CN110057904B - 一种运动金属构件的缺陷定量检测方法及装置 - Google Patents

一种运动金属构件的缺陷定量检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运动金属构件的缺陷定量检测方法及装置，该方法包括固定检测探头生成恒定磁场，设定磁传感器位置并采集磁感应强度信号，对磁感应强度信号进行放大滤波处理，将响应信号的峰值与基线值进行差分处理，得到差分峰值，构建运动金属构件缺陷参数反演模型，计算缺陷参数；该装置包括激励信号发生模块、信号放大滤波模块、数据采集和处理模块及缺陷参数计算模块。本发明通过利用检测装置与被测金属构件之间相对运动产生的动生涡流实现运动金属构件中缺陷的定量检测，提升对金属零件质量监控能力，提高该类金属零件的市场竞争力，从而带来巨大的经济效益和社会效益。

Description

一种运动金属构件的缺陷定量检测方法及装置
技术领域
本发明属于金属构件缺陷检测技术领域，具体涉及一种运动金属构件的缺陷定量检测方法及装置。
背景技术
无损检测(NDT，Nondestructive Testing)技术是指在不破坏被检测对象使用性能的前提下，通过物理或化学方法，借助一些技术和设备器材，对被测对象内部及表面的结构、性质、状态及缺陷等物理性能进行有效检测。电磁无损检测技术作为无损检测的分支，其通过材料的电磁性能的变化来实现对材料中的缺陷进行检测，使得此检测方法被广泛应用于如飞机机身结构、蒸汽管道及石油、天然气等运输管道、铁路钢轨等金属构件的生产质量监控及在线健康状态检测。电磁无损检测方法主要有：涡流检测、漏磁检测、微波检测、巴克豪森效应检测、金属磁记检测等方法。
涡流检测(Eddy Current)技术以正弦或脉冲等交变电流作为激励，金属导体中产生瞬态磁场和感应涡流，通过磁传感器接收入射磁场和金属导体中瞬态涡流产生的磁场的叠加信号，来判断金属导体中是否有缺陷存在。涡流检测技术因其系统操作方便，成本低，可实现缺陷定量检测、数据采集速度快、响应信号便于解释、设备造价低等优势被广泛应用于飞机机身结构、蒸汽管道及石油、天然气等运输管道以及各种板、棒、管等金属零件生产过程中的质量监控等。
对于具有一定运动速度的金属构件中的裂纹而言，根据电磁无损检测原理，因电磁检测装置与金属构件之间存在相对运动而在金属构件内部产生动生涡流(MIEC:MotionInduced Eddy Current)，且存在拖影效应，从而导致金属构件内部磁场分布更加复杂，现有的针对静止金属构件中缺陷的定量无损检测方法不再适用。
在工业实际运用时，对于具有一定运动速度的金属构件中的缺陷检测方法主要有：超声检测、涡流检测、漏磁检测等，现有的检测方法在进行运动金属构件的缺陷检测时，主要存在以下问题：
①超声检测：该方法主要实现金属构件内部缺陷的检测，对于表面及亚表面缺陷的定量检测存在困难，并且需要耦合剂，从而导致无法进一步提高检测速度；
②涡流检测：受提离因素的影响较大，并且在高速巡检时检测信号失真严重；
③漏磁检测：高速巡检时被检金属构件磁化不完全，影响缺陷的定量识别。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有的运动金属构件的缺陷检测方法存在对表面及亚表面裂纹存在盲区，无法实现缺陷定量识别或虽能实现缺陷定量识别，但检测速度存在限制等问题，本发明提出了一种运动金属构件的缺陷定量检测方法及装置，有效的提高了运动金属构件缺陷检测的灵敏度和信号强度，实现了运动金属构件缺陷的快速定量识别。
本发明的技术方案是：一种运动金属构件的缺陷定量检测方法，包括以下步骤：
S1、将检测探头固定在运动的金属构件上方，在检测探头的激励线圈中通入直流电产生恒定磁场；
S2、确定磁传感器的安装位置，利用磁传感器采集步骤S1中磁场的磁感应强度信号；
S3、将步骤S2中磁感应强度信号转化为电压信号，并将电压信号作为响应信号进行放大滤波处理；
S4、将步骤S3处理后的响应信号的峰值与基线值进行差分处理，得到差分峰值；
S5、构建运动金属构件缺陷参数反演模型，根据待检测运动金属构件的差分峰值数据计算缺陷参数。
进一步地，所述步骤S2中，确定磁传感器的安装位置具体包括以下分步骤：
S21、提取检测探头的激励线圈下方一条直线上不同速度下磁感应强度的分布情况；
S22、在步骤S21的直线上选择多个位置作为检测点，采集同宽不同深度缺陷的运动金属构件经过检测探头时各个检测点的磁感应强度，建立检测探头与同宽不同深度缺陷磁感应强度的分量关系；
S23、将不同深度缺陷磁感应强度的峰值与基线值进行差分处理，得到不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值；
S24、根据不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值与缺陷参数的线性关系，建立差分峰值拟合直线图，选取直线斜率较大的检测点作为磁传感器的安装位置。
进一步地，所述步骤S2中，利用磁传感器采集步骤S1中磁场的水平方向或竖直方向的磁感应强度信号。
进一步地，所述步骤S5中，构建的运动金属构件缺陷参数反演模型具体表示为
U＝K*x+n
其中，U为磁感应强度差分峰值，K为直线斜率，x为缺陷参数，n为截距。
进一步地，所述步骤S5中，根据确定的磁传感器安装位置对应的直线斜率和截距参数，构建运动金属构件缺陷参数反演模型，再根据待检测运动金属构件的差分峰值进行缺陷参数信息反演，计算得到待检测运动金属构件的缺陷参数。
本发明还提出了一种运动金属构件的缺陷定量检测装置，包括激励信号发生模块、信号放大滤波模块、数据采集和处理模块及缺陷参数计算模块；
所述激励信号发生模块包括直流稳压电源、检测探头和磁传感器，所述检测探头固定在运动的金属构件上方，且通过直流稳压电源向检测探头的激励线圈中通入直流电产生恒定磁场；所述磁传感器安装在设定位置，采集磁场的磁感应强度信号；
所述信号放大滤波模块用于将磁感应强度信号转化为电压信号，并将电压信号作为响应信号进行放大滤波处理；
所述数据采集和处理模块用于将放大滤波处理后的响应信号的峰值与基线值进行差分处理，得到差分峰值；
所述缺陷参数计算模块用于构建运动金属构件缺陷参数反演模型，根据待检测运动金属构件的差分峰值数据计算缺陷参数。
进一步地，所述激励信号发生模块设定磁传感器的安装位置时，
提取检测探头的激励线圈下方一条直线上不同速度下磁感应强度的分布情况；
在检测探头的激励线圈下方直线上选择多个位置作为检测点，采集同宽不同深度缺陷的运动金属构件经过检测探头时各个检测点的磁感应强度，建立检测探头与同宽不同深度缺陷磁感应强度的分量关系；
将不同深度缺陷磁感应强度的峰值与基线值进行差分处理，得到不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值；
根据不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值与缺陷参数的线性关系，建立差分峰值拟合直线图，选取拟合直线斜率较大的检测点作为磁传感器的安装位置。
进一步地，所述激励信号发生模块中，磁传感器采集步骤S1中磁场的水平方向或竖直方向的磁感应强度信号。
进一步地，所述缺陷参数计算模块中，构建的运动金属构件缺陷参数反演模型具体表示为
U＝K*x+n
其中，U为磁感应强度差分峰值，K为直线斜率，x为缺陷参数，n为截距。
进一步地，所述缺陷参数计算模块根据所述激励信号发生模块确定的磁传感器安装位置对应的直线斜率和截距参数，构建运动金属构件缺陷参数反演模型，再根据所述数据采集和处理模块得到的待检测运动金属构件的差分峰值进行缺陷参数信息反演，计算得到待检测运动金属构件的缺陷参数。
本发明的有益效果是：本发明通过利用检测装置与被测金属构件之间相对运动产生的动生涡流实现运动金属构件中缺陷的定量检测，提升对金属零件质量监控能力，提高了该类金属零件的市场竞争力，从而带来巨大的经济效益。
附图说明
图1是本发明的运动金属构件的缺陷定量检测方法流程示意图；
图2是本发明实施例中运动金属构件电磁无损检测系统示意图；
图3是本发明实施例中信号采集点示意图；
图4是本发明实施例中不同检测速度下磁感应强度分布图；其中图(a)为5m/s速度下磁感应强度分布图，图(b)为20m/s速度下磁感应强度分布图；
图5是本发明实施例中不同缺陷深度下磁感应强度与探头位置关系曲线示意图；其中图(a)为水平方向磁感应强度与探头位置关系曲线，图(b)为竖直方向磁感应强度与探头位置关系曲线；
图6是本发明实施例中差分峰值拟合曲线示意图；其中图(a)为水平方向磁感应强度的差分峰值拟合曲线，图(b)为竖直方向磁感应强度的差分峰值拟合曲线；
图7是本发明实施例中5m/s速度下差分峰值拟合曲线示意图；其中图(a)为水平方向磁感应强度的差分峰值拟合曲线，图(b)为竖直方向磁感应强度的差分峰值拟合曲线；
图8是本发明实施例中20m/s速度下差分峰值拟合曲线示意图；其中图(a)为水平方向磁感应强度的差分峰值拟合曲线，图(b)为竖直方向磁感应强度的差分峰值拟合曲线；
图9是本发明的运动金属构件的缺陷定量检测装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明的运动金属构件的缺陷定量检测方法流程示意图；一种运动金属构件的缺陷定量检测方法，包括以下步骤：
S1、将检测探头固定在运动的金属构件上方，在检测探头的激励线圈中通入直流电产生恒定磁场；
S2、确定磁传感器的安装位置，利用磁传感器采集步骤S1中磁场的磁感应强度信号；
S3、将步骤S2中磁感应强度信号转化为电压信号，并将电压信号作为响应信号进行放大滤波处理；
S4、将步骤S3处理后的响应信号的峰值与基线值进行差分处理，得到差分峰值；
S5、构建运动金属构件缺陷参数反演模型，根据待检测运动金属构件的差分峰值数据计算缺陷参数。
图2为高速电磁无损检测系统示意图，图2中，以金属构件运动的反方向为水平x轴方向，以垂直于金属构件运动方向向上为竖直y轴方向。当直流电通入检测装置(探头)内的激励线圈中时，检测装置将产生一个恒定的磁场B’，此时，若检测装置下方存在运动金属构件，由于检测装置与金属构件之间存在相对运动，根据法拉第电磁感应定律，试件表面将产生动生涡流，记为J1、J2，由楞次定律知，动生涡流J1、J2的方向相反，J1、J2所产生的磁场分别记为B1和B2，方向分别与恒定磁场B’的方向相同和相反。同时，若被检测金属构件为铁磁性材料，则铁磁性构件将会被恒定磁场B’磁化，产生磁化场B3，其方向与恒定磁场B’的方向相同。因此，电磁无损检测系统内部的综合磁场B可以表示为：
B＝B′+B1+B2+B3
当存在缺陷的运动金属构件以一定速度经过检测装置时，综合磁场B将发生扰动，通过对本磁场大小的测量可实现缺陷的定量识别。
(1)当缺陷宽度一定时，在不同缺陷参数下得到检测信号峰值与检测信号基线值的差分峰值信号和缺陷参数呈线性关系；
(2)当检测点位于检测装置相对于试件运动方向后方的检测线圈内半径边缘处，检测信号的信号强度与缺陷参数识别的灵敏度更高，因此，检测点位于此处更加有利于实现缺陷的定量识别。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S1将检测系统中的检测探头固定在运动的金属构件上方，在检测探头的激励线圈中通入直流电产生恒定磁场，检测探头与金属构件之间设置一定的提离距离，一般设为0.5mm<d<1mm。当金属构件内部含有缺陷时，金属构件内的磁场将发生扰动，通过磁传感器可以检测该磁场信号。缺陷参数可以为缺陷深度、宽度、长度等尺寸几何参数。
与传统电涡流检测选用正弦或脉冲等交变电流产生交变磁场实现缺项的检测相比，本发明根据检测装置与被测金属构件之间存在相对运动的特性以及电磁场基本定理和铁磁学理论基础，选用直流电源作为激励，更加简单易获得。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S2首先确定磁传感器的安装位置，具体包括以下分步骤：
S21、提取检测探头的激励线圈下方一条直线上不同速度下磁感应强度的分布情况；
本发明在检测探头的激励线圈下方的金属构件表面绘制一条线段，提取该线段上不同速度下磁感应强度的分布情况，如图3、图4所示；
S22、在步骤S21的直线上选择多个位置作为检测点，以缺陷深度为例，采集同宽不同深度缺陷的运动金属构件经过检测探头时各个检测点的磁感应强度，建立检测探头与同宽不同深度缺陷磁感应强度的分量关系；
本发明选取涡流无损检测传统磁传感器安放位置P1以及磁感应强度峰值P2、P3位置作为检测点，检测点位置如图3、图4所示；含有同宽不同深度缺陷的运动金属构件以一定速度经过检测装置时，采集各检测点处缺陷信号的水平方向磁感应强度Bx和/或竖直方向磁感应强度By，分别绘制检测装置位置与同宽不同深缺陷磁感应强度Bx、By分量关系图。
S23、将不同深度缺陷磁感应强度的峰值与基线值进行差分处理，得到不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值；
本发明分别提取不同深度缺陷水平x及竖直y方向检测信号对应的峰值与检测信号的基线值进行差分，得到不同缺陷参数信号对应的差分峰值，如图5所示；
S24、根据不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值与缺陷参数的线性关系，建立差分峰值拟合直线图，选取直线斜率较大的检测点作为磁传感器的安装位置。
本发明提取差分峰值，得到水平x及竖直y方向检测信号的差分峰值与缺陷参数皆存在线性关系，如图6所示，拟合关系式如下：
U＝K*x+n
其中，U为磁感应强度差分峰值，K为直线斜率，x为缺陷参数，n为截距。将P2、P3点处的检测信号作同样处理，并绘制P1、P2、P3点处的差分峰值拟合直线图，如图7和图8所示。图7、图8中，纵坐标反映检测信号的强度，直线斜率K反映检测信号的灵敏度，K越大，说明该检测点处对缺陷参数定量识别的灵敏度越高。对比图7和图8可知，随着检测速度的增加，检测信号的强度以及灵敏度都有所增加。
以霍尔传感器为例，将霍尔传感器安放于检测探头相对于金属构件运动方向后方的检测线圈内半径边缘(P2点)处，用以探测水平或竖直方向的磁感应强度，霍尔传感器将探测到的磁感应强度信号转化成相对应的电压信号，并将该电压信号作为响应信号。
本发明根据拖影效应，获得缺陷检测信号强度和灵敏度更高的磁传感器安放位置；通过优化检测位置的选择，提升了检测灵敏度。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S3将步骤S2中磁感应强度信号转化为对应的电压信号，并将电压信号作为响应信号进行放大滤波处理，滤除电压信号中的杂波电压信号并对信号进行一定倍数的放大，有利于信号的读取和处理，得到的理想电压信号。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S4选取含有已知同宽不同深度缺陷的金属构件，在一定检测速度下测得水平和/或竖直方向同宽不同深度缺陷检测的信号，确定磁传感器安装位置及对应的直线斜率和截距参数，从而构建运动金属构件缺陷参数反演模型，具体表示为
U＝K*x+n
其中，U为磁感应强度差分峰值，K为直线斜率，x为缺陷参数，n为截距。
在对待检测运动金属构件的检测过程中，将测得的水平和/或竖直方向未知缺陷参数的检测信号对应的峰值与检测信号的基线值进行差分，得到对应的差分峰值U，根据待检测运动金属构件的差分峰值进行缺陷参数信息反演，计算得到待检测运动金属构件的缺陷参数，具体表示为
x＝(U-n)/K
将差分峰值U代入上式中，进行缺陷参数信息的反演，即可求得缺陷参数x值，从而实现了运动金属构件缺陷的定量识别。在缺陷检测过程中，测得磁感应强度水平Bx或竖直By任一方向的值，皆可实现缺陷的定量识别。
本发明通过提取差分峰值信号实现缺陷参数的识别，并通过差分峰值信号与缺陷参数的定量映射关系实现缺陷参数的反演，缺陷参数的反演算法简单明了，能够对缺陷参数进行定量检测，实现了运动金属构件如钢轨、齿轮、钢管等的缺陷在线定量检测，提升对各种板、棒、管等金属零件质量监控能力，提高了该类金属零件的市场竞争力，从而带来巨大的经济效益和社会效益，解决了运动金属部件缺陷检测中检测速度提升以及表面和亚表面缺陷精确定量识别的重大问题。
基于本发明的运动金属构件的缺陷定量检测方法，本发明还提出了一种应用运动金属构件的缺陷定量检测方法的运动金属构件的缺陷定量检测装置，包括激励信号发生模块、信号放大滤波模块、数据采集和处理模块及缺陷参数计算模块；
所述激励信号发生模块包括直流稳压电源、检测探头和磁传感器，所述检测探头固定在运动的金属构件上方，且通过直流稳压电源向检测探头的激励线圈中通入直流电产生恒定磁场；所述磁传感器安装在设定位置，采集磁场的磁感应强度信号；
所述信号放大滤波模块用于将磁感应强度信号转化为电压信号，并将电压信号作为响应信号进行放大滤波处理；
所述数据采集和处理模块用于将放大滤波处理后的响应信号的峰值与基线值进行差分处理，得到差分峰值；
所述缺陷参数计算模块用于构建运动金属构件缺陷参数反演模型，根据待检测运动金属构件的差分峰值数据计算缺陷参数。
本发明激励线圈在直流激励下产生恒定磁场，由于检测装置与金属构件之间的相对运动，动生涡流将在金属构件内部产生，通过安放在选定位置的磁传感器输出缺陷检测信号，该信号首先经过放大滤波，然后经过数据采集和数据处理，将缺陷差分峰值信号待入缺陷参数反演算法，最终实现了运动金属构件缺陷的定量识别。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种运动金属构件的缺陷定量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将检测探头固定在运动的金属构件上方，在检测探头的激励线圈中通入直流电产生恒定磁场；
S2、确定磁传感器的安装位置，利用磁传感器采集步骤S1中磁场的磁感应强度信号；确定磁传感器的安装位置具体包括以下分步骤：
S21、提取检测探头的激励线圈下方一条直线上不同速度下磁感应强度的分布情况；
S22、在步骤S21的直线上选择多个位置作为检测点，采集同宽不同深度缺陷的运动金属构件经过检测探头时各个检测点的磁感应强度，建立检测探头与同宽不同深度缺陷磁感应强度的分量关系；
S23、将不同深度缺陷磁感应强度的峰值与基线值进行差分处理，得到不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值；
S24、根据不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值与缺陷参数的线性关系，建立差分峰值拟合直线图，选取拟合直线斜率较大的检测点作为磁传感器的安装位置；
S3、将步骤S2中磁感应强度信号转化为电压信号，并将电压信号作为响应信号进行放大滤波处理；
S4、将步骤S3处理后的响应信号的峰值与基线值进行差分处理，得到差分峰值；
S5、构建运动金属构件缺陷参数反演模型，根据待检测运动金属构件的差分峰值数据计算缺陷参数；缺陷参数具体表示为：
x＝(U-n)/K
x为缺陷参数，U为步骤S4得到的磁感应强度差分峰值，n为截距，K为直线斜率；
将差分峰值U代入上式中，进行缺陷参数信息的反演，即可求得缺陷参数x值，从而实现了运动金属构件缺陷的定量识别。
2.如权利要求1所述的运动金属构件的缺陷定量检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用磁传感器采集步骤S1中磁场的水平方向或竖直方向的磁感应强度信号。
3.如权利要求2所述的运动金属构件的缺陷定量检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，构建的运动金属构件缺陷参数反演模型具体表示为
U＝K*x+n
其中，U为磁感应强度差分峰值，K为直线斜率，x为缺陷参数，n为截距。
4.如权利要求3所述的运动金属构件的缺陷定量检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据确定的磁传感器安装位置对应的直线斜率和截距参数，构建运动金属构件缺陷参数反演模型，再根据待检测运动金属构件的差分峰值进行缺陷参数信息反演，计算得到待检测运动金属构件的缺陷参数。
5.一种运动金属构件的缺陷定量检测装置，其特征在于，包括激励信号发生模块、信号放大滤波模块、数据采集和处理模块及缺陷参数计算模块；
所述激励信号发生模块包括直流稳压电源、检测探头和磁传感器，所述检测探头固定在运动的金属构件上方，且通过直流稳压电源向检测探头的激励线圈中通入直流电产生恒定磁场；所述磁传感器安装在设定位置，采集磁场的磁感应强度信号；
所述信号放大滤波模块用于将磁感应强度信号转化为电压信号，并将电压信号作为响应信号进行放大滤波处理；
所述数据采集和处理模块用于将放大滤波处理后的响应信号的峰值与基线值进行差分处理，得到差分峰值；
所述缺陷参数计算模块用于构建运动金属构件缺陷参数反演模型，根据待检测运动金属构件的差分峰值数据计算缺陷参数；
所述激励信号发生模块设定磁传感器的安装位置时，
提取检测探头的激励线圈下方一条直线上不同速度下磁感应强度的分布情况；
在检测探头的激励线圈下方直线上选择多个位置作为检测点，采集同宽不同深度缺陷的运动金属构件经过检测探头时各个检测点的磁感应强度，建立检测探头与同宽不同深度缺陷磁感应强度的分量关系；
将不同深度缺陷磁感应强度的峰值与基线值进行差分处理，得到不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值；
根据不同深度缺陷磁感应强度对应的差分峰值与缺陷参数的线性关系，建立差分峰值拟合直线图，选取直线斜率较大的检测点作为磁传感器的安装位置。
6.如权利要求5所述的运动金属构件的缺陷定量检测装置，其特征在于，所述激励信号发生模块中，磁传感器采集步骤S1中磁场的水平方向或竖直方向的磁感应强度信号。
7.如权利要求6所述的运动金属构件的缺陷定量检测装置，其特征在于，所述缺陷参数计算模块中，构建的运动金属构件缺陷参数反演模型具体表示为
U＝K*x+n
其中，U为磁感应强度差分峰值，K为直线斜率，x为缺陷参数，n为截距。
8.如权利要求7所述的运动金属构件的缺陷定量检测装置，其特征在于，所述缺陷参数计算模块根据所述激励信号发生模块确定的磁传感器安装位置对应的直线斜率和截距参数，构建运动金属构件缺陷参数反演模型，再根据所述数据采集和处理模块得到的待检测运动金属构件的差分峰值进行缺陷参数信息反演，计算得到待检测运动金属构件的缺陷参数。
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