CN112857205B - 一种旋转电磁场结构表面裂纹监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种旋转电磁场的结构表面裂纹监测方法，将初始相位相差90°的2路正弦信号分别加载在激励线圈上，被监测结构上将被感应出随时间呈周期性变化的旋转电磁场，当遇到裂纹时，感应电流将发生扰动，同时感应电流产生的二次磁场也将发生扰动，利用磁场传感器拾取空间中变化的垂直于被测物体表面方向的磁场信号，被拾取的磁场信号经过锁相放大，将被分解成为幅值和相位，幅值信息可以被用来表征裂纹对结构影响的危险程度，相位信息可以被用来表征裂纹的角度，本发明提出的方法利用单个传感器就可以获取裂纹的角度和危险程度，可大幅降低监测探头的制作成本。

Description

一种旋转电磁场结构表面裂纹监测方法
技术领域
本发明涉及无损检测信号处理领域，尤其涉及一种旋转电磁场结构表面裂纹监测方法。
背景技术
输油管道、导管架平台、热压力容器等工业设备长期处于交变载荷、高温、高压和腐蚀介质中，关键节点极易产生裂纹，如果早期裂纹不能被有效的监测，当遇到特殊工况时，裂纹将迅速拓展进而导致结构失效，造成安全事故。因此结构关键节点的裂纹严重威胁着工业设备的安全运行，及时对工业的设备的关键节点进行裂纹监测，时刻掌握关键节点的裂纹拓展状况对于工业设备的安全运维至关重要。
目前工业上常用的基于振动、位移、加速度等动态响应整体结构健康监测方法难以实现工业设备关键结构裂纹的精准监测。电磁监测技术是目前对于工业设备关键节点微小结构裂纹监测的一种行之有效的方法，但是常规的电磁监测方法为了获取裂纹的方向和尺寸信息，需要采用传感器阵列的方式，增加了监测探头的制作难度和成本，并且监测灵敏度会受裂纹方向的影响。
发明内容
本发明所要解决的问题是提出一种旋转电磁场结构表面裂纹监测方法，利用单个传感器就可以获取裂纹的角度和危险程度，可大幅降低监测探头的制作成本。
本发明提供一种旋转电磁场结构表面裂纹监测方法，其步骤包括：
S1：将监测探头安装在被测结构关键位置的表面，所述监测探头包括激励线圈和磁场传感器，所述激励线圈由两个正交式分布的上层线圈和下层线圈组成，所述磁场传感器安装在所述激励线圈的中间位置；
S2：信号发生器产生频率和幅值相等、初始相位分别为0°和90°的2路正弦信号，所述2路正弦信号分别加载在所述激励线圈的所述上层线圈和所述下层线圈；
S3：所述磁场传感器拾取垂直于被测结构表面方向的磁场，所述磁场传感器将磁场信号转化为电信号，所述电信号被称作监测信号Bz；
S4：将所述信号发生器产生的初始相位为0°的正弦信号作为参考信号，对S3中所述磁场传感器得到的所述监测信号Bz进行锁相放大处理，得到所述监测信号Bz的幅值F和相位P；
S5：通过S4中得到的所述监测信号Bz的幅值F和相位P，进而计算裂纹的角度A＝P-P0和裂纹的危险系数A＝(F-F0)/F0，其中P0为角度为0°裂纹监测信号Bz的相位，F0为没有裂纹位置监测信号Bz的幅值。
进一步的，所述上层线圈和所述下层线圈都由两个对称的矩形线圈组成，同层的两个所述矩形线圈接同一个正弦信号，同层的两个所述矩形线圈绕向相反，其他参数一致。
进一步的，将所述监测探头中所述激励线圈的中心安装在角度为0°裂纹的端点位置，得到监测信号Bz的相位为P0。
进一步的，利用监测探头对结构无缺陷位置进行监测，得到监测信号Bz的相位为F0。
与现有技术相比，本申请实施例所提出的技术方案的有益技术效果包括：
该方法通过在正交的两个激励线圈上分别通相位相差90°的正弦信号，被测结构上感应出随时间成周期性变化的旋转电磁场，对任意方向裂纹都具有相同的灵敏度；提取垂直于被测结构表面的磁场信号，采用锁相放大的方法获取监测信号的幅值和相位，通过幅值来表征裂纹的危险程度，通过相位来表征裂纹的角度，测量精度高，一个传感器就可以获取裂纹的方向和拓展信息，降低了监测探头的制作难度和成本。
附图说明
图1为本申请实施例中结构表面裂纹监测原理图
图2为本申请实施例中激励线圈图，其中图2(a)为上层线圈，图2(b)为下层线圈
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。
实施例一
如图1所示，监测系统主要包括信号发生器、监测探头、被监测结构和锁相放大器，信号发生器产生频率和幅值相等，初始相位分别为0°和90°的2路正弦信号，正弦信号分别加载在激励线圈的上层线圈和下层线圈，激励线圈将在被测结构上感应出随时间成周期性变化的旋转电磁场，相对于常规涡流检测感应出的螺旋形的感应电磁场，旋转电磁场为旋转的均匀场，对任意方向的裂纹都具有相同的检测灵敏度。
进一步的，如图2所示，上层线圈和下层线圈都由两个矩形线圈组成，矩形线圈对称分布，绕向相反，同时矩形线圈的外部接头为激励信号的输入，内部接头为地线，同层的两个矩形线圈接相同的正弦信号，因此两个矩形线圈的电流绕向相反，这样使得两个矩形线圈的中间位置产生均匀的电磁场，上层线圈和下层线圈正交式分布，使得均匀电磁场在空间上旋转起来。
实施例二
信号发生器产生10kHz，5V的初始相位分别为0°和90°的2路正弦信号，两路正弦信号分别加载在激励线圈的上层线圈和下层线圈，激励线圈在被测结构上感应出空间中随时间成周期性旋转的感应电磁场，当有裂纹存在时，感应电磁场将发生扰动，磁场传感器位于激励线圈的中心位置，磁场传感器将拾取垂直于被测结构表面方向的磁场，然后将其转化为电信号Bz。将初始相位为0°的正弦信号作为参考信号，Bz作为输入信号进行锁相放大处理，得到Bz的幅值F＝50mV和相位P＝136°。
进一步的，在正式监测之前，对没有缺陷位置的进行监测，得到Bz的幅值为F0＝30mV。在正式监测之前，对长6mm长，深1mm，宽0.2mm和角度为0°的裂纹进行监测，将监测探头放置于被测裂纹的上边，裂纹的端点放置于激励线圈的中心位置，得到监测信号Bz的幅值40mV和相位P0＝38°，计算危险系数为0.2。
进一步的，根据监测信号和提前对没有缺陷位置、裂纹上得到的缺陷信号，计算危险系数A＝(F-F0)/F0＝(50-30)/30＝0.67，裂纹的角度A＝P-P0＝136°-38°＝98°，得到裂纹的角度为98°，危险系数为0.67，因为长6mm长，深1mm，宽0.2mm的裂纹危险系数为0.33，危险系数越大，代表裂纹的尺寸越大，裂纹对结构的影响越大，因此初步判断裂纹对结构安全性的影响大于长6mm长，深1mm，宽0.2mm的裂纹，并且沿着98°方向上拓展。
实施例三
按照实施案例二的步骤，根据结构安全检测的需求，可以一直运行监测系统，实时对被测结构的关键位置进行监测，也可以根据工业设备的检测周期进行监测，每隔一段时间运行监测系统，采集被测结构的关键位置的裂纹信息。
以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种旋转电磁场结构表面裂纹监测方法，其步骤包括：
S1：将监测探头安装在被测结构关键位置的表面，所述监测探头包括激励线圈和磁场传感器，所述激励线圈由两个正交式分布的上层线圈和下层线圈组成，所述磁场传感器安装在所述激励线圈的中间位置；
S2：信号发生器产生频率和幅值相等、初始相位相差90°的2路正弦信号，所述2路正弦信号分别加载在所述激励线圈的所述上层线圈和所述下层线圈；
S3：所述磁场传感器拾取垂直于被测结构表面方向的磁场，所述磁场传感器将磁场信号转化为电信号，所述电信号被称作监测信号Bz；
S4：将所述信号发生器产生的2路正弦信号的任一路作为参考信号，对S3中所述磁场传感器得到的所述监测信号Bz进行锁相放大处理，得到所述监测信号Bz的幅值F和相位P；
S5：通过S4中得到的所述监测信号Bz的幅值F和相位P，进而计算裂纹的角度A＝P-P0和裂纹的危险系数A＝(F-F0)/F0，其中P0为角度为0°裂纹监测信号Bz的相位，F0为没有裂纹位置监测信号Bz的幅值；
其中，所述上层线圈和所述下层线圈都由两个对称的矩形线圈组成，同层的两个所述矩形线圈接同一个正弦信号，同层的两个所述矩形线圈绕向相反，其他参数一致；
将所述监测探头中所述激励线圈的中心安装在角度为0°裂纹的端点位置，得到监测信号Bz的相位为P0；
利用监测探头对结构无缺陷位置进行监测，得到监测信号Bz的幅值为F0。
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