CN111291764A - 基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法 - Google Patents

基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，涉及无损检测信号处理领域，包括：获取电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描数据并选取拟合范围进行方程拟合；基于所述拟合后的方程构建提离和检测值一一对应数据库；获取沿检测方向检测值数据并基于所述构建的数据库进行一一匹配求解对应的提离序列；找寻最小提离值并对所述一一匹配求解的提离序列求差值得到被测金属试件轮廓深度反演结果。本方法利用电容成像在金属材料上提离曲线单调性，建立提离与检测值一一对应数据库，结合电容成像探头在被测金属试件上沿提离和检测两个方向的数据，以实现利用电容成像无损检测技术提离曲线解决金属被测件轮廓深度信息的反演。

Description

基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法
技术领域
本发明涉及无损检测信号处理领域，尤其涉及一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法。
背景技术
电容成像无损检测技术是将传统的平行板电容器展开至电容极板共面，利用共面的极板对之间的非线性电场作为探测场，对被测试件中的缺陷进行非接触式无损探伤。共面极板间的非线性电场可以穿透非金属材料到达金属材料表面，因此电容成像可适用于非金属材料内部缺陷和表面缺陷检测，同时也适用于金属表面缺陷的检测。基于此原理，电容成像无损检测技术一个重要的应用在于金属表面腐蚀的检测。
现有技术中，当电容成像应用于金属被测试件检测时，由于电场线从电容成像探头激励极板发出止于被测金属试件表面，其中被测金属件亚表面缺陷或者内部形态不会对检测结果造成任何影响，因此利用电容成像无损检测技术对金属表面缺陷的评估可以描述为金属表面轮廓特征的反演。在对于较大面积类型缺陷尤其是缺陷面积大于探头有效面积时，典型应用即金属设备的大面积均匀腐蚀，轮廓的特征可以描述成金属表面和电容成像探头距离的变化即检测过程中的提离距离的变化。类似于涡流或者其他电磁无损检测方法，电容成像技术对于电容探头的检测提离距离十分敏感。值得一提的是由于背板和探头中间屏蔽的存在导致提离曲线在0mm至2mm的范围内存在曲率复杂区域，但电容成像技术的提离曲线是单调递增的，因此每一个检测值都会仅仅对应一个提离高度，使得基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演具有可能性。现有技术中利用电容成像检测技术对金属表面缺陷的评估例如用于金属表面腐蚀的检测都是采用肉眼直接观察检测成像结果进行判定。虽然检测成像结果在一定程度上可以给出腐蚀区域的大小范围，但是并没有一个有效的量化方法给出腐蚀区域的深度信息即减薄程度。在实际应用中，腐蚀往往是“悄悄进行的破坏”，其危害性往往容易被忽视，腐蚀减薄程度对于设备结构的安全性能评估具有极其重要的作用，关乎着人民的生命财产安全。以钢材为例，每腐蚀减薄1mm，其强度会下降5％至10％。不是说这块金属腐蚀完了才会发生破坏，当壁厚因腐蚀减薄到一定程度，在载荷或压力等作用下，就可能会发生破坏事故。由此可见，对于利用电容成像无损检测技术对金属表面轮廓特征的检测尤其是在腐蚀减薄程度的检测中量化的重要意义。
因此，有必要提出一种基于电容成像无损检测技术提离曲线的定量的、适用于金属表面轮廓深度信息反演的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，通过利用电容成像在金属材料上提离曲线的单调性，建立提离与检测值一一对应反演数据库，结合电容成像探头在被测金属件上沿提离和检测两个方向的数据，以实现利用电容成像无损检测技术提离曲线解决金属被测件轮廓深度信息的反演。
本发明提供了一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，应用于基于电容成像的金属被测件表面轮廓特征无损检测信号，包括：获取电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据；对所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据选取拟合范围；对所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围内数据进行方程拟合；基于所述的拟合后的方程构建提离和检测值一一对应数据库；获取所述电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据；对所述获取的电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据基于所述构建的提离和检测值一一对应数据库进行一一匹配求解对应的提离序列；对所述求解对应的提离序列找寻最小提离值；对所述找寻的最小提离值与所述一一匹配求解对应的提离序列求差值得到被测试件轮廓深度的反演结果。
本发明提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，在依据不同应用场合和探头尺寸确定合理的提离曲线范围，以0.1mm的扫描间距获取电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据后，合理避开由于背板和探头中间屏蔽的存在导致的提离曲线在0mm至2mm范围内曲率复杂区域对所述电容成像探头在被测金属件上沿提离方向扫描曲线数据选取拟合范围；通过信号和数学处理软件，采用高精度、确定系数大于R2大于0.99的多项式方程拟合选取的提离方向扫描曲线拟合范围内数据；进一步基于所述的拟合后的方程构建提离和检测值一一对应数据库，此时所述构建的数据库可不受0.1mm的扫描间距限制，即可根据反演的精度要求设置更细或者较粗的间距来生成构建提离和检测值一一对应数据库；由于电容成像技术的提离曲线是单调递增的，因此基于拟合后的方程构建的数据库也是单调的，即每一个检测值都会仅仅对应一个提离高度。利用电容成像无损检测技术对金属件表面缺陷的评估可以描述为金属件表面轮廓特征的反演，而轮廓的特征又可以描述成金属件表面和电容成像探头距离的变化即检测过程中的提离距离的变化；因此基于所述构建的提离与检测值数据库可精确用于金属表面缺陷检测结果的提离反演即轮廓特征重构；为确保反演的提离范围在所述构建的数据库范围内即所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围内，因此进一步获取所述电容成像探头在所述选取的拟合范围任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据；结合所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离和检测两个方向的数据，基于所述构建的提离与检测值数据库对所述获取的检测值数据进行一一匹配求解对应的提离序列，其中一一匹配的过程采用找寻检测值与数据库中距离最短点的方法即检测值与数据库中的值的差的平方根最小，实现从检测值到金属表面和电容成像探头距离变化的换算即从检测值对应成检测过程中每个检测位置的提离距离；为进一步获取被测金属件表面的轮廓特征，对所述求解的提离序列找寻最小提离值；并对所述找寻的提离值与所述一一匹配求解对应的提离序列求差值得到被测金属试件轮廓深度的反演结果。本发明提供的方法通过利用电容成像在金属材料上提离曲线的单调性，建立提离与检测值一一对应反演数据库，结合电容成像探头在被测金属试件上沿提离和检测两个方向的数据，以实现利用电容成像无损检测技术提离曲线解决金属被测件轮廓深度信息的反演。其中深度的量化精度可由所述构建的提离和检测值一一对应数据库的精度控制，可实现根据不同应用场合下不同精度需求的设备大面积均匀腐蚀减薄电容成像无损检测。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的示意图；
图2为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的案例模型示意图；
图3为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的案例模型截面示意图；
图4为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的电容成像探头在案例模型中被测金属试件上沿提离方向的扫描曲线；
图5为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的在选取的被测金属件上沿提离方向扫描曲线数据拟合范围内拟合曲线；
图6为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离下在案例模型中被测金属试件上沿检测方向的检测值数据曲线；
图7为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的基于所述构建的提离和检测值一一对应数据库进行一一匹配求解对应的提离序列曲线；
图8为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的被测金属试件轮廓深度的反演结果曲线；
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电容成像的金属被测件表面轮廓特征无损检测信号，电容成像无损检测技术作为一种新型的非接触式无损检测技术，可以在一定的提离下实现对被测金属件轮廓的检测。本实施例提供的方法应用于在电容成像探头在被测金属件上沿提离方向扫描曲线数据和电容成像探头在选取的提离方向扫描曲线拟合范围任一固定提离下沿检测方向的检测值数据。根据电容成像基本原理，电容成像技术的提离曲线是单调递增的，因此基于拟合的提离方向曲线方程构建的数据库也是单调的，即每一个检测值都会仅仅对应一个提离高度。利用电容成像无损检测技术对金属件表面缺陷的评估可以描述为金属件表面轮廓特征的反演，而轮廓的特征又可以描述成金属件表面和电容成像探头距离的变化即检测过程中的提离距离的变化。因此基于所述构建的提离与检测值数据库可精确用于金属表面缺陷检测结果的提离反演即轮廓特征重构。
实施例一
图1为本发明实施例提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，如图所示，包括：
S101，获取电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据；S102，对所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据选取拟合范围，并对所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围内数据进行方程拟合S103；S104，基于所述的拟合后的方程构建提离和检测值一一对应的数据库。
具体的，信号和数学处理软件接收获取的电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据，该提离方向扫描数据包括有限个从提离为0mm的位置以0.1mm的扫描间距连续增大到相对较远位置提离的电容值；其中所述相对较远位置依据不同应用场合和探头尺寸决定，满足所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向从0mm到相对较远位置的扫描曲线趋于缓慢变化且逼近于所述电容成像探头处于距离被测金属试件无穷远的提离即所述电容成像探头处于空气中的电容值。进一步对所述电容成像探头在被测金属件上沿提离方向扫描曲线数据选取合适的拟合范围，其中选取拟合范围应避开0mm至2mm的曲线曲率复杂区域以保证可以进行高拟合程度的方程拟合。基于所述的拟合后的方程构建提离和检测值一一对应的数据库，其中构建的数据库中提离数据范围为所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围，检测值为基于拟合后的方程代入所有提离求取出的满足拟合方程的检测值；提离的间距可以不受所述0.1mm的扫描间距限制，即可根据反演的精度要求设置更细或者较粗的间距来生成构建提离和检测值一一对应数据库。
优选的，对所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围内数据进行方程拟合包括借助matlab软件采取多项式拟合方程且满足确定系数R2大于0.99。
S105，获取电容成像探头在选取的拟合范围内任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据。
具体的，在选取的提离方向扫描曲线拟合范围内选取任一固定提离，是为了确保之后反演的轮廓深度结果处于所构建的数据库范围内，在此固定提离下利用电容成像探头沿检测方向对被测金属试件进行扫描，信号和数学处理软件接收获取电容成像探头在选取的拟合范围内任一固定提离下沿检测方向的检测值数据；
S106，基于所述构建的提离与检测值数据库对所述获取的检测值数据进行一一匹配求解对应的提离序列；S107，对所述求解对应的提离序列找寻最小提离值；S108，对所述找寻的最小提离值与所述一一匹配求解对应的提离序列求差值得到被测试件轮廓深度的反演结果。
具体的，对所述获取的电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据基于所述构建的提离和检测值一一对应数据库进行一一匹配求解对应的提离序列采用找寻检测值与数据库中距离最短点的方法即检测值与数据库中的值的差的平方根最小。求解出对应的提离序列也就实现了从检测值到金属表面和电容成像探头距离变化的换算即从检测值对应成检测过程中每个检测位置的提离距离；由于提离距离和真实的轮廓特征为互补的关系，为进一步获取被测金属件表面的轮廓特征，对所述求解的提离序列找寻最小提离值；并对所述找寻的提离值与所述一一匹配求解对应的提离序列求差值得到被测金属件轮廓深度的反演结果。
本发明提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，在依据不同应用场合和探头尺寸确定合理的提离曲线范围，以0.1mm的扫描间距获取电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据后，合理避开由于背板和探头中间屏蔽的存在导致的提离曲线在0mm至2mm范围内曲率复杂区域对所述电容成像探头在被测金属件上沿提离方向扫描曲线数据选取拟合范围；通过信号和数学处理软件，采用高精度、确定系数大于R2大于0.99的多项式方程拟合选取的提离方向扫描曲线拟合范围内数据；进一步基于所述的拟合后的方程构建提离和检测值一一对应数据库，此时所述构建的数据库可不受0.1mm的扫描间距限制，即可根据反演的精度要求设置更细或者较粗的间距来生成构建提离和检测值一一对应数据库；由于电容成像技术的提离曲线是单调递增的，因此基于拟合后的方程构建的数据库也是单调的，即每一个检测值都会仅仅对应一个提离高度。利用电容成像无损检测技术对金属件表面缺陷的评估可以描述为金属件表面轮廓特征的反演，而轮廓的特征又可以描述成金属件表面和电容成像探头距离的变化即检测过程中的提离距离的变化；因此基于所述构建的提离与检测值数据库可精确用于金属表面缺陷检测结果的提离反演即轮廓特征重构；为确保反演的提离范围在所述构建的数据库范围内即所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围内，因此进一步获取所述电容成像探头在所述选取的拟合范围任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据；结合所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离和检测两个方向的数据，基于所述构建的提离与检测值数据库对所述获取的检测值数据进行一一匹配求解对应的提离序列，其中一一匹配的过程采用找寻检测值与数据库中距离最短点的方法即检测值与数据库中的值的差的平方根最小，实现从检测值到金属表面和电容成像探头距离变化的换算即从检测值对应成检测过程中每个检测位置的提离距离；为进一步获取被测金属件表面的轮廓特征，对所述求解的提离序列找寻最小提离值；并对所述找寻的提离值与所述一一匹配求解对应的提离序列求差值得到被测金属试件轮廓深度的反演结果。本发明提供的方法通过利用电容成像在金属材料上提离曲线的单调性，建立提离与检测值一一对应反演数据库，结合电容成像探头在被测金属试件上沿提离和检测两个方向的数据，以实现利用电容成像无损检测技术提离曲线解决金属被测件轮廓深度信息的反演。其中深度的量化精度可由所述构建的提离和检测值一一对应数据库的精度控制，可实现根据不同应用场合下不同精度需求的设备大面积均匀腐蚀减薄电容成像无损检测。
实施例二
基于实施例一提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，本实施例给出了一个具体尺寸的被测金属试件阶梯铝板案例模型的电容成像无损检测提离曲线轮廓深度反演的实施方法，以验证该方法的有效性。基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的案例模型如图2所述，案例模型中被测金属试件为一个表面轮廓深度不同的阶梯金属板，所述电容成像探头选取传统三角形背对背极板电容成像探头；图3为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的案例模型截面示意图，其中从截面角度看，三层阶梯分别相差1mm深度；图4为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的电容成像探头在案例模型中被测金属试件上沿提离方向的扫描曲线，提离范围从0mm起至10mm，间距0.1mm；其中为避开由于背板和探头中间屏蔽的存在导致的提离曲线在0mm至2mm范围内曲率复杂区域对所述电容成像探头在被测金属件上沿提离方向扫描曲线数据选取拟合范围如图5所述，选取的拟合范围为2mm至10mm；图6为本发明实施例二提供的基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离2mm在案例模型中被测阶梯金属试件上沿检测方向的检测值数据曲线；观察图6曲线纵坐标可发现，检测结果为电容值无法表征金属轮廓深度，为此基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的基于所述构建的提离和检测值一一对应数据库进行一一匹配求解对应的提离序列曲线如图7所示；观察图7曲线纵坐标可发现，反演的提离距离仍然不是直接表征金属轮廓特征，实际上由于提离距离和真实的轮廓特征为互补的关系，为进一步获取被测金属件表面的轮廓特征，对所述求解的提离序列找寻最小提离值；并对所述找寻的提离值与所述一一匹配求解对应的提离序列求差值得到基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的被测金属试件轮廓深度的反演结果曲线如图8所示；观察图8曲线纵坐标可发现，被测金属试件轮廓深度的反演结果为三层阶梯轮廓且深度分布相差1mm；虽然在阶梯交界处轮廓反演结果将实际的垂直悬崖式轮廓平滑过渡，但该实施例有效的验证了在对于较大面积类型缺陷尤其是缺陷面积大于探头有效面积时，典型应用即金属设备的大面积均匀腐蚀的场合下所述的一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法的可行性。
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 (6)

1.一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，应用于基于电容成像无损检测技术对金属被测试件的检测信号，其特征在于，包括：
获取电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据；对所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据选取拟合范围；对所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围内数据进行方程拟合；基于所述的拟合后的方程构建提离和检测值一一对应数据库；
获取所述电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据；
对所述获取的电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离下在被测金属试件上沿检测方向的检测值数据基于所述构建的提离和检测值一一对应数据库进行一一匹配求解对应的提离序列；
对所述求解对应的提离序列找寻最小提离值；
对所述找寻的最小提离值与所述一一匹配求解对应的提离序列求差值得到被测试件轮廓深度的反演结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，其特征在于，所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向扫描曲线数据，包含：
有限个从提离为0mm的位置以0.1mm的扫描间距连续增大到相对较远位置提离的电容值；其中所述相对较远位置依据不同应用场合和探头尺寸决定，满足所述电容成像探头在被测金属试件上沿提离方向从0mm到相对较远位置的扫描曲线趋于缓慢变化且逼近于所述电容成像探头处于距离被测金属试件无穷远的提离即所述电容成像探头处于空气中的电容值。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，其特征在于，所述电容成像探头在被测金属件上沿提离方向扫描曲线数据选取的拟合范围应避开0mm至2mm的曲线曲率复杂区域以保证选取的拟合范围可以进行高拟合程度的方程拟合。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，其特征在于，所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围内数据进行方程拟合，包括：
借助matlab软件采取多项式拟合方程且满足确定系数R2大于0.99。
5.根据权利要求1所述的一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，其特征在于，基于所述的拟合后的方程构建提离和检测值一一对应数据库，包括：
提离范围为所述选取的提离方向扫描曲线拟合范围，检测值为基于拟合后的方程代入所有提离求取出的满足拟合方程的检测值；提离的间距可以不受所述0.1mm的扫描间距限制，即可根据反演的精度要求设置更细或者较粗的间距来生成构建提离和检测值一一对应数据库。
6.根据权利要求1所述的一种基于电容成像提离曲线的金属表面轮廓深度反演方法，其特征在于，对所述获取的电容成像探头在选取的拟合范围任一固定提离下沿检测方向的检测值数据基于所述构建的提离和检测值一一对应数据库进行一一匹配求解对应的提离序列，包括：
其中一一匹配的过程采用找寻检测值与数据库中距离最短点的方法，即检测值与数据库中的值的差的平方根最小。
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