CN111122697A - 一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法，一、在待检测导电材料表面的激励磁场均匀区内阵列化地设置两行磁传感器，第二行传感器设置在第一行传感器的间隙位置；二、利用配置测距轮的速度编码器在扫描检测过程中给磁传感器阵列发送采集指令；三、利用等空间插值方法将所采集的磁传感器信号进行处理获得所检测区域的磁场特征图像；本发明能够实现导电材料缺陷的高精度成像检测。

Description

一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法

技术领域

本发明属于无损检测的技术领域，具体涉及一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法。

背景技术

航空航天、机械制造、核能发电、石油化工及军工生产等领域的很多装备都由金属材料制成，如航天设备、装甲车辆、舰船、承压类特种设备等，由于这些装备常工作于高温、高压、高速和交变重载荷的条件下，许多关键零部件的表面或内部会产生坑洞、裂纹及腐蚀等缺陷。如飞机飞行过程中机身会承受纵向应力、剪应力及冲击等多种载荷作用，极易产生裂纹等缺陷；发动机叶片在高温高速环境下易产生疲劳损伤，给人类生命及财产安全带来了极大的威胁。为尽可能避免事故发生，需对这些产品定期进行缺陷检测。

涡流无损检测(Eddy Current Non-destructive Testing，ECNDT)是目前较为主流的检测方法，具有不受涂镀层影响、无需耦合剂、可小型化、可对表面或近表面的缺陷检测等优势，比常规的目视法、磁粉法、渗透法、射线法、超声法等方法更具应用潜力。

目前，国内外涡流无损检测方面做了大量的研究和试验，并研制出了相应的装置，实现了缺陷表面及亚表面缺陷的定性测量。但在导电材料缺陷信息的定量化、可视化检测方面还处于理论研究阶段，主要在阵列传感器、数值模型、扫描速度以及信号处理等方面展开研究，其存在的主要问题有：

(1)涡流探头传感器精度低、传感器排布间距大，导致探头扫描缺陷分辨率低，易造成小缺陷的漏检。

(2)涡流探头扫描速度和信号采集速度无关联、不匹配，导致缺陷信息检测准确率易受检测人员手速的影响，直接影响缺陷定量化或成像化检测的精度和效果。由于信号采样速率在检测过程中是固定的，检测时间受检测人员手速的影响，从而使得缺陷成像检测出现如图1的“失真”的图像。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法，能够实现导电材料缺陷的高精度成像检测。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法，包括以下步骤：

步骤一、在待检测导电材料表面的激励磁场均匀区内阵列化地设置两行磁传感器，第二行传感器设置在第一行传感器的间隙位置；

步骤二、利用配置测距轮的速度编码器在扫描检测过程中给磁传感器阵列发送采集指令；

步骤三、利用等空间插值方法将所采集的磁传感器信号进行处理获得所检测区域的磁场特征图像；

所述等空间插值方法为：

在检测时刻t_i，i＝1,2,…；数据采集系统获得N个通道的磁传感器差分信号以及当前的检测位置s_i，其中，差分信号由磁传感器当前采集信号与无缺陷的信号差分所得，检测位置s_i由测距轮和速度编码器获得，提取每通道差分信号峰值V_j ⁱ(j＝1,2,…,N)，

为第j个磁传感器在t_i时刻的差分信号峰值，组成N维特征向量

设定最终生成的磁场特征图像空间分辨率a，则所生成图像的列像素点为m＝p/a+1，p为磁传感器阵列长度，采用一维线性插值法将V_i插值为m维向量V_i′；同理，在下一个检测时刻t_i+1，获得m维特征向量V_i+1′及检测位置s_i+1，则相邻检测时刻的探头位移为Δs_i＝s_i+1-s_i；将检测时刻t_i、t_i+1的m维特征向量V_i′、V_i+1′组合为m×2维的特征矩阵A_i，利用双线性插值法将A_i扩展为m×n_i维特征矩阵A_i′，其中n_i＝Δs_i/a+1；假定扫描完成后共进行k次检测，则按上述插值方法获得最终的特征矩阵为：

C＝[A′₁,A′₂,…,A′_k]

将特征矩阵C转换为相应的灰度矩阵或颜色矩阵，使特征矩阵元素与像素灰度值或像素颜色值对应，从而得到检测区域的磁场特征图像。

进一步地，所述磁传感器为TMR磁传感器。

有益效果：

本发明基于高性能的TMR磁传感器的阵列化探头，具有较高的缺陷扫描检测分辨率和小缺陷检测精度，在缺陷定量化和成像化检测评判方面具有更丰富的数据支持；在阵列化探头上装配速度编码器及测距轮，并配合等空间间隔插值方法可使探头经过缺陷的采样时间和空间位置达到匹配，使得涡流无损实时检测所得的图像可很好地表现出缺陷实际位置以及轮廓大小，提高了缺陷无损检测的有效性和准确性。

附图说明

图1为涡流无损检测过程中扫描速度对所生成缺陷图像造成的影响；

(a)真实缺陷；(b)扫描速度过慢；(c)扫描速度均匀；(d)扫描速度过快。

图2为脉冲涡流无损检测原理图。

图3为阵列化磁传感器探头设置示意图。

图4为等空间间隔插值方法流程图。

其中，1-TMR磁传感器，2-激励线圈产生的激励磁场均匀区，3-速度编码器，4-测距轮。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法，涡流脉冲无损检测的原理为：如图2所示，利用具有脉冲电压或电流信号的激励线圈感应出脉冲磁场，靠近导体表面时，导体内部构成闭合回路，发生电磁感应效应，产生旋涡状的感应电流，即脉冲涡流。该涡流在空间会产生涡流磁场，导体表面和内部的缺陷会影响涡流磁场的变化，因此，通过磁传感器的采集，经过信号处理和反演，就可对表面和内部缺陷进行检测。

基于此原理，设计了阵列化的传感器构型(图3)，磁隧道电阻传感器是新一代的磁电阻传感器，具有灵敏度高，体积小、易集成等优点，在提高涡流脉冲无损检测的分辨率方面具有较大的潜力。在脉冲涡流检测缺陷时，要求传感器的敏感轴顺着磁场方向，由于传感器在组成阵列化电路集成时，有引脚和PCB走线的影响，因此阵列传感器间固然会有间隙，这直接影响到扫描检测分辨率的提高，造成小缺陷的漏检问题。因此本发明设计了双行磁传感器布置，如图3所示，在激励线圈的激励磁场均匀区内，设置两行多枚磁传感器，其中l为在PCB板上布置TMR磁传感器时两相邻传感器在引脚走线设计后的敏感轴间的最小间距，要求要比TMR传感器探头的宽度小，第一行和第二行磁传感器的放置位置在竖直方向上相错l/2的距离，布置磁传感器的数量以检测缺陷使用场合来设计，这样第二行传感器可检测第一行传感器间间距盲区部位的缺陷，达到缺陷检测范围内缺陷全覆盖感应测量，大幅提高不同大小缺陷的检测分辨率，减小漏检率，尤其提高了后期多传感器数据融合缺陷信息成像的成像精度和质量。

此外，集成了速度编码器，配置了测矩轮(图3)，在扫描缺陷的同时可采集到装置移动的速度，同时提出了等空间插值方法，可将速度编码器采集到的装置移动速度与阵列传感器采样速率产生了关联，解决了检测者手持涡流无损检测设备手速不均匀导致检测不准确的难题，尤其避免了缺陷检测出现“失真”的图像(图1)，提高了缺陷成像的精度，并给缺陷真实形状成像给予数据上的支持。

具体等空间插值方法为：在检测时刻t_i(i为检测时间编号，从1开始)，数据采集系统获得N个通道的TMR传感器差分信号以及当前的检测位置s_i，其中差分信号由阵列传感器获得，检测位置s_i由测速轮和速度编码器获得，提取每通道差分电压信号峰值为

(

为第j个传感器在i时刻的差分信号峰值)，组成N维特征向量

设定最终生成的图像空间分辨率a，测定TMR传感器阵列长度为p，则所生成图像的列像素点为m＝p/a+1，采用一维线性插值法将V_i插值为m维向量V_i′。同理，在下一个检测时刻t_i+1，可以获得m维特征向量V_i+1′及检测位置s_i+1，于是相邻检测时刻的探头位移为Δs_i＝s_i+1-s_i。将检测时刻t_i、t_i+1的m维特征向量V_i′、V_i+1′组合为m×2维的特征矩阵A_i，考虑到图像空间分辨率为a，利用双线性插值法将A_i扩展m×n_i维特征矩阵A_i′，其中n_i＝Δs_i/a+1。假定扫描完成后共进行k次检测，则按上述插值方法可以获得最终的特征矩阵为：

C＝[A′₁,A′₂,…,A′_k]

此时，将特征矩阵C转换为相应的灰度矩阵或颜色矩阵，使特征矩阵元素与像素灰度值或像素颜色值对应，传递给计算机处理后便能在计算机屏幕上显示出检测域的磁场特征图像。

等空间间隔插值方法流程如图4所示，显然，在相同的采样时间间隔下，即使两次连续采样的空间间隔不均匀，通过相应不同插值点数的双线性插值法对特征矩阵进行适当调整，可使得重建的图像在扫描方向上保持均匀。在缺陷扫描成像过程中，当扫描速度慢时，采集时间长，每次采集后的探头位移Δs_i较小，采集的点数较为密集，利用等空间间隔算法将对当前采集的特征矩阵进行较小维数n_i的双线性插值，从而实现成像均匀，呈现图1(c)的均匀成像效果，避免出现图1(b)的图像“拉伸”情况；当扫描速度快时，采集时间短，每次采集后的探头位移Δs_i较大，利用等空间间隔算法将对当前采集的特征矩阵进行较大维数n_i的双线性插值，从而实现成像均匀，避免出现图1(d)的图像“压缩”情况，从而避免了扫描速度不均匀引起的缺陷漏检以及缺陷图像失真。

除了阵列化磁传感器及编码器探头之外，脉冲涡流检测成像装置还包含了激励线圈、信号采集模块，后端信号处理模块。为保证较宽的励磁均匀区，激励线圈采用矩形印制线圈。具体实施为：将阵列化探头置于检测对象表面，采集一组数据作为参考信号，移动装置，利用实时输出的差分信号进行动态检测成像，当遇到缺陷时，输出的差分信号会出现变化，经过降噪处理后提取信号特征值，结合等空间间隔插值方法将信号时间和空间位置匹配组成特征矩，再经过成像化算法处理实现缺陷高精度成像。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在待检测导电材料表面的激励磁场均匀区内阵列化地设置两行磁传感器，第二行传感器设置在第一行传感器的间隙位置；

步骤二、利用配置测距轮的速度编码器在扫描检测过程中给磁传感器阵列发送采集指令；

步骤三、利用等空间插值方法将所采集的磁传感器信号进行处理获得所检测区域的磁场特征图像；

所述等空间插值方法为：

在检测时刻t_i，i＝1，2，...；数据采集系统获得N个通道的磁传感器差分信号以及当前的检测位置s_i，其中，差分信号由磁传感器当前采集信号与无缺陷的信号差分所得，检测位置s_i由测距轮和速度编码器获得，提取每通道差分信号峰值

为第j个磁传感器在t_i时刻的差分信号峰值，组成N维特征向量

设定最终生成的磁场特征图像空间分辨率a，则所生成图像的列像素点为m＝p/a+1，p为磁传感器阵列长度，采用一维线性插值法将V_i插值为m维向量V_i′；同理，在下一个检测时刻t_i+1，获得m维特征向量V_i+1′及检测位置s_i+1，则相邻检测时刻的探头位移为Δs_i＝s_i+1-s_i；将检测时刻t_i、t_i+1的m维特征向量V_i′、V_i+1′组合为m×2维的特征矩阵A_i，利用双线性插值法将A_i扩展为m×n_i维特征矩阵A_i′，其中n_i＝Δs_i/a+1；假定扫描完成后共进行k次检测，则按上述插值方法获得最终的特征矩阵为：

C＝[A′₁，A′₂，...，A′_k]

将特征矩阵C转换为相应的灰度矩阵或颜色矩阵，使特征矩阵元素与像素灰度值或像素颜色值对应，从而得到检测区域的磁场特征图像。

2.如权利要求1所述的一种基于脉冲涡流的导电材料缺陷高精度成像检测方法，其特征在于，所述磁传感器为TMR磁传感器。

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