处需要不同频率的磁场信号，其目的在于，在后续的信号处理中，可适当地融合多个频率的测量结果，可以去除铆钉信号，从而凸显出缺陷信号。
步骤S202：将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号。
于本发明的一实施例中，所述将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合是通过与不同频率的激励信号相对应的数字锁相放大器进行解调并混合的；所述不同频率的激励信号与不同频率的第一多频激励电流、及第二多频激励电流相对应。
于本发明的一实施例中，通过直角三角形激励线圈激励产生流向相互垂直的多频激励电流的同时，还形成与多频激励电流相对应的相互垂直度的激励信号。
需要说明的是，一种频率的激励信号则对应相应频率的数字锁相放大器进行解调，多种频率的激励信号同样是一一对应的。
所述数字锁相放大器是一种以数字信号处理为基础的锁相放大器。按照数字化的程度，锁相放大器分为模拟锁相放大器，数模混合锁相放大器，数字锁相放大器。一般的锁相放大器主要有振荡器，混频器，滤波器组成。数字锁相放大器实现了混频器和滤波器的全数字化，具有集成度高，配置方便，可在线升级等特点。
于本发明的一实施例中，采用数字锁相放大器优势在于：
1)由于数字锁相放大器在输出通道中没有直流放大器，可以避免直流放大器的工作特性随时间变化的不稳定性和由于温度变化引起的温度漂移带来的干扰，这是模拟锁相放大器不可解决的问题之一；
2)数字锁相放大器的内部晶振时钟源随时间和温度变化小，用这种稳定性高的时钟源来做调制信号和参考信号能降低参考信号的不稳定所带来的误差，同时在内部参考模式中，数字信号处理单元能在最短时间甚至能不需要延时就能完成锁相功能，尤其在频率扫描测量中有其明显的优点；
3)如果被测信号有较强的正交性，采用数字锁相放大器的高性能的正交解调技术，使微弱信号检测精度能得到很大程度上的提高；
4)随着技术的发展，数字信号处理单元的性价比提高，使数字锁相放大器的性价比也得到相应的提高，数字锁相技术将会更深入地影响未来的测量技术。
于本发明的一实施例中，基于数字锁相放大器的上述优点，通过将微弱的电磁信号放大及滤波实现对不同频率的激励信号的解调。
于本发明的一实施例中，所述混合处理的方法包括：
T{H}＝WH；M＝L-WH；
其中，H为高频信号；L低频信号；W是复数参数；M为融合之后的信号。
需要说明的是，参数W需要事先优化选定，选定方法是以没有缺陷的区域为参考，其公式为：R*＝argminW||WH-L||2。
通过上述混合处理以去除非关键信号，如边沿信号、及背景信号。
步骤S203：将混合的相同频率的所述第一磁场信号和/或第二磁场信号进行平移、及相位旋转处理以得到对应该频率且针对所述金属待测物任意方向上的缺陷都敏感的组合磁场信号。
于本发明的一实施例中，在进行平移处理中平移所需的距离实际由成对的磁阻传感器决定的。具体地，成对的磁阻传感器满足中心对称关系。
举例来说，当多频励磁电流处于一频率时，对任意一个待测物上的被检测点而言，通过扫描，该被监测点会有磁阻传感器阵列a和一个磁阻传感器阵列b先后经过该点。假设磁阻传感器阵列a中第i个磁阻传感器与磁阻传感器阵列b中第i个磁阻传感器的间距是li，则进行平移处理时，所述磁场数据需平移的距离为li。
具体来说，由于磁阻传感器阵列a与磁阻传感器阵列b分别位于直角三角形激励线圈两直角边的中心线上，因此，磁阻传感器阵列a与磁阻传感器阵列b可看作为中心对称，如，磁阻传感器阵列a中从上至下的第一个磁阻传感器，则在磁阻传感器阵列b中对应的第一个磁阻传感器同样为从上至下的第一个磁阻传感器，即通过满足中心对称的关系找到两个磁阻传感器阵列中相对应的一对磁阻传感器，并由此得到相关需平移的距离。
于本发明的一实施例中，在平移之后，两个磁阻传感器阵列所测量到的同一被检测点的磁场数据或磁场图像在空间上重合，但对应的两个多频激励电流相互垂直，然后将平移后两个磁阻传感器阵列检测所得的结果按下述公式做组合运算：
Bt＝Ba+jB′b；
其中，Ba为一磁阻传感器阵列(如磁阻传感器阵列a)所采集到的磁场数据，B′b为经过平移变换之后的另一磁阻传感器阵列(如磁阻传感器阵列b)所采集到的磁场数据，j是虚数单位，表示将对应的数据的相位旋转90°，Bt是组合数据。
于本发明的一实施例中，在旋转之后，可等效为一磁阻传感器阵列(如磁阻传感器阵列a)对应的多频激励电流与另一磁阻传感器阵列(如磁阻传感器阵列b)对应的激励电流在相位上相差90°，在空间上相互垂直，因此，其实际上构建了一个虚拟旋转的激励磁场来检测任意方向的缺陷。
举例来说，假设金属待测物中铆钉附近没有缺陷，则Bt所呈现的磁场图像是一个较理想的圆环形；而如果铆钉帽下方的多层金属局部有缺陷，则Bt所呈现的磁场图像会从圆环形沿着缺陷的方向发生畸变，由此可以通过磁场图像或磁场信号检测出金属待测物中的缺陷。
于本发明的一实施例中，本发明所述的方法对金属待测物任意方向上的缺陷都有相似的检测灵敏度。
于本发明的一实施例中，当多频励磁电流为其他频率时，继续扫描并重复上述过程，可以得到在其他频率上的组合磁场信号，以供后续多频率的组合磁场信号融合。
需要说明的是，与现有技术的区别在于，通过互相垂直的两多频励磁电流的设计，使对缺陷的检测灵敏度不再依赖于缺陷方向，并且通过使用高分辨率且相应也为互相垂直的两磁阻传感器阵列，可以在一次扫描中，检测出任意方向的缺陷。
步骤S204：对多个不同频率的所述组合磁场信号通过多频信号空间变换混合算法进行融合形成最终磁场信号，以消除铆钉类信号并凸显深层缺陷信号。
需理解的是，在使用高分辨的磁阻传感器阵列扫描获取磁场信号或磁场图像后，由于待测物多为多层金属结构，且金属待测物具有铁磁特性的铆钉、铆钉孔。其感应出的磁场信号会远强于多层金属铆接处深层缺陷产生的信号，给深层缺陷的识别带来很大挑战。因此还需对磁场信号或图像进行处理，以识别深层缺陷。
于本发明的一实施例中，所述多频信号空间变换混合算法是依据所述多频激励电流在导体中的透射深度与所述多频激励电流对应的激励信号频率的平方根成反比的原理得到的。
举例来说，当使用较高频率的激励电流时，涡流的透射深度小，如果该透射深度远未达到结构体内缺陷所在的深度，则缺陷对涡流的分布影响很小，所测得的磁场图像中只有铆钉信号而几乎没有缺陷信号；当使用较低频率的激励电流时，涡流的透射深度深，则所测量到的磁场图像会包含铆钉和缺陷的信号。因此，通过适当地融合多个频率的测量结果，可以消除铆钉类(如铆钉、铆钉孔)信号，并凸显深层缺陷信号。
于本发明的一实施例中，所述多频信号空间变换混合算法包括：对多个不同频率的所述组合磁场信号按一定比例进行空间伸缩变换；对空间伸缩变换后的各所述组合磁场信号进行复数变换；将复数变换后的各所述组合磁场信号累加以得到所述最终激励信号。
于本发明的一实施例中，通过电磁场仿真计算发现，不同频率下所测得的铆钉信号除了幅值、相位有差异之外，在空间上的分布也不一样。因此，在混合多频信号之前，需要对不同频率的信号进行空间的伸缩变换。其目的是为了统一各所述组合磁场信号，以便于融合运算。
于本发明的一实施例中，所述复数变换的方法包括：
其中，表示经空间伸缩变换后的所述组合磁场信号；βi为参数；γi复数；表示取的实部；表示取的虚部；为所述最终激励信号。
将经所述经空间伸缩变换、复数变换后的不同频率的所述组合激励信号累加得到最后的激励信号
于本发明的一实施例中，上述公式中的参数βi，需要预先利用无缺陷铆钉信号进行优化，使得没有缺陷的铆钉计算结果的剩余量最小，从而消除所述铆钉类信号，并凸显深层缺陷信号。
所述参数βi通过无缺陷的所述待测物本身信号作为参考预先进行优化，以消除所述待测物本身信号并凸显缺陷信号。
将经所述经空间伸缩变换、复数变换后的不同频率的所述组合激励信号累加得到最后的输出结果铆钉抑制算法里所用到的参数需预先利用无缺陷铆钉信号进行优化，使得没有缺陷的铆钉计算结果的剩余量最小。
如图3所示，展示本发明于一实施例中的多层金属深层缺陷检测装置的模块示意图。如图所示，所述多层金属深层缺陷检测装置300包括：
获取部301，用于分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号。
需要强调的是，所获取的第一磁场信号、及第二磁场信号可以是外部如图1所述的直角三角形激励线圈进行获得的，即可直接获取磁场信号，该磁场信号满足如步骤S201相应的描述。
解调混合部302，用于将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号；
需要说明的是，进行解调的装置可以是软件形式的数字锁相放大器，并对不同频率的磁场信号分别相应配置。
处理部303，用于将混合的相同频率的所述第一磁场信号和/或第二磁场信号进行平移、及相位旋转处理以得到对应该频率且针对所述金属待测物任意方向上的缺陷都敏感的组合磁场信号；对多个不同频率的所述组合磁场信号通过多频信号空间变换混合算法进行融合形成最终磁场信号，以消除铆钉类信号并凸显深层缺陷信号。
于本发明的一实施例中，通过各模块配合使用能够实现如图2所述的多层金属深层缺陷检测方法的各步骤。
需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，处理部303可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上处理部303的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(digital signal processor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。
如图4所示，展示本发明于一实施例中的多层金属深层缺陷检测设备的结构示意图。如图所示，所述多层金属深层缺陷检测设备400包括：直角三角形激励线圈401、多个数字锁相放大器402、存储器403、及处理器404。
所述直角三角形激励线圈401，用于分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号。
所述直角三角形激励线圈401可如图1所示。
于本发明的一实施例中，所述直角三角形激励线圈401的两个直角边的中心线上分别设置磁阻传感器阵列；各所述磁阻传感器阵列包含至少一个磁阻传感器，各所述磁阻传感器包含多个传感器单元。
于本发明的一实施例中，所述直角三角形激励线圈401的扫描方向与所述直角三角形激励线圈401的直角对边平行。
于本发明的一实施例中，所述直角三角形激励线圈401优选为等边直角三角形激励线圈。
当然，还可以通过其他能够形成相互垂直关系形状的激励线圈实现，如，金字塔形激励线圈或圆锥形线圈，通过在金字塔形或圆锥形侧面提供一对呈中心对称且互相垂直的激励电流。亦或是，两根独立的固定棒，通过一定方式使两根独立的固定棒互相垂直，再通过提供激励电流得以实现，如可参考三角铁形状。由此，凡无论通过何种形状提供互相垂直的激励电流的，均涵盖于本发明构思的保护范围内。
于本发明的一实施例中，所述扫描的动作包括：所述直角三角形激励线圈401运动，以使形成的磁场运动，使处于磁场中的金属待测物产生电涡流；或者，所述直角三角形激励线圈401固定，其形成磁场，使金属待测物做运动，同样时磁场中的金属待测物与磁场形成相对运动以产生电涡流。
于本发明的一实施例中，通过直角三角形激励线圈401提供多频激励电流，所述激励电流是交流，通过改变频率，以实现激励出不同频率的励磁电流。
所述数字锁相放大器402，用于将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号。
于本发明的一实施例中，通过直角三角形激励线圈401激励产生流向相互垂直的多频激励电流的同时，还形成与多频激励电流相对应的相互垂直度的激励信号。
为与不同频率的激励信号一一对应，在该设备中，设置多个所述数字锁相放大器402，以与不同频率的激励信号一一对应的进行设置。
所述数字锁相放大器是一种以数字信号处理为基础的锁相放大器。按照数字化的程度，锁相放大器分为模拟锁相放大器，数模混合锁相放大器，数字锁相放大器。一般的锁相放大器主要有振荡器，混频器，滤波器组成。数字锁相放大器实现了混频器和滤波器的全数字化，具有集成度高，配置方便，可在线升级等特点。
基于数字锁相放大器的上述优点，通过将微弱的电磁信号放大，能够去除非关键信号，如边沿信号、及背景信号。
所述存储器403，其上存储有计算机程序；处理器404，用于执行存储器存储的计算机程序，该程序被执行时实现如图2所述的多层金属深层缺陷检测方法。
所述直角三角形激励线圈401、所述数字锁相放大器402、及所述存储器403分别与所述处理器404电性连接。
所述存储器403可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
所述处理器404可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
为了详细说明所述多层金属深层缺陷检测设备400，下面通过实验举例进一步说明，同时以证明本发明所述的多层金属深度缺陷检测方法的可行性。
多层金属深层缺陷检测设备400相关参数：由直角三角形激励线圈401和用于采集数据的两个磁阻传感器阵列组成。激励线圈既为图1所示三角形多匝线圈，线圈共60匝，单匝间距0.5mm，金属导线直径0.5mm；TMR阵列传感器由180个TMR传感器构成，相邻传感器间距0.5mm，传感器大小为0.45mm*0.45mm。将阵列传感器平行于激励电流方向且位于激励线圈对称位置放置(如图1所示)，传感器距离激励线圈1.6mm，激励线圈距离样品0.3mm。
样品部分：样品由三层5mm厚铝板构成，第一层带有铆钉孔和沉孔，没有缺陷；第二层带有铆钉孔和缺陷，缺陷长度分别为0mm，5mm，10mm，15mm，20mm。并且通过以铆钉孔为中心旋转第二层板可制造任意方向缺陷；第三层带有铆钉孔。样品通过铆钉固定在步进电机上由步进电机控制以每秒0.03mm速度运动。
实验结果：每个铆钉的数据包括四组：1)100Hz激励信号，左侧阵列输出。2)100Hz激励信号，右侧阵列输出。3)1000Hz激励信号，左侧阵列输出。4)1000Hz激励信号，右侧阵列输出。
首先将每组数据的边沿信号以及背景信号去除。然后将左侧和右侧阵列输出的信号通过空间平移，相位旋转合成为一组磁场信号，再将100Hz激励的磁场信号和1000Hz激励的磁场信号通过空间变换合成为最终磁场信号，通过多频率的磁场图像数据分析，效果如图5、图6所示，可以清晰识别位于多层铝板内5mm深的最小长度为5mm的缺陷。
如图5所示，展示本发明于一实施例中的缺陷角度固定时不同缺陷长度的效果图。图中展示为：缺陷角度固定时，缺陷长度不同的磁场信号效果图。缺陷长度分别为：(a)5mm、(b)10mm、(c)15mm、(d)20mm。需要说明的是，效果图转为黑白图一定程度上影响了效果展示。
如图6所示，展示本发明于一实施例中的缺陷长度固定时不同缺陷角度的效果图。图中展示为：缺陷长度固定时，缺陷角度不同的磁场信号效果图。缺陷长度分别为：(a)22.5°、(b)45°、(c)67.5°、(d)90°。
结论：本发明设计的直角三角形激励线圈，使对缺陷的检测灵敏度不依赖于缺陷方向；通过使用高分辨率磁阻传感器阵列，可以在一次扫描中，检测出任意方向的缺陷，并且通过多频率的磁场图像数据分析，可在复杂背景结构下快速识别并量化缺陷，可以清晰识别位于多层铝板内5mm深的最小长度为5mm的缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图2所述的多层金属深层缺陷检测方法。
所述计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，本发明提供的一种多层金属结构快速检测方法及其装置、设备和存储介质，通过使用直角三角形激励线圈，在待检测样品中激励产生流向相互垂直的电涡流，使用两组磁阻传感器阵列，分别测量垂直电涡流对应的磁场，通过扫描可获得样品表面的磁场图像，然后对两组传感器所采集到的磁场图像进行空间上的平移、磁场旋转，合成为新的对任意方向的缺陷都敏感的磁场图像，最后利用多频成像技术减去铆钉等结构体本身的信号，可以快速检测多层金属结构中的深层缺陷。本发明能够通过一次扫描，检测出多层金属结构任意方向上的缺陷，实现对缺陷的检测灵敏度不依赖于缺陷方向，同时检测速度快，可在复杂背景结构下快速识别并量化缺陷。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种多层金属深层缺陷检测方法，其特征在于，所述方法包括：
分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号；
将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号；
将混合的相同频率的所述第一磁场信号和/或第二磁场信号进行平移、及相位旋转处理以得到对应该频率且针对所述金属待测物任意方向上的缺陷都敏感的组合磁场信号；
对多个不同频率的所述组合磁场信号通过多频信号空间变换混合算法进行融合形成最终磁场信号，以消除铆钉类信号并凸显深层缺陷信号。
2.根据权利要求1所述的多层金属深层缺陷检测方法，其特征在于，所述将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合是通过与不同频率的激励信号相对应的数字锁相放大器进行解调并混合的；所述不同频率的激励信号与不同频率的第一多频激励电流、及第二多频激励电流相对应。
3.根据权利要求1所述的多层金属深层缺陷检测方法，其特征在于，所述多频信号空间变换混合算法是依据所述多频激励电流在导体中的透射深度与所述多频激励电流对应的激励信号频率的平方根成反比的原理得到的。
4.根据权利要求3所述的多层金属深层缺陷检测方法，其特征在于，所述多频信号空间变换混合算法包括：
对多个不同频率的所述组合磁场信号按一定比例进行空间伸缩变换；
对空间伸缩变换后的各所述组合磁场信号进行复数变换；
将复数变换后的各所述组合磁场信号累加以得到所述最终激励信号。
5.根据权利要求4所述的多层金属深层缺陷检测方法，其特征在于，所述复数变换的方法包括：
其中，表示经空间伸缩变换后的所述组合磁场信号；βi为参数；γi复数；表示取的实部；表示取的虚部；为所述最终激励信号。
6.一种多层金属深层缺陷检测装置，其特征在于，所述装置包括：
获取部，用于分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号；
解调混合部，用于将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号；
处理部，用于将混合的相同频率的所述第一磁场信号和/或第二磁场信号进行平移、及相位旋转处理以得到对应该频率且针对所述金属待测物任意方向上的缺陷都敏感的组合磁场信号；对多个不同频率的所述组合磁场信号通过多频信号空间变换混合算法进行融合形成最终磁场信号，以消除铆钉类信号并凸显深层缺陷信号。
7.一种多层金属深层缺陷检测设备，其特征在于，所述设备包括：直角三角形激励线圈、多个数字锁相放大器、存储器、及处理器；
所述直角三角形激励线圈，用于分别获取针对金属待测物至少两对不同频率的对应于第一多频激励电流的第一磁场信号、及对应于与第一多频激励电流互相垂直的第二多频激励电流的第二磁场信号；
所述数字锁相放大器，用于将各对不同频率的所述第一磁场信号、及第二磁场信号进行解调并混合以消除边沿信号、及背景信号；
所述存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，该程序被执行时实现权利要求1至5中任意一项所述的多层金属深层缺陷检测方法；所述直角三角形激励线圈、所述数字锁相放大器、及所述存储器分别与所述处理器电性连接。
8.根据权利要求7所述的多层金属深层缺陷检测设备，其特征在于，所述直角三角形激励线圈的两个直角边的中心线上分别设置磁阻传感器阵列；各所述磁阻传感器阵列包含至少一个磁阻传感器，各所述磁阻传感器包含多个传感器单元。
9.根据权利要求8所述的多层金属深层缺陷检测设备，其特征在于，所述直角三角形激励线圈的扫描方向与所述直角三角形激励线圈的直角对边平行。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任意一项所述的多层金属深层缺陷检测方法。
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