CN110196276A - 一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法，根据铁磁性构件待检测缺陷的尺寸，确定低频电磁传感器的磁场信号检测方向；选定参考信号及检测信号采集位置，固定传感器与被测试件的提离距离，激励一Chirp信号作为宽带励磁信号，进行宽带激励低频电磁检测；由计算机对采集到的宽带检测信号进行处理；利用参考信号与缺陷检测信号间的欧式距离作为缺陷表征参量，得到铁磁性构件上、下表面不同深度缺陷欧氏距离随检测位置变化曲线；通过对低频电磁宽带检测信号进行分析处理，利用宽带激励下电磁响应信号与参考信号的欧式距离表征材料损伤程度变化，可有效减弱磁场趋肤效应的影响，有利于材料不同深度上、下表面缺陷的有效表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁磁材料损伤检测方法，特别是基于宽带激励下低频电磁无损检测方法。该方法适用于铁磁性材料大范围损伤检测，属于无损检测领域。
背景技术
铁磁材料因其强度高、塑性好、耐冲击、性能可靠等特点，在航空航天，电力、化工等领域应用广泛。这些材料在使用过程中，在疲劳载荷、内部工作介质及外部环境因素的综合作用下，易在结构的不均匀处和疏松区域产生各种损伤，如裂纹、腐蚀等，危害结构的安全运行。因此，为保证铁磁性构件的正常运行，防止恶性事故的发生，需发展行之有效的铁磁性构件内外表面损伤检测方法。
针对铁磁性构件的无损检测问题，可基于多种检测原理，实现其上、下表面缺陷的检测，如声学、光学、电磁学等。其中基于电磁原理的检测技术在铁磁性构件无损检测中具有特殊优势。例如，基于电磁超声原理，Cunfu H[1]进行了铁磁性管道中单一模态电磁声传感器研制，利用激励出的单一纵向或扭转模态导波对管道中的裂纹缺陷进行了检测。由于管道中超声导波传播极其复杂，特别是其多模态和频散特性，使得单模态电磁传感器的研制及信号分析的难度较大，限制了该方法在铁磁性构件中的实际应用；电涡流技术也是一种常用的铁磁性构件电磁无损检测技术，Wang Z[2]通过对铁磁管道与近场涡流线圈的耦合分析，获得铁磁管道检测时影响涡流线圈互感性的去耦度参数，并用仿真和实验验证该参数对铁磁管道缺陷检测的有效性。但受趋肤效应的影响，涡流检测无法用于铁磁性构件下表面缺陷检测；此外，漏磁法也是一种常用的铁磁性构件电磁无损检测技术。根据励磁方式不同，漏磁检测技术可分为直流漏磁法和交流漏磁法。在直流漏磁检测方面，Sharatchandra SinghW等[3]在励磁线圈中通入直流电流，并利用巨磁阻GMR传感器作为探测器，对不同位置铁磁性构件缺陷进行检测。检测结果表明，该传感器可以很好的实现板中正反面缺陷的有效检测与定位。但直流漏磁检测法受扫描速度及平稳性影响较大，检测受限。在交流漏磁方面，Yanhua Sun等[4]通过仿真和实验，研究了漏磁检测信号特征参数与缺陷的关系。结果表明，内凹和外凸两种缺陷检测信号的峰值方向与其缺陷凹凸方向呈相反规律。在脉冲交流磁化条件下，Ying T等[5]研究了检测信号幅值及过零点两个参数对铁磁性构件表面及近表面缺陷的检测能力。结果表明，与传统漏磁检测相比，该方法在大提离下仍可实现试件表面及近表面缺陷检测。现有的交流漏磁检测频率主要集中在高频(kHz)，漏磁检测效果受趋肤效应影响较大，难以实现铁磁性构件下表面损伤检测。
在电涡流检测技术及漏磁检测技术基础上，低频电磁检测技术应用而生。低频电磁检测技术因其检测频率低，受趋肤效应影响较小、检测设备体积小，扫查灵活以及检测信号丰富等优点而被广泛使用。Yuji Gotoh等[6]应用有限元法对低频电磁场分布进行数值仿真，利用频率低于1kHz的交流信号励磁，检测的漏磁场信号能辨识出钢板表面0.5mm宽的裂纹缺陷。SinghW S等[7,8]利用检测信号幅值特征参量，实现了轴向和径向人工刻槽与磨损缺陷的定量表征。在交流正弦励磁场条件下，Yu,C等[9]研究了检测信号幅值和相位两种特征参量对不同深度上、下表面缺陷的检测能力。结果表明，相位特征参量对下表面缺陷更为敏感。Saleh Hosseini等[10]通过提取检测信号中的阻抗值，实现了多层板结构中埋藏缺陷的有效检测及分类。综上所述，国内外研究学者就低频电磁检测技术开展了卓有成效的研究，但上述检测方法对被测试件表面及近表面缺陷较为敏感，对埋藏深度较大的下表面缺陷的检测能力有限，需进一步开展此方面的研究。
针对铁磁性材料损伤检测问题，本发明提出一种基于宽带激励的低频电磁检测技术。解决一定厚度铁磁性构件中大范围损伤检测问题。本发明通过对待检测构件施加宽带励磁，使得被测试件内磁场穿透深度增大，减小趋肤效应对损伤检测的影响。同时，本发明利用宽带激励下电磁响应信号与参考信号的相似度作为特征参数，用于结构中损伤表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁磁材料大范围损伤检测方法，特别是基于宽带激励的低频电磁损伤检测方法。在背景磁场及系统非线性影响较小的条件下，该方法采用宽带信号进行励磁，借鉴宽带激励下超声检测信号处理中使用的信号相似度分析方法，利用电磁响应信号与参考信号的欧式距离作为缺陷特征参量，从而实现铁磁性材料损伤的表征。
本发明提出一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法，其基本原理在于：
低频电磁检测受趋肤效应影响，被测试件内磁场非均匀分布，下表面埋藏缺陷检测能力有限。为实现铁磁性构件内埋藏缺陷的有效检测，本方法基于磁偶极子理论，建立不同频率下低频电磁检测磁场理论计算模型，在此基础上发展一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法。
当磁化后的铁磁性构件内部存在孔洞、裂纹、凹坑等缺陷时，缺陷两侧壁会有磁力线泄漏，产生漏磁场。磁偶极子理论认为缺陷的漏磁场由极性相反的偶极子产生。将带有方向的缺陷(如裂纹)假设为无限长且垂直于磁化场H方向的矩形槽。漏磁检测中，铁磁材料磁畴的自发磁化以磁荷形式均匀分布在槽的两侧壁。假定磁荷面密度为Q，两侧壁磁荷符号相反。此时，可忽略缺陷长度的影响，图1所示缺陷二维磁偶极子模型理论公式为
式中，Hx表示切向磁场强度，Hy表示法向磁场强度，x表示观测点P的横坐标，y表示观测点P的纵坐标，μ0表示真空磁导率磁导率，h1表示缺陷上表面埋藏深度，h2表示缺陷下表面埋藏深度，w表示缺陷宽度的一半，y’表示左右槽壁微线元dy到材料表面距离。
低频电磁检测原理与漏磁检测类似，但低频电磁检测的磁化方式采用交变磁场。因而，其被测试件内磁力线分布呈现类似于涡流检测中感应电流密度分布的趋肤效应，即趋肤深度随励磁频率上升而变浅[11]。因此，在低频电磁检测中，位于被测试件表面下h深度处磁荷密度与其表面磁荷密度关系可近似表示为：
式中，Qh表示距构件表面距离h处的磁荷密度，Q0表示构件表层处的磁荷密度，σ表示铁磁性材料磁导率，μ表示铁磁性材料电导率，f表示励磁信号频率。将低频电磁检测磁场趋肤公式(3)引入磁偶极子模型(1)和(2)中，得到低频电磁检测等效磁偶极子模型为
由公式(4)和(5)可知，低频电磁检测磁荷密度随缺陷深度增加不再是均匀分布，而是呈指数衰减趋势。此时，缺陷在观测点P(x,y)处产生的切向磁场Hx及法向磁场Hy是关于频率f的函数，与低频电磁检测原理相一致。
低频电测检测受趋肤效应影响，当激励信号为单频信号时，被测试件内有效检测磁场分布范围较窄，不利于不同深度埋藏缺陷检测。为实现铁磁性构件内下表面埋藏缺陷的有效检测，本方法基于低频电磁等效磁偶极子模型，进行宽带激励下铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法研究。
在宽带激励低频电磁检测方法中，激励信号为宽频信号，对应的检测信号也属于宽带信号。因此，常规单频激励下的幅值及相位参数不能充分反映检测信号中所蕴含信息。借鉴宽带激励下超声检测信号处理中使用的信号相似度分析方法，以参考区域的宽带激励响应作为参考信号，对检测信号宽带响应进行相似度分析，将得到的宽带响应欧式距离作为特征参量，用于铁磁性构件上下表面缺陷的表征，欧氏距离表征参量计算流程如图2所示。欧式距离表征参量E(Hd,Hn)可用公式(6)进行计算。
式中，Hd表示待检测区域磁场强度，Hn表示参考区域基准磁场强度，Hdi表示各频率下待检测区域磁场强度，Hni表示各频率下参考区域基准磁场强度。
与传统低频电磁检测方法相比，宽带激励低频电磁检测方法激励信号频带较宽，被测试件内磁场分布更加广泛，有利于不同深度缺陷检测。欧式距离表征参量可求得不同频率下缺陷检测信号与非缺陷基准信号间的差异，可避免磁场穿透深度与缺陷埋藏深度不匹配问题，实现不同深度上、下表面缺陷有效检测。
本发明的技术方案如下：
本发明所采用的装置参见图3，包括函数发生器1、功率放大器2、数字示波器3、稳压稳流电源4和低频电磁传感器5。首先，将函数发生器1的输出端口分为两路，一路连入数字示波器3的第二通道，用于显示宽带激励信号，另一路与功率放大器2的输入端口相连用于磁化被测试件。接着，将功率放大器2的输出端接入低频电磁传感器5的输入端，其输出端连入数字示波器3的第一通道，用于显示低频电磁传感器检测的电磁信号。最后，将稳压稳流电源4的正负极分别连入低频电磁传感器5的两供电输入端，用于低频电磁传感器内部磁敏元件的供电。
本发明提出的一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法，该方法是通过以下步骤实现的：
1)选取一块工业常用的铁磁性钢板作为被测试件，铁磁性钢板厚度在12mm-16mm之间，铁磁性钢板单侧表面存在不同深度的裂纹缺陷，各裂纹缺陷除深度不同外，其他尺寸一致，裂纹的最大深度均小于铁磁性钢板的厚度；
2)调整低频电磁传感器内部磁敏元件的信号拾取方向，使其检测方向与被测试件表面平行，此时检测结果为铁磁性钢板表面的切向漏磁场强度，该方向的磁场强度对缺陷深度较为敏感；
3)按图4a所示方式布置被测试件，将低频电磁传感器置于被测钢板表面，使其处于铁磁性钢板无缺陷参考区域，调节低频电磁传感器与被测试件的提离距离小于1mm。
4)调节函数发生器，使调节函数发生器的输出电压和频带宽度固定的宽频Chirp信号用于励磁，启动功率放大器，数字示波器会同时显示低频电磁传感器在铁磁性钢板无缺陷参考区域的激励信号和电磁检测信号，以该电磁检测信号为无缺陷时参考信号并进行保存；
5)将低频电磁传感器置于裂纹一侧，在相同激励条件下，手动控制低频电磁传感器的移动方向，使该移动方向与被测裂纹的长度方向垂直。启动功率放大器，每当低频电磁传感器置于一个检测点时，数字示波器会同时显示低频电磁传感器在该检测点的激励信号和电磁检测信号，保存所有检测点宽带检测信号；
6)由计算机对采集到的参考信号和缺陷检测信号进行处理。首先对参考信号和各缺陷检测信号进行频域分析，得到参考信号频谱及不同位置处缺陷检测信号频谱。然后应用欧式距离计算公式(6)得到各检测点处检测信号与参考信号间的频域欧式距离，以该频域欧式距离作为缺陷特征参量，绘制欧氏距离随检测位置变化的曲线；
7)按图4b所示方式布置被测试件，重复步骤3)到步骤6)工作，得到当缺陷位于被测试件下表面时，欧式距离随检测位置变化曲线；
8)根据欧式距离变化曲线对铁磁性构件不同深度上下表面缺陷进行定量表征。当已知传感器移动速度及方向时，也可对裂纹位置进行定位。
本发明具有以下优点：(1)采用宽带信号进行激励，磁场在被测试件内分布范围较广，检测受趋肤效应影响较小，使低频电磁检测磁场穿透深度达12mm以上，可用于铁磁性构件下表面埋藏缺陷检测；(2)采用欧式距离作为缺陷表征参量，可求得不同频率下缺陷检测信号与非缺陷基准信号间的差异，避免磁场穿透深度与缺陷埋藏深度不匹配问题，实现不同深度上、下表面缺陷的有效检测。
通过对低频电磁宽带检测信号进行分析处理，利用电磁响应信号与参考信号的欧式距离表征材料损伤程度变化，可有效减弱磁场趋肤效应的影响，有利于材料不同深度上、下表面缺陷的有效表征。
附图说明
图1矩形槽二维磁偶极子模型截面图。
图2欧式距离缺陷表征流程图。
图3低频电磁检测系统图。
图中：1、函数发生器，2、功率放大器，3、数字示波器，4、稳压稳流电源，5、低频电磁传感器。
图4a上表面缺陷扫查检测示意图。
图4b下表面缺陷扫查检测示意图。
图5a上表面缺陷宽带欧式距离表征结果。
图5b下表面缺陷宽带欧式距离表征结果。
具体实施方式
下面结合具体实验对本发明作进一步说明：
本实验实施过程包括以下步骤：
实验系统搭建：按照图3所示的检测装置系统图搭建实验系统，系统包括函数发生器1、功率放大器2、数字示波器3、稳压稳流电源4和低频电磁传感器5。首先，将函数发生器1的输出端口分为两路，一路连入数字示波器3的第二通道，用于显示宽带激励信号，另一路与功率放大器2的输入端口相连用于磁化被测铁磁性构件。接着，将功率放大器2的输出端接入低频电磁传感器5的输入端，其输出端连入数字示波器3的第一通道，用于显示传感器检测的电磁信号。最后，将稳压稳流电源4的正负极分别连入低频电磁传感器5的两供电输入端，用于传感器内部磁敏元件的供电。
磁敏元件检测方向选择：被测试件是一块620×400×12mm的铁磁性常用材料——20#低碳钢板，钢板上有四个长为25mm，宽为4mm，深度分别为4.8mm、6.0mm、7.2mm和9.6mm不等的标准人工缺陷。因缺陷宽度相等深度不等，因此将磁敏元件的检测方向调至与被测钢板表面切向平行，使其电磁检测信号对缺陷深度较为敏感。
传感器参数选择：将传感器分别置于被测钢板表面无缺陷一侧和有缺陷一侧，手动控制传感器与钢板表面保持1mm的提离距离。调节函数发生器，将励磁信号设置为宽带Chirp信号，电压控制为3V，频带宽度为0-150Hz。
电磁检测实验：将传感器置于无缺陷参考区域，开启功率放大器，应用数字示波器记录无缺陷时参考信号并对其进行保存。分别按图4a和图4b所示扫查方式，选择垂直于缺陷长度方向的一段30mm的直线距离，使传感器在选定的直线距离内由左向右移动检测。检测步长控制为1mm，检测速度随手动变化。应用数字示波器记录的某单一位置激励信号和电磁检测信号，存储移动中31个位置点的缺陷检测信号；
由计算机对采集到的参考信号和缺陷检测信号进行处理。首先对参考信号和各检测信号进行频域分析，得到参考信号频谱及不同位置处检测信号频谱。然后应用欧式距离计算公式(6)得到各检测点处检测信号与参考信号间的频域欧式距离，以该距离作为缺陷特征参量，绘制不同深度上表面缺陷欧氏距离随检测位置变化的曲线(如图5a所示)和下表面缺陷欧式距离随检测位置变化曲线(如图5b所示)；
实验结果分析：已知各缺陷深度及检测时位置。由图5a和图5b可知，通过两图中的峰值可判断，应用宽带激励低频电磁检测法可有效分辨位于钢板上、下表面的不同深度缺陷。四个宽度相等、深度不同的缺陷其上表面欧式距离检测幅值为169.2、193.0、212.4、224.3；下表面欧氏距离检测幅值为65.36、75.11、84.38、89.33。上、下表面各缺陷检测幅值差异较大，缺陷分别率较高。
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。
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Claims (3)
1.一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法，其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的，
1)选取一块工业常用的铁磁性钢板作为被测试件，铁磁性钢板厚度在12mm-16mm之间，铁磁性钢板单侧表面存在不同深度的裂纹缺陷，各裂纹缺陷除深度不同外，其他尺寸一致，裂纹的最大深度均小于铁磁性钢板的厚度；
2)调整低频电磁传感器内部磁敏元件的信号拾取方向，使其检测方向与被测试件表面平行，此时检测结果为铁磁性钢板表面的切向漏磁场强度，该方向的磁场强度对缺陷深度较为敏感；
3)将低频电磁传感器置于被测钢板表面，使其处于铁磁性钢板无缺陷参考区域，调节低频电磁传感器与被测试件的提离距离小于1mm；
4)调节函数发生器，使调节函数发生器的输出电压和频带宽度固定的宽频Chirp信号用于励磁，启动功率放大器，数字示波器会同时显示低频电磁传感器在铁磁性钢板无缺陷参考区域的激励信号和电磁检测信号，以该电磁检测信号为无缺陷时参考信号并进行保存；
5)将低频电磁传感器置于裂纹一侧，在相同激励条件下，手动控制低频电磁传感器的移动方向，使该移动方向与被测裂纹的长度方向垂直；启动功率放大器，每当低频电磁传感器置于一个检测点时，数字示波器会同时显示低频电磁传感器在该检测点的激励信号和电磁检测信号，保存所有检测点宽带检测信号；
6)由计算机对采集到的参考信号和缺陷检测信号进行处理；首先对参考信号和各缺陷检测信号进行频域分析，得到参考信号频谱及不同位置处缺陷检测信号频谱；然后应用欧式距离得到各检测点处检测信号与参考信号间的频域欧式距离，以该频域欧式距离作为缺陷特征参量，绘制欧氏距离随检测位置变化的曲线；
7)布置被测试件，重复步骤3)到步骤6)工作，得到当缺陷位于被测试件下表面时，欧式距离随检测位置变化曲线；
8)根据欧式距离变化曲线对铁磁性构件不同深度上下表面缺陷进行定量表征。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法，其特征在于：基于磁偶极子理论，建立不同频率下低频电磁检测磁场理论计算模型，在此基础上发展一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法；
当磁化后的铁磁性构件内部存在孔洞、裂纹、凹坑等缺陷时，缺陷两侧壁会有磁力线泄漏，产生漏磁场；磁偶极子理论认为缺陷的漏磁场由极性相反的偶极子产生；将带有方向的缺陷假设为无限长且垂直于磁化场H方向的矩形槽；漏磁检测中，铁磁材料磁畴的自发磁化以磁荷形式均匀分布在槽的两侧壁；假定磁荷面密度为Q，两侧壁磁荷符号相反；此时，可忽略缺陷长度的影响，矩形缺陷二维磁偶极子模型理论公式为
式中，Hx表示切向磁场强度，Hy表示法向磁场强度，x表示观测点P的横坐标，y表示观测点P的纵坐标，μ0表示真空磁导率磁导率，h1表示缺陷上表面埋藏深度，h2表示缺陷下表面埋藏深度，w表示缺陷宽度的一半，y’表示左右槽壁微线元dy到材料表面距离；
低频电磁检测原理与漏磁检测类似，但低频电磁检测的磁化方式采用交变磁场；因而，其被测试件内磁力线分布呈现类似于涡流检测中感应电流密度分布的趋肤效应，即趋肤深度随励磁频率上升而变浅；因此，在低频电磁检测中，位于被测试件表面下h深度处磁荷密度与其表面磁荷密度关系可近似表示为：
式中，Qh表示距构件表面距离h处的磁荷密度，Q0表示构件表层处的磁荷密度，σ表示铁磁性材料磁导率，μ表示铁磁性材料电导率，f表示励磁信号频率；将低频电磁检测磁场趋肤公式(3)引入磁偶极子模型(1)和(2)中，得到低频电磁检测等效磁偶极子模型为
由公式(4)和(5)可知，低频电磁检测磁荷密度随缺陷深度增加不再是均匀分布，而是呈指数衰减趋势；此时，缺陷在观测点P(x,y)处产生的切向磁场Hx及法向磁场Hy是关于频率f的函数，与低频电磁检测原理相一致；
低频电测检测受趋肤效应影响，当激励信号为单频信号时，被测试件内有效检测磁场分布范围较窄，不利于不同深度埋藏缺陷检测；为实现铁磁性构件内下表面埋藏缺陷的有效检测，本研究基于低频电磁等效磁偶极子模型，进行宽带激励下低频电磁检测方法研究；
以参考区域的宽带激励响应作为参考信号，对检测信号宽带响应进行相似度分析，将得到的宽带响应欧式距离作为特征参量，用于铁磁性构件上下表面缺陷的表征；欧式距离表征参量E(Hd,Hn)可用公式(6)进行计算；
式中，Hd表示待检测区域磁场强度，Hn表示参考区域基准磁场强度，Hdi表示各频率下待检测区域磁场强度，Hni表示各频率下参考区域基准磁场强度。
3.根据权利要求1所述的一种基于宽带激励的铁磁性材料大范围损伤低频电磁检测方法，其特征在于：实现该方法的装置包括函数发生器(1)、功率放大器(2)、数字示波器(3)、稳压稳流电源(4)和低频电磁传感器(5)；首先，将函数发生器(1)的输出端口分为两路，一路连入数字示波器(3)的第二通道，用于显示宽带激励信号，另一路与功率放大器(2)的输入端口相连用于磁化被测铁磁性构件；接着，将功率放大器(2)的输出端接入低频电磁传感器(5)的输入端，其输出端连入数字示波器(3)的第一通道，用于显示传感器检测的电磁信号；最后，将稳压稳流电源(4)的正负极分别连入低频电磁传感器(5)的两供电输入端，用于传感器内部磁敏元件的供电。
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