CN110243923B - 基于交流电磁场的腐蚀缺陷可视化成像及评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交流电磁场检测技术的腐蚀缺陷成像及评估方法，涉及无损检测缺陷成像技术领域，包括：借助栅格扫查方法获取交流电磁场腐蚀缺陷面扫结果磁场信号Bz幅值矩阵，利用梯度场获取畸变磁场信号Bz最大畸变数值的梯度场矩阵，反映感应电流在腐蚀缺陷边缘的聚集情况，进一步通过求取极值、祛除背景、归一化操作及灰度转换，得到腐蚀缺陷表面轮廓直观成像结果，利用灰度图中白色像素与总像素比例并乘以扫查面积可获取腐蚀缺陷精确面积，有利于实现腐蚀缺陷的可视化评估和剩余寿命精准预测。

Description

基于交流电磁场的腐蚀缺陷可视化成像及评估方法
技术领域
本发明涉及无损检测缺陷成像技术领域，尤其涉及一种基于交流电磁场检测技术的腐蚀缺陷成像及评估方法。
背景技术
海洋结构物长期在海水环境中服役，由于海水腐蚀作用，结构表面很容易产生各类腐蚀缺陷。由于涂层覆盖、附着物堆积等因素，传统无损检测技术在水下结构物检测过程中需要在大面积清理附着物、彻底破坏涂层情况下对缺陷进行检测和评估，作业工序复杂，效率低下，结构表面清理和涂层修复成本高昂。
交流电磁场检测(Alternating Current Field Measurement-ACFM)技术是一种新兴电磁无损检测技术，主要用于导电材料表面裂纹检测，其利用检测探头在导电试件表面感应出的均匀电流，电流在缺陷周围产生扰动引起空间磁场畸变，通过测量畸变磁场进行缺陷的检测和评估。当无缺陷存在时，导电试件表面电流呈均匀状态，空间磁场无扰动。由于具有非接触测量、定量评估等优势，广泛应用于各类海洋结构物缺陷检测。现有ACFM技术依据特征信号Bx、Bz及蝶形图进行缺陷判定，其中Bx和Bz信号分别为平行于试件表面(与探头扫查方向平行)和垂直于试件表面的磁场信号，特征信号Bx可对裂纹深度评估，特征信号Bz对裂纹长度评估。
与裂纹缺陷相比，腐蚀缺陷具有复杂表面轮廓和三维形状，传统特征信号Bx、Bz与蝶形图无法现实腐蚀缺陷的判定与评估。特别是，腐蚀缺陷在附着物和涂层掩盖下，现有ACFM缺陷评估方法难以实现表面轮廓的成像和评估。
因此，有必要提出一种直观性好、能够实现海洋结构物附着物及涂层下腐蚀缺陷可视化成像及评估方法，通过ACFM检测可在不祛除附着物和涂层情况下实现腐蚀缺陷表面轮廓可视化成像及评估，为海洋结构物腐蚀缺陷的检测、评估及寿命预测提供精准数据支撑。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于交流电磁场检测技术的腐蚀缺陷可视化成像及评估方法，直观呈现腐蚀缺陷表面轮廓可视化形貌，获取腐蚀缺陷精确尺寸信息，为海洋结构物缺陷检测评估、寿命预测提供精准、可视化数据支撑。
本发明提供了一种基于交流电磁场检测的可视化成像及评估方法，包括：
步骤一，利用交流电磁场检测探头以栅格扫查方式获取腐蚀缺陷上方长度l宽度w面积区域不同位置点磁场信号Bz幅值，定义探头扫查方向为X方向，在X方向的扫查路径提取等间距n个位置点，在与探头扫查方向垂直的方向提取等间距扫查路径数为m，由以上位置点的磁场信号Bz幅值形成m行n列矩阵
Figure BDA0002099338670000021
对矩阵A的每一行元素[ai1 ai2… ain]沿着X方向(矩阵A行方向)求取梯度/>
Figure BDA0002099338670000022
i＝1,2,3…m,得到矩阵A的梯度场矩阵/>
Figure BDA0002099338670000023
步骤二，求取所述梯度场矩阵B所有元素中的极值PGXBz，判定极值PGXBz是否小于0，如果是则乘以-1，得到正峰值矩阵C；
步骤三，判定正峰值矩阵C中每一个元素是否小于0，如果是则乘以0，得到祛除背景矩阵D；
步骤四，将祛除背景矩阵D所有元素的幅值归一化到0-1区间，得到归一化矩阵E，由归一化矩阵E的每个元素对应的坐标位置绘制腐蚀缺陷表面轮廓彩色图像F；
步骤五，将所述彩色图像F转换为灰度图G，得到腐蚀缺陷表面轮廓图像；
步骤六，提取灰度图G中白色像素数目q，像素总数目为p，评估腐蚀缺陷面积s＝(q/p)×(l×w)。
本发明提供的基于交流电磁场检测技术的腐蚀缺陷可视化成像及评估方法，通过对特征信号Bz幅值求取X方向梯度，得到能够反映电流聚集位置的梯度场矩阵，进一步体现腐蚀缺陷边缘轮廓信息，通过步骤二判定梯度场矩阵中的元素极值及步骤三祛除背景场算法，可得到反映腐蚀缺陷表面轮廓图像的正峰值矩阵，经过步骤四归一化和步骤五灰度转换将彩色图转变为灰度图，能够直观反映腐蚀缺陷表面轮廓可视化图像，通过步骤五求取白色像素在总像素的比例，可知腐蚀区域在总扫查区域所占比例，在已知扫查面积情况下可精准求取腐蚀区域面积。
附图说明
图1为本发明提供的基于交流电磁场检测技术的腐蚀缺陷可视化成像及评估方法流程图；
图2为本发明实施例提供的腐蚀缺陷实物图；
图3为本发明实施例提供的腐蚀缺陷栅格扫查路径示意图；
图4为基于交流电磁场检测技术的栅格扫查不同位置点磁场信号Bz幅值矩阵形成的彩色图；
图5为本发明实施例提供的梯度场矩阵形成的图像；
图6为本发明实施例提供的求取极值和祛除背景后矩阵形成的图像；
图7为本发明实施例提供的归一化图像；
图8为本发明实施例提供的呈现腐蚀缺陷表面轮廓的可视化图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下获取的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，所述方法应用于基于交流电磁场检测技术的腐蚀缺陷表面轮廓成像，首先借助栅格扫查方法获取交流电磁场面扫结果磁场信号Bz幅值矩阵，根据交流电磁场电流聚集和扰动的原理，利用梯度场获取畸变磁场信号Bz最大畸变数值的梯度场矩阵，反映感应电流在腐蚀缺陷边缘的聚集情况，进一步通过求取极值、祛除背景、归一化操作及灰度转换，得到腐蚀缺陷表面轮廓直观成像结果，最终利用灰度图中白色像素所占比例精确求取扫查区域内腐蚀面积，有利于实现腐蚀缺陷可视化精确评估，为结构剩余寿命预测提供行之有效的方法。
实施例一
图1为本发明实施例提供的基于交流电磁场检测技术的腐蚀缺陷可视化成像及评估方法流程图，包括：
S1，准备碳钢试块，试块表面设有腐蚀缺陷，如图2所示，腐蚀缺陷直径10.0mm，深度0.5mm。定义探头扫查方向为X方向，采用栅格扫查方法，利用交流电磁场检测探头在试块腐蚀缺陷位置表面同一高度平面沿着扫查路径检测40×40mm2区域，如图3所示。X方向扫查步长为0.5mm，取X方向扫查路径上等间距位置点数为80，在Y方向扫查路径的间距为1.0mm，取Y方向等间距扫查路径数为40，获取以上位置点的磁场信号Bz幅值，并组成行数m为40，列数n为80的矩阵A，矩阵A部分元素如下：
Figure BDA0002099338670000041
为了直观表示矩阵A中元素的大小，采用横坐标(X方向)和纵坐标(Y方向)对应位置点的磁场信号Bz幅值绘制平面彩色图，如图4所示。可以看出矩阵A中磁场信号Bz幅值在腐蚀缺陷周围出现扰动，呈现正负峰值，无法直观显示腐蚀缺陷的表面轮廓。对矩阵A中每一行的元素按照X方向求取梯度
Figure BDA0002099338670000051
i＝1,2,3…40，得到梯度场矩阵B，利用对应坐标位置点的梯度场矩阵B绘制梯度场矩阵图像，如图5所示。可以看出梯度场矩阵在中心区域呈现波峰，在腐蚀缺陷两侧呈现波谷，波峰形状与腐蚀缺陷形状吻合。
由于特征信号扫查方向不同，磁场信号Bz幅值面扫结果可能出现先波峰后波谷或先波谷后波峰现象，造成梯度场矩阵最大极值可能为负数或正数，但缺陷位置畸变极值始终位于缺陷中心区域，为了实现算法的统一，寻求畸变最大极值，需要对梯度场矩阵B在步骤S2中进行求取极值处理。
S2：求取所述梯度场矩阵B所有元素中的极值PGXBz，本实施例中极值PGXBz为正值，由于PGXBz大于0，无需进行元素替换处理，将梯度场矩阵B转变为正峰值矩阵C，直接进入步骤S3处理，祛除小于0的背景数值。
S3：判定正峰值矩阵C中每一个元素是否小于0，如果是则乘以0，将正峰值矩阵C中所有小于0的元素变为0，正峰值矩阵C元素背景数值实现统一归0处理，得到祛除背景矩阵D，如图6所示。图6能够大致呈现腐蚀缺陷的表面轮廓，为了更突显表面轮廓，将祛除背景矩阵D进入步骤4归一化处理。
S4，将祛除背景矩阵D所有元素的幅值除以极值PGXBz，将祛除背景矩阵D归一化到0-1区间，得到归一化矩阵E，由归一化矩阵E的每个元素对应的坐标位置绘制腐蚀缺陷表面轮廓彩色图像F，如图7所示。图7彩色图能够直观地显示腐蚀缺陷的表面轮廓，为了实现腐蚀缺陷的可视化处理，将图7彩色图进入步骤5进行灰度图转换。
S5，将所述彩色图像F利用Matlab转换为灰度图G，得到腐蚀缺陷表面轮廓图像，如图8所示。图8能够更清晰地呈现腐蚀缺陷的可视化形貌，呈现圆形状可视化图像，与试块表面腐蚀缺陷较好地吻合，达到较高的反演精度。
S6，求取图8灰度图白色像素数目q为8，像素总数目为p为162，本实施例中扫查面积l×w为40×40mm2，依据式(q/p)×(l×w)，可求腐蚀面积S为79.0mm2。钢板试块圆形腐蚀坑轮廓实际缺陷面积为可由π×5×5mm2求得为78.5mm2，可见腐蚀面积的评估误差为3.1％，达到较高的评估精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于交流电磁场的腐蚀缺陷可视化成像及评估方法，其特征在于，包括步骤一：
利用交流电磁场检测探头获取腐蚀缺陷上方长度l宽度w面积区域不同位置点磁场信号Bz幅值，定义探头扫查方向为X方向，在X方向的扫查路径提取等间距n个位置点，在与探头扫查方向垂直的方向提取等间距扫查路径数为m，由以上位置点的磁场信号Bz幅值形成m行n列矩阵
Figure FDA0004197635950000011
对矩阵A的每一行元素[ai1 ai2 … ain]沿着X方向，即矩阵A行方向，求取梯度/>
Figure FDA0004197635950000012
得到矩阵A的梯度场矩阵/>
Figure FDA0004197635950000013
步骤二：
求取所述梯度场矩阵B所有元素中的极值PGXBz，判定极值PGXBz是否小于0，如果是则乘以-1，得到正峰值矩阵C；
步骤三：
判定正峰值矩阵C中每一个元素是否小于0，如果是则乘以0，得到祛除背景矩阵D；
步骤四：将祛除背景矩阵D所有元素的幅值归一化到0-1区间，得到归一化矩阵E，由归一化矩阵E的每个元素对应的坐标位置绘制腐蚀缺陷表面轮廓彩色图像F；
步骤五：
将所述彩色图像F转换为灰度图G，得到非铁磁性材料不规则裂纹表面轮廓图像；
步骤六：提取灰度图G中白色像素数目q，像素总数目为p，评估腐蚀缺陷面积s＝(q/p)×(l×w)。
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