CN112611800A - 一种检测压力设备表面微裂纹的快速扫描方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种检测压力设备表面微裂纹的快速扫描方法和系统，扫描系统至少包括一种探头组合，包含探头的信号敏感度类似但光斑尺寸等比缩小，检测时各探头有工作、待命两种模式；一个激励信号发生器模块，一个位移驱动模块控制工作探头扫描受检体表面；一个信号调理模块，工作探头接收受检体表面反馈信号，并转换为电信号输入信号调理模块；一个信号采集模块，其接收经调理后的信号；一个输出模块，输出最后的扫描结果；另有一个人工操作输入模块，提供人工控制输入功能。本发明使同缺陷分辨力的扫描路程极大缩短，扫描高度线性，适合计算机处理规划，也相对更能保障执行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测压力设备表面微裂纹的快速扫描方法和系统，属于材料疲劳早期检测技术领域。
背景技术
金属等材料疲劳是一种循环应力导致的不可逆结构损伤。据统计，90％的机械事故和金属疲劳有关，包含60％以上的飞机失事及工业设备爆炸等。疲劳累积是结构突然断裂甚至爆炸的直接原因。材料疲劳还与腐蚀等耦合，发生应力腐蚀。这是材料在腐蚀环境中与应力的作用下发生失效的现象，是核电结构材料(几种合金)发生环境致裂失效的主要形式。
金属等材料疲劳发生时间难以预测，实际某种程度讲是不可预测。影响疲劳破坏的因素很多，材质、表面处理、环境温度与湿度，乃至表面光洁度，都会对疲劳寿命与疲劳极限造成极大影响。设施的规模越大，有局部缺陷的几率越高，大型建筑设施形成低周疲劳破坏，发生事故的重要因素。以金属为代表的材料疲劳，开始是应力导致的晶层错位，随而晶体键断裂产生微裂纹，但这仅影响少数晶胞～10im尺度范围，裂纹直到～90％金属疲劳寿命还是处于微观尺度。对于压力设备等，一旦发展到宏观尺度裂纹，设备就无法使用。
另一方面，现有技术难以普遍应用于中大型设施疲劳检测，成本会超过设备本身。例如，一架客机定期的结构检测(D级检测)，时长约50天，耗资百万美元。可见，基于较大面积较高精度扫描检测的技术改进，空间很大。
涡流检测是一种使用很广泛的无损检测技术，基本工作原理为当励磁线圈靠近导体材料时，会在导电材料表面感应出涡电流。导体表面结构缺陷断开该位置的涡流回路，从而使探头内的检测线圈感测信号突变。
涡电流检测具有速度快、对表面缺陷反应灵敏等优异性能。已在核电站热交换管道等许多关键设备的检测中发挥着重要的作用。为评估设备结构安全，要动态监测导电结构表面裂纹等缺陷的时空分布。传统单线圈探头采用单点往复扫查，只适于检测单裂纹缺陷，且费时费力。
实际情况中，工件表面裂纹往往呈多条并发的状况，且多裂纹比单裂纹对金属结构的破坏性更大。如不准确判断多裂纹分布，容易造成漏检及处置不当，导致严重安全事故。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种检测压力设备表面微裂纹的快速扫描方法和系统，从而解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种检测压力设备表面微裂纹的系统，包括受检体；所述受检体一侧设置有励磁线圈涡流传感装置；所述励磁线圈涡流传感装置通过激励信号发生器驱动控制；所述励磁线圈涡流传感装置一侧连接有信号调理放大器用于信号放大处理；所述信号处理放大器一侧连接有数据采集装置；所述励磁线圈涡流传感装置一侧设置有探头组架；所述探头组架与励磁线圈涡流传感装置之间设置有探头更换控制装置。
进一步的，所述探头组架上设置有多个独立探头或阵列探头。
进一步的，所述独立探头可手动或自动更换；所述阵列探头个阵元分别对应多个独立探头。
进一步的，所述独立探头或阵列探头探测信号为超声、近场光、静电场、局域表面等离子共振等固体表面各类物理场的一种；所述独立探头或阵列探头至少有互相垂直的3个平动自由度及1个转动自由度和1个摆动自由度。
一种检测压力设备表面微裂纹的扫描方法，包括以下步骤；
步骤一：通过3种独立涡电流探头的尺寸从小到大依次编号，首先从1号尺寸探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，1号探头扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析；
步骤二：当1号探头发现缺陷且尺寸不能分辨的区域时，此时通过采用2号尺寸的探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，2号探头扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析；
步骤三：当2号探头发现缺陷且尺寸不能分辨的区域时，此时通过采用3号尺寸的探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，3号探头扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析，从而完成一次扫描。
进一步的，所述探头扫描结果通过激光三维扫描仪采集受测物体点云数据，建立待测表面地形数据模型，用矩形单元网格化模型。
进一步的，所述矩形单元网格化模型的单个矩形网格是其步进一次增加的轨迹覆盖区域。
进一步的，对任意第i号探头，扫描路径：1)其中轴线垂直受测面，且扫描高度恒定，两个方向的步进步长分别为S1(i)和S2(i)，对应有效光斑尺寸参数D1(i)和D2(i),有以下特征关系：
本发明的有益效果是：本发明提出一种检测金属等材料疲劳微裂纹的扫描方法和系统，克服上述工程技术缺陷，扫描方法和系统适用于压力容器等中大型设备检测，1、本发明使同缺陷分辨力的扫描路程极大缩短；2、扫描高度线性，适用于计算机处理。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的表面缺陷的涡电流传感扫描系统的拓扑结构示意图；
图2为本发明图1实施例的一次扫描路径示意图；
图3为本发明的扫描路径的几何特征及优化效果示意图；
图4为本发明的集成探头组合图。
图中：11、独立涡电流传感探头一，12、独立涡电流传感探头二，13、独立涡电流传感探头三，21、独立涡电流传感探头一的扫描轮廓，22、独立涡电流传感探头一的定位缺陷区域轮廓，23、独立涡电流传感探头二的定位缺陷区域轮廓，24、独立涡电流传感探头三的定位缺陷区域轮廓，3、受测体表面上选择扫描的区域轮廓，41、普通阵列式探头的独立单元，42、阵列式集成的等比例探头。
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明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，一种检测压力设备表面微裂纹的系统，包括受检体；所属受检体一侧设置有励磁线圈涡流传感装置；所述励磁线圈涡流传感装置通过激励信号发生器驱动控制；所述励磁线圈涡流传感装置一侧连接有信号调理放大器用于信号放大处理；所述信号处理放大器一侧连接有数据采集装置；所述励磁线圈涡流传感装置一侧设置有探头组架；所述探头组架与励磁线圈涡流传感装置之间设置有探头更换控制装置。
本实施例优选的，所述探头组架上设置有多个独立探头或阵列探头。
本实施例优选的，所述独立探头可手动或自动更换；所述阵列探头个阵元分别对应多个独立探头。
本实施例优选的，所述独立探头或阵列探头探测信号为超声、近场光、静电场、局域表面等离子共振等固体表面各类物理场的一种；独立探头或阵列探头至少有互相垂直的3个平动自由度及1个转动自由度和1个摆动自由度。
一种检测压力设备表面微裂纹的扫描方法，包括以下步骤；
步骤一：通过3种独立涡电流探头的尺寸从小到大依次编号，首先从独立涡电流传感探头一11的尺寸探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，独立涡电流传感探头一11扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析；
步骤二：当独立涡电流传感探头一11发现缺陷且尺寸不能分辨的区域时，此时通过采用独立涡电流传感探头二12的尺寸的探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，独立涡电流传感探头二12扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析；
步骤三：当独立涡电流传感探头二12发现缺陷且尺寸不能分辨的区域时，此时通过采用独立涡电流传感探头三13的尺寸的探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，独立涡电流传感探头三13扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析，从而完成一次扫描。
本实施例优选的，探头扫描结果通过激光三维扫描仪采集受测物体点云数据，建立待测表面地形数据模型，用矩形单元网格化模型。
本实施例优选的，矩形单元网格化模型的单个矩形网格是其步进一次增加的轨迹覆盖区域。
本实施例优选的，对任意第i号探头，扫描路径特征在于：1)其中轴线垂直受测面，且扫描高度恒定，两个方向的步进步长分别为S1(i)和S2(i)，对应有效光斑尺寸参数D1(i)和D2(i),有以下特征关系：
11，12和13为独立涡电流传感探头，光斑的等比缩小系数为2；21为11扫描区域轮廓；22是11定位的缺陷区域轮廓以及12扫描区域轮廓；23为12定位的缺陷区域轮廓以及13扫描区域轮廓；24为13最终定位的缺陷区域最小尺度轮廓；3是在图1受测体表面上选择扫描的区域轮廓。41为普通阵列式探头的独立单元，411和412为41接收通道的线脚；42为本发明阵列式集成的等比例探头，421和422为42接收通道的线脚。上述两种阵列最高分辨力一致，但本发明探头的通道数远低于对比阵列。
本实施例设备，附有光斑尺寸等比缩小的3种独立涡电流探头，所述探头具备信号敏感度类似，从大到小编为1-3。一次扫描从1号尺寸探头开始，1号发现缺陷且尺寸不能分辨的区域，该区域再由2号尺寸探头扫描，依此类推，至3号探头完成扫描，一次扫描结束。
本实施例扫描过程及方法，大致描述为：用激光三维扫描仪采集受测物体点云数据，建立待测表面地形数据模型，用矩形单元网格化模型。对于1号探头，所述单个矩形网格是其步进一次增加的轨迹覆盖区域。对任意第i号探头，扫描路径特征在于：1)其中轴线垂直受测面，且扫描高度恒定，两个方向的步进步长分别为S1(i)和S2(i)，对应有效光斑尺寸参数D1(i)和D2(i),有以下特征关系：
本实施的所述多个单探头切换，有自动更换模块自动规划完成。虽然大尺度目标的探测领域，阵列式探头基本取代了单一探头；但是微观尺度，微米到纳米的目标探测，基本都是单一探头完成(扫描探针)，高精度探测使用单一探头是必然。所述探头至少有互相垂直的3个平动自由度及1个转动自由度和1个摆动自由度。
本实施例所述扫描方法的扫描路径，其特征还在于：除了1号探头路径，整体路径的其余各分段严格自相似，整个扫描路径体现了分形几何图形的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种检测压力设备表面微裂纹的系统，其特征在于，包括受检体；所属受检体一侧设置有励磁线圈涡流传感装置；所述励磁线圈涡流传感装置通过激励信号发生器驱动控制；所述励磁线圈涡流传感装置一侧连接有信号调理放大器用于信号放大处理；所述信号处理放大器一侧连接有数据采集装置；所述励磁线圈涡流传感装置一侧设置有探头组架；所述探头组架与励磁线圈涡流传感装置之间设置有探头更换控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种检测压力设备表面微裂纹的系统，其特征在于，所述探头组架上设置有多个独立探头或阵列探头。
3.根据权利要求2所述的一种检测压力设备表面微裂纹的系统，其特征在于，所述独立探头可手动或自动更换；所述阵列探头个阵元分别对应多个独立探头。
4.根据权利要求2所述的一种检测压力设备表面微裂纹的系统，其特征在于，所述独立探头或阵列探头探测信号为超声、近场光、静电场、局域表面等离子共振等固体表面各类物理场的一种；所述独立探头或阵列探头至少有互相垂直的3个平动自由度及1个转动自由度和1个摆动自由度。
5.一种检测压力设备表面微裂纹的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一：通过3种独立涡电流探头的尺寸从小到大依次编号，首先从1号尺寸探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，1号探头扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析；
步骤二：当1号探头发现缺陷且尺寸不能分辨的区域时，此时通过采用2号尺寸的探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，2号探头扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析；
步骤三：当2号探头发现缺陷且尺寸不能分辨的区域时，此时通过采用3号尺寸的探头靠近励磁线圈涡流传感装置进行扫描，3号探头扫描完毕后将扫描结果放大处理并传输到数据采集计算机上进行数据分析，从而完成一次扫描。
6.根据权利要求5所述的一种检测压力设备表面微裂纹的扫描方法，其特征在于，所述探头扫描结果通过激光三维扫描仪采集受测物体点云数据，建立待测表面地形数据模型，用矩形单元网格化模型。
7.根据权利要求6所述的一种检测压力设备表面微裂纹的扫描方法，其特征在于，所述矩形单元网格化模型的单个矩形网格是其步进一次增加的轨迹覆盖区域。
8.根据权利要求5所述的一种检测压力设备表面微裂纹的扫描方法，其特征在于，对任意第i号探头，扫描路径特征在于：1)其中轴线垂直受测面，且扫描高度恒定，两个方向的步进步长分别为S1(i)和S2(i)，对应有效光斑尺寸参数D1(i)和D2(i),有以下特征关系：
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