CN109444257B - 一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测装置及方法，属于电磁无损检测领域。所述脉冲涡流测厚方法具体步骤如下：首先，通过脉冲涡流检测装置获得不同提离距离和不同电导率下的标准试件的差分信号；然后再经过傅立叶变换获得频域实部谱信号，并提取出实部普中的频域提离交叉点；之后改变标准试件的厚度，获得不同厚度和不同电导率的频域提离交叉点；最后分别提取出频域提离交叉点处的幅值，并拟合出幅值随试件厚度变化的曲线；对已知电导率和未知厚度的被测试件进行相同的变换处理时，将获得的未知试件的频率提离交叉点幅值带入拟合曲线，即可获得被测试件厚度参数。优点：扩展了脉冲涡流提离交叉点信号特征的应用，提高了检测精度和可靠性。

Description

一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测装置及方法
技术领域
本发明涉及电磁无损检测领域，特别是一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测装置及方法。
背景技术
在航空航天、石油化工和轨道交通领域，大量使用钢结构和铝合金部件用于支撑负载或运送液体介质，以减小腐蚀、提高强度和降低部件重量。一般结构部件都涂有一层绝缘涂层，负载变化也比较复杂，使得压力和支撑结构承受较大压力和表面冲击力，同时所处环境也会带来较强的腐蚀性和磨损，造成结构部件不同程度的腐蚀致使壁厚减薄，严重影响部件结构的安全质量，严重时会造成重大的安全事故和人员伤亡。因此，定期对结构部件进行无损质量检测就显的尤为必要。
相比于其他常规无损检测方法，脉冲涡流检测是一种可以在包覆层外进行在役检测金属部件和结构部件的电磁无损检测方法。以脉冲电压信号施加在激励线圈上时，在被测构件上感生出的涡流会受到腐蚀缺陷的干扰，从而引起涡流感生出的磁场变化，通过检测变化的磁场即可评估构件壁厚的腐蚀减薄程度。
然而在检测过程中脉冲涡流检测信号易受到外界因素的干扰，这些干扰因素主要源于检测噪声、探头的提离以及构件表面沉积物等非缺陷因素。其中探头的提离效应是脉冲涡流检测中面临的主要问题。绝缘涂层厚度的变化、探头抖动以及操作者对探头施加压力的变化均可以致使提离距离发生变化，从而干扰或掩盖掉腐蚀缺陷信号，对检测结果造成严重影响。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测装置及方法，解决对具有包覆涂层的结构部件进行腐蚀减薄检测时，因包覆涂层厚度不同引起的探头提离变化，所造成的提离效应的问题。
本发明的目的是这样实现的：本发明的一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测，包括脉冲涡流检测装置和测厚方法。
脉冲涡流检测装置包括：探头、数据采集卡、计算机和函数发生器；函数发生器的输出端与探头的输入端连接，探头的输出端通过数据采集卡与计算机连接。
所述的探头为带铁芯线圈探头，包括：探头激励线圈、探头检测线圈和铁心；铁芯位于探头的中心，探头激励线圈紧贴铁心绕制，探头检测线圈紧贴探头激励线圈绕制；探头激励线圈接收函数发生器产生的激励信号，探头检测线圈采集探头激励线圈的感应电压和被测试件上涡流的感应电压信号，数据采集卡将探头检测线圈检测到的电压信号传送至计算机，获得被测物件的厚度。
测厚方法的步骤如下：
(1)首先，已知标准试件电导率参数，利用脉冲涡流检测装置获取空气中的脉冲涡流检测信号并作为参考信号，然后再利用脉冲涡流检测装置获取非铁磁性标准试件在提离距离L1下的脉冲涡流检测信号；
(2)将步骤(1)中的标准试件的脉冲涡流检测信号与参考信号作差分处理，获得脉冲涡流差分响应信号；
(3)对步骤(2)中的脉冲涡流差分响应信号进行快速傅立叶变换，获得频域下的实部谱信号R1；
(4)改变脉冲涡流检测的提离距离，获得非铁磁性标准试件在另一提离距离L2下的脉冲涡流检测信号，重复步骤(2)和步骤(3)，获得另一提离距离下的实部谱信号R2，然后再提取实部谱信号R1和R2的提离交叉点，并分别获取频域提离交叉点处的幅值；
(5)改变非铁磁性标准试件的厚度，重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)，获得不同厚度条件下的实部谱信号的频域提离交叉点，并分别获得频域提离交叉点处的幅值；
(6)改变非铁磁性标准试件为铁磁性标准试件，并已知电导率参数，重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，获得不同厚度下铁磁性标准试件的实部谱信号的频域提离交叉点，并分别获得频域提离交叉点处的幅值；
(7)将步骤(5)和步骤(6)中获得的幅值参数与铁磁性标准试件和非铁磁性标准试件厚度进行数值拟合，获得随铁磁性试件厚度而变化的幅值曲线和随非铁磁性试件厚度而变化的幅值曲线；
(8)利用脉冲涡流检测装置分别获取提离距离L1和L2下的相同材料和未知厚度的被测试件检测信号，并与参考信号进行差分处理，获得脉冲涡流差分信号响应，重复步骤(3)和(4)，获得频域提离交叉点处的幅值；
(9)将步骤(8)中的幅值参数带入步骤(7)中对应材料的幅值曲线，即可获得铁磁性和非铁磁性被测未知试件的厚度参数；如若被测试件电导率发生变化，重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，再重复步骤(8)、(9)即可获得被测试件参数。
有益效果，由于采用了上述方案，与常规提离交叉点仅存在于非铁磁性材料的脉冲涡流检测信号中相比，实部普中的频域提离交叉点即存在于铁磁性材料的脉冲涡流检测信号的实部频谱中，也存在于非铁磁性材料的脉冲涡流检测信号的实部频谱中，且实部普中的频域提离交叉点不受磁导率变化的影响。因此，实部普中的频域提离交叉点可以进一步提高提离交叉点的检测精度和不受铁磁性材料的影响，将提离交叉点的应用进一步扩展到了铁磁性材料的检测中。
提离交叉点作为一个理想的信号特征，能够有效的抑制提离效应，提离交叉点在检测壁厚减薄的同时也能有效抑制提离效应，消除因管壁上的涂层变化和沉积物带来的提离影响，进一步提高脉冲涡流在壁厚减薄领域的检测精度；广泛应用于腐蚀导致的壁厚减薄测量、缺陷和厚度测量等领域。
解决了对具有包覆涂层的结构部件进行腐蚀减薄检测时，因包覆涂层厚度不同引起的探头提离变化，所造成的提离效应的问题，达到了本发明的目的。
优点：该方法能够消除铁磁性材料对提离交叉点产生的影响，有效抑制脉冲涡流检测过程中探头和试件之间提离距离变化造成的提离效应，获得铁磁性和非铁磁性材料的共有提离交叉点，在进行材料厚度测量时能够有效抑制提离效应，进一步扩展了脉冲涡流提离交叉点信号特征的应用。同时通过确定电导率的大小，更加精确测量被测试件厚度变化，进一步提高的检测精度。
附图说明
图1为本发明的脉冲涡流检测装置的结构图。
图2为本发明实施例的一种脉冲涡流测厚方法的流程框图。
图3为本发明的脉冲涡流检测信号、参考信号和差分信号图。
图4(a)为本发明的非铁磁性材料的脉冲涡流检测差分信号在不同提离距离下的检测信号图。
图4(b)为本发明的铁磁性材料的脉冲涡流检测差分信号在不同提离距离下的检测信号图。
图5(a)为本发明的非铁磁性材料的脉冲涡流差分信号的实部普信号图。
图5(b)为本发明的铁磁性材料的脉冲涡流差分信号的实部普信号图。
图6(a)为本发明的非铁磁性材料不同厚度和不同电导率下的提离交叉点变化规律图。
图6(b)为本发明的铁磁性材料不同厚度和不同电导率下的提离交叉点变化规律图。
图7(a)为本发明的非铁磁性材料的脉冲涡流频域提离交叉点幅值信号随试件厚度变化曲线图。
图7(b)为本发明的铁磁性材料的脉冲涡流频域提离交叉点幅值信号随试件厚度变化曲线图。
具体实施方式
本发明的一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流测厚，包括脉冲涡流检测装置和测厚方法。
脉冲涡流检测装置包括：探头1、数据采集卡2、计算机3和函数发生器4；函数发生器的输出端4与探头1的输入端连接，探头1的输出端通过数据采集卡2与计算机3连接。
所述的探头1为带铁芯线圈探头，包括：探头激励线圈5、探头检测线圈6和铁心7；铁芯7位于探头1的中心，探头激励线圈5紧贴铁心7绕制，探头检测线圈6紧贴探头激励线圈5绕制；探头激励线圈5接收函数发生器4产生的激励信号，探头检测线圈6采集探头激励线圈5的感应电压和被测试件上涡流的感应电压信号，数据采集卡2将探头检测线圈6检测到的电压信号传送至计算机3，获得被测物件的厚度。
测厚方法的步骤如下：
(1)首先，已知标准试件电导率参数，利用脉冲涡流检测装置获取空气中的脉冲涡流检测信号并作为参考信号，然后再利用脉冲涡流检测装置获取非铁磁性标准试件在提离距离L1下的脉冲涡流检测信号；
(2)将步骤(1)中的标准试件的脉冲涡流检测信号与参考信号作差分处理，获得脉冲涡流差分响应信号；
(3)对步骤(2)中的脉冲涡流差分响应信号进行快速傅立叶变换，获得频域下的实部谱信号R1；
(4)改变脉冲涡流检测的提离距离，获得非铁磁性标准试件在另一提离距离L2下的脉冲涡流检测信号，重复步骤(2)和步骤(3)，获得另一提离距离下的实部谱信号R2，然后再提取实部谱信号R1和R2的提离交叉点，并分别获取频域提离交叉点处的幅值；
(5)改变非铁磁性标准试件的厚度，重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)，获得不同厚度条件下的实部谱信号的频域提离交叉点，并分别获得频域提离交叉点处的幅值；
(6)改变非铁磁性标准试件为铁磁性标准试件，并已知电导率参数，重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，获得不同厚度下铁磁性标准试件的实部谱信号的频域提离交叉点，并分别获得频域提离交叉点处的幅值；
(7)将步骤(5)和步骤(6)中获得的幅值参数与铁磁性标准试件和非铁磁性标准试件厚度进行数值拟合，获得随铁磁性试件厚度而变化的幅值曲线和随非铁磁性试件厚度而变化的幅值曲线；
(8)利用脉冲涡流检测装置分别获取提离距离L1和L2下的相同材料和未知厚度的被测试件检测信号，并与参考信号进行差分处理，获得脉冲涡流差分信号响应，重复步骤(3)和(4)，获得频域提离交叉点处的幅值；
(9)将步骤(8)中的幅值参数带入步骤(7)中对应材料的幅值曲线，即可获得铁磁性和非铁磁性被测未知试件的厚度参数。如若被测试件电导率发生变化，重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，在重复步骤(8)、(9)即可获得被测试件参数。
实施例1：下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
图1为本发明实施例的一种脉冲涡流测厚装置的结构框图。
脉冲涡流检测装置包括：探头1、数据采集卡2、计算机3和函数发生器4；函数发生器的输出端4与探头1的输入端连接，探头1的输出端通过数据采集卡2与计算机3连接。
所述的探头1为带铁芯线圈探头，包括：探头激励线圈5、探头检测线圈6和铁心7；铁芯7位于探头1的中心，在铁芯7外顺序缠绕有探头激励线圈5和探头检测线圈6；探头激励线圈5接收函数发生器4产生激励信号，探头激励线圈5将函数发生器4产生的激励信号和被测试件涡流变化感应到探头检测线圈6，数据采集卡2将探头检测线圈6检测到的电压信号传送至计算机，获得被测物件的厚度。
图2为频域提离交叉点脉冲涡流测厚方法的流程框图，具体步骤包括：
首先获取铁磁性和非铁磁性材料的脉冲涡流差分信号。
图3本发明的脉冲涡流响应信号，包括空气检测参考信号、被测试件检测信号和差分信号图，首先获得非铁磁性和铁磁性标准试件的空气参考信号Uair和检测信号U，并通过差分处理获得差分信号ΔU。
然后改变提离距离，分别获取不同提离距离下的铁磁性和非铁磁性材料的脉冲涡流差分信号。
本发明的铁磁性和非铁磁性材料下的脉冲涡流检测差分信号图，改变提离距离，获得不同提离条件下的差分信号，如图4(a)和图4(b)所示。图4(a)为非铁磁性材料的脉冲涡流检测差分信号在不同提离距离下的检测信号。由图可知，非铁磁性材料的脉冲涡流的差分信号中产生了提离交叉点(LOI)。图4(b)为铁磁性材料的脉冲涡流检测差分信号在不同提离距离下的检测信号。由图可知，铁磁性材料的脉冲涡流的响应信号中没有提离交叉点(LOI)出现。
进一步的对铁磁性和非铁磁性材料的差分信号进行傅里叶变换，分别获取到各信号的实部普信号。
如图5(a)和图5(b)为本发明的铁磁性和非铁磁性材料的脉冲涡流检测差分信号在不同提离下的实部谱信号图。图5(a)为非铁磁性材料的脉冲涡流差分信号的实部普信号。由图可知，实部普中存在提离交叉点(LOI)信号特征。图5(b)为铁磁性材料的脉冲涡流差分信号的实部普信号。由图可知，实部普中也存在提离交叉点(LOI)现象。
之后，分别提取出不同厚度和不同电导率下的频域提离交叉点变化曲线。
图6(a)和图6(b)为本发明频域提离交叉点在不同厚度和不同电导率下的频域提离交叉点变化图。图6(a)为，当确定试件电导率的时候，非铁磁性材料的脉冲涡流频域提离交叉点随试件厚度的变化规律。图6(b)为，当确定试件电导率的时候，铁磁性材料的脉冲涡流频域提离交叉点随试件厚度的变化规律。
最后分别提取出频域提离交叉点的幅值信号，与对应试件厚度进行数据拟合，获得频域提离交叉点幅值信号随试件厚度变化的曲线。
图7(a)和图7(b)所示为本发明脉冲涡流频域提离交叉点幅值随试件厚度变化曲线图。图7(a)为非铁磁性材料的脉冲涡流频域提离交叉点幅值信号随试件厚度变化曲线，当确定被测试件频域提离交叉点幅值大小时，即可判定非铁磁性被测试件厚度的大小。图7(b)为铁磁性材料的脉冲涡流频域提离交叉点幅值信号随试件厚度变化曲线，当确定被测试件频域提离交叉点幅值大小时，即可判定铁磁性被测试件厚度的大小。
通过提出的基于频域提离交叉点的脉冲涡流测厚方法获取铁磁性和非铁磁性材料频域提离交叉点幅值信号随试件厚度变化的曲线。然后，利用同一方法获得未知铁磁性和非铁磁性试件的频域提离交叉点的幅值，之后把检测未知试件的提离交叉点的幅值输入到通过数据拟合获得幅值曲线中，获得对应的厚度参数，即可测定未知试件腐蚀减薄的厚度变化。

Claims (1)

1.一种基于频域提离交叉点的脉冲涡流检测装置的方法，所述的脉冲涡流检测装置包括：探头(1)、数据采集卡(2)、计算机(3)和函数发生器(4)；函数发生器(4)的输出端与探头(1)的输入端连接，探头(1)的输出端通过数据采集卡与计算机(3)连接；
所述的探头（1）为带铁芯线圈探头，包括：探头激励线圈(5)、探头检测线圈(6)和铁芯(7)；铁芯(7)位于探头(1)的中心，探头激励线圈(5)紧贴铁芯(7)绕制，探头检测线圈(6)紧贴探头激励线圈(5)绕制；探头激励线圈(5)接收函数发生器(4)产生的激励信号，探头检测线圈(6)采集探头激励线圈(5)的感应电压和被测试件上涡流的感应电压信号，数据采集卡(2)将探头检测线圈(6)检测到的电压信号传送至计算机(3)，获得被测物件的厚度；
其特征是：测厚方法的步骤如下：
①首先，已知标准试件电导率参数，利用脉冲涡流检测装置获取空气中的脉冲涡流检测信号并作为参考信号，然后再利用脉冲涡流检测装置获取非铁磁性标准试件在提离距离L1下的脉冲涡流检测信号；
②将步骤①中的标准试件的脉冲涡流检测信号与参考信号作差分处理，获得脉冲涡流差分响应信号；
③对步骤②中的脉冲涡流差分响应信号进行快速傅立叶变换，获得频域下的实部谱信号R1；
④改变脉冲涡流检测的提离距离，获得非铁磁性标准试件在另一提离距离L2下的脉冲涡流检测信号，重复步骤②和步骤③，获得另一提离距离下的实部谱信号R2，然后再提取实部谱信号R1和R2的提离交叉点，并获取频域提离交叉点处的幅值；
⑤改变非铁磁性标准试件的厚度，重复步骤①、②、③、④，获得不同厚度条件下的实部谱信号的频域提离交叉点，并分别获得频域提离交叉点处的幅值；
⑥改变非铁磁性标准试件为铁磁性标准试件，并已知电导率参数，重复步骤①、②、③、④、⑤，获得不同厚度下铁磁性标准试件的实部谱信号的频域提离交叉点，并分别获得频域提离交叉点处的幅值；
⑦将步骤⑤和步骤⑥中获得的幅值参数与铁磁性标准试件和非铁磁性标准试件厚度进行数值拟合，获得随铁磁性试件厚度而变化的幅值曲线和随非铁磁性试件厚度而变化的幅值曲线；
⑧利用脉冲涡流检测装置分别获取提离距离L1和L2下的相同材料和未知厚度的被测试件检测信号，并与参考信号进行差分处理，获得脉冲涡流差分信号响应，重复步骤③和④，获得频域提离交叉点处的幅值；
⑨将步骤⑧中的幅值参数带入步骤⑦中对应材料的幅值曲线，即可获得铁磁性和非铁磁性被测未知试件的厚度参数；如若被测试件电导率发生变化，重复步骤①、②、③、④、⑤、⑥、⑦，再重复步骤⑧、⑨即可获得被测试件参数。
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