CN113552211A - 一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法 - Google Patents

一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，属于导电材料的涡流无损检测技术领域，包括以下步骤：S1：构建环形空芯线圈探头；S2：引入各向异性导电媒质并确定各向异性电导率值；S3：通过改变电导率张量角调控空间磁场的分布形态；S4：提取裂纹缺陷的特征信号；S5：裂纹方向的判定及识别。本发明具有非接触、非介入、自动化程度高的特点，通过获取并分析涡流探头的原位检测信号，利用笛卡尔坐标表示法即可全面、准确地判定被测结构中的裂纹方向，实现裂纹方向的原位识别，对于实际工程应用，尤其对于那些要求快速检测并识别缺陷方向的技术而言，无疑是一大进步，值得被推广使用。

Description

一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法
技术领域
本发明涉及导电材料的涡流无损检测技术领域，具体涉及一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法。
背景技术
结构在长期服役过程中因受到疲劳载荷、腐蚀、冲击及高温等环境因素的作用，易产生各种类型的缺陷，裂纹是其中最常见、危害性最大的缺陷之一。此外，结构在制造过程中也易产生裂纹，如焊接过程中出现的冷裂纹。由于裂纹具有显著的方向性，且不同方向的裂纹对结构的危害程度也各异，当结构承载与裂纹方向垂直时，危害性最大，此时结构极易断裂，造成严重后果。因此，检测并识别结构中的裂纹缺陷及方向，对于预测结构寿命、维修或更换缺陷部件，保证结构安全具有重要的意义。
涡流检测作为一种成熟的无损检测技术已研究和发展多年，在众多工程领域的导电材料结构中得到了广泛应用，并取得了很多重要的研究成果。结构损伤通常表现为材料导电性能的变化，如裂纹损伤使构件局部导电能力发生变化，当涡流探头从无缺陷区域移动到损伤区域时，损伤引起的材料局部电学性能变化能够被涡流探头感知。这种因缺陷引起的探头信号变化量包含丰富的缺陷信息，如缺陷位置、形状、大小及方向等。传统的涡流探头产生周向均匀分布的空间磁场，导致被测结构中的涡流场也均匀分布，这种均匀分布的涡流场对裂纹方向的敏感度极低，必须在涡流探头扫描完整个构件后才能确定裂纹方向。
目前，涡流检测技术用于确定被测对象中的裂纹方向主要通过调理矩形线圈探头的激励源信号，使之直接产生伪旋转磁场。这种方法局限于涡流探头线圈呈矩形形状，若用于激励源的线圈为圆形或不具有明显方向性的形状，则该方法不适用，无法产生具有方向性的旋转磁场，因此被测结构中的感应电磁场也不具有方向性，使得裂纹方向的原位检测十分困难。为此，提出一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的矩形涡流线圈探头对裂纹方向识别的不足，提供了一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，该方法利用各向异性导电媒质的各向异性电学特性调控空芯环形线圈产生的周向均匀分布的空间磁场，通过改变各向异性导电媒质的面内角度或电导率张量角θ得到旋转的空间磁场，各向异性导电媒质的引入扩展了被测结构中裂纹方向识别的手段，减少了矩形激励线圈(十字型探头，用于产生合成的伪旋转磁场)的个数，同时避免了采用收-发式涡流探头，大大减少了传感器的数量。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：构建环形空芯线圈探头
建立竖直放置的环形空芯线圈探头，即涡流探头，环形空芯线圈探头的下端面与被测对象上端面之间预留间隙；
S2：引入各向异性导电媒质并确定各向异性电导率值
在竖直放置的环形空芯线圈和被测对象之间插入各向异性导电媒质，各向异性导电媒质的电导率呈对称矩阵形式(即diag(σx、σy、σz))；
S3：通过改变电导率张量角调控空间磁场的分布形态
为达到调控空间磁场分布形态，在水平面内旋转引入的各向异性导电媒质(旋转角度即电导率张量角θ)；
S4：提取裂纹缺陷的特征信号
以被测对象无缺陷区域的探头检测信号为基准，提取裂纹缺陷的特征信号；
S5：裂纹方向的判定识别
根据涡流探头在不同情况下得到的检测信号计算由裂纹损伤引起的缺陷信号变化量，通过比较缺陷信号变化量分析识别裂纹损伤的方向。
更进一步地，在所述步骤S1中，所述环形空芯线圈探头产生环形分布的空间磁场，并同时感知由被测对象的缺陷引起的变化磁场。
更进一步地，在所述步骤S2中，所述各向异性导电媒质为水平设置的平板形(长方体形、正方体形或圆板形均可)各向异性导电板。
更进一步地，在所述步骤S2中，所述环形空芯线圈外径尺寸的1.8倍小于所述各向异性导电板的中心线长度。
更进一步地，在所述步骤S3中，建立两轴坐标系，其中x、y轴均在水平面上，坐标系原点在环形空芯线圈探头的轴线上。
更进一步地，在所述步骤S4中，利用原位测量方式获得电导率张量角θ变化时被测对象上的涡流探头检测信号。
更进一步地，在所述步骤S5中，缺陷信号变化量计算公式如下：
ΔV(θ)＝V损伤(θ)-V无损
其中，V损伤(θ)是涡流探头在损伤区域不同张量角θ下得到的检测信号，V无损为无缺陷区域的检测信号。
更进一步地，在所述步骤S5中，ΔV(θ)最大值对应的角度θ即为裂纹方向，最小值对应的角度θ则与裂纹方向垂直。
本发明相比现有技术具有以下优点：该基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，具有非接触、非介入、自动化程度高的特点，通过获取并分析涡流探头的原位检测信号，利用笛卡尔坐标表示法即可全面、准确地判定被测结构中的裂纹方向，实现裂纹方向的原位识别，对于实际工程应用，尤其对于那些要求快速检测并识别缺陷方向的技术而言，无疑是一大进步，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例中的流程示意图；
图2a是本发明实施例中识别裂纹方向的涡流检测示意图；
图2b是图2a的俯视示意图；
图3是本发明实施例中没有引入各向异性导电媒质的空间磁场分布示意图；
图4是本发明实施例中电导率张量角θ在不同角度时的空间磁场分布示意图；
图5是本发明实施例中无裂纹损伤时被测结构中的涡流分布示意图；
图6是本发明实施例中有裂纹损伤时被测结构中的涡流分布示意图；
图7a是本发明实施例中引入各向异性导电媒质前后电导率张量角θ变化时的涡流探头检测信号示意图；
图7b是本发明实施例中以线圈2分别沿y＝0和x＝0方向的直线扫描结果示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，该方法采用竖直放置的环形空芯线圈探头，用于激发环形空间磁场，创新性地利用并在涡流探头与被测对象中间引入具有各向异性电学特性的导电媒质，达到调整与控制激励源产生的环形磁场的作用，结合特征参数提取与信号处理手段得到不同电导率张量角θ对应的探头检测信号，能够准确有效地实现裂纹方向的判定及识别，检测速度快，结果清晰、可靠、直观易懂，包括以下步骤：
步骤一：构建环形空芯线圈探头
在涡流检测系统中，构建一种竖直放置的环形空芯线圈探头(涡流探头1)，用于产生环形分布的空间磁场，同时用于感知由缺陷引起的变化磁场，且探头线圈外径尺寸的1.8倍需小于各向异性导电板的中心线长度，探头提离(线圈下表面至被测对象上表面的距离)小于1mm。如图2所示，以线圈1(内径14mm、外径16mm、高度21mm)为例，线圈1即涡流探头，也即上述的环形空芯线圈探头，其外径16mm小于插入的各向异性导电媒质(各向异性导电板3)上的边长a＝40mm。由于导体的趋肤效应，涡流场在各处的强度不同，周向涡流范围与激励线圈的外径呈固定比例关系，因此激励线圈的外径确定后涡流范围也就确定了，且在线圈外径处的电流密度最大，1.8倍外径处的涡流密度(电流密度)已衰减到最大值的5％。为了使引入的各向异性导电媒质能够实现对空间磁场的调控，使环形空芯线圈产生的磁场具有显著的方向特性，上述关系在实施过程中必须得到保证。
在图2中，各向同性导电板2即为被检测对象，其边长为b＝100mm。
步骤二：引入各向异性导电媒质、确定各向异性电导率值
在图2检测示意图中，若不考虑引入的各向异性导电媒质(即电导率为0)，则激励源产生的空间电磁场分布形态如图3所示。这种周向均匀分布的电磁场不具有方向性，因此无法实现裂纹方向的原位检测及判定。为使环形空芯线圈探头激励的空间磁场具备显著的方向特性，以图2中的配置和参数为例，在竖直放置的环形空芯线圈探头与被测对象之间引入各向异性导电媒质，且导电媒质呈强电各向异性，也就是各向异性导电媒质的电导率张量为对称矩阵结构。
在步骤一和步骤二中，涡流探头的提离距离和各向异性导电媒质结构的厚度需要保证在一定范围内，目的在于：探头提离过大会导致空间磁场衰减严重，使得被测对象中的感应电磁场很弱；引入的各向异性导电结构的厚度限制同样是为避免空间磁场的过度衰减；竖直放置的环形空芯线圈是为了产生周向均匀分布的空间磁场，其外径尺寸的1.8倍必须小于各向异性导电媒质的中心线长度。
步骤三：通过改变电导率张量角θ调控空间磁场的分布形态
为达到调控空间磁场分布形态，需在xy面内旋转引入的各向异性导电媒质(旋转角度即电导率张量角θ)。通过理论改变媒质的电导率张量角θ或实际旋转各向异性导电媒质，达到旋转空间磁场的目的，空间磁场旋转分布如图4所示。当空间磁场具有显著的方向特性时，被测结构中感应的涡流场也具有明显的方向特性。图5所示为被测结构(被测对象)中不含缺陷时电导率张量角θ变化情况下的涡流密度分布形态，图6则为相同情况下被测结构(被测对象)中含裂纹缺陷时的涡流密度分布形态。
步骤四：以被测对象无缺陷区域的探头检测信号为基准，提取裂纹缺陷的特征信号
在步骤一、二、三的基础上，利用原位测量方式获得电导率张量角θ变化时被测对象上的涡流探头检测信号，以被测结构中心点(x＝y＝0)上探头原位检测结果为例，如图7a所示；以线圈2(内径1.2mm、外径3.2mm、高度0.8mm)分别沿y＝0和x＝0方向的直线扫描结果为例，如图7(b)所示。
步骤五：裂纹方向的判定及识别。根据涡流探头在不同情况下得到的检测信号计算由裂纹损伤引起的信号变化量：ΔV(θ)＝V损伤(θ)-V无损，V损伤(θ)是涡流探头在损伤区域不同张量角θ下得到的检测信号，V无损为无缺陷区域的检测信号。通过比较缺陷信号变化量ΔV(θ)分析裂纹损伤的方向，ΔV(θ)最大值对应的角度θ即为裂纹方向，最小值对应的角度θ则与裂纹方向垂直。结合图7a和图7b即可判定本实施例中被测结构中的裂纹方向为90°。
综上所述，上述实施例的基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，包括构建环形空芯线圈探头、引入各向异性导电媒质、旋转各向异性导电媒质或改变导电媒质的电导率张量角θ、提取裂纹缺陷的特征信号、判定并识别裂纹方向几个步骤；其中，涡流探头由单个环形空芯线圈构成，既用作激励源产生空间磁场，也作为传感部件感知由缺陷引起的变化磁场；利用各向异性导电媒质的各向异性电学特性可改变周向均匀分布的空间磁场，使其具有方向性，通过旋转各向异性导电媒质(即改变导电媒质的电导率张量角θ)实现空间磁场的旋转特性；以被测结构无损伤区域的探头检测信号为基准，提取旋转磁场下的损伤区域探头检测信号，利用合理的信号处理方法，获得由缺陷引起的探头信号变化量；根据信号变化量大小与旋转磁场的角度关系判定裂纹方向信息。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建环形空芯线圈探头
建立竖直放置的环形空芯线圈探头，即涡流探头，环形空芯线圈探头的下端面与被测对象上端面之间预留间隙；
S2：引入各向异性导电媒质并确定各向异性电导率值
在竖直放置的环形空芯线圈和被测对象之间插入各向异性导电媒质，各向异性导电媒质的电导率呈对称矩阵形式；
S3：通过改变电导率张量角调控空间磁场的分布形态
为达到调控空间磁场分布形态，在水平面内旋转引入的各向异性导电媒质，旋转角度即电导率张量角θ；
S4：提取裂纹缺陷的特征信号
以被测对象无缺陷区域的探头检测信号为基准，提取裂纹缺陷的特征信号；
S5：裂纹方向的判定及识别
根据涡流探头在不同情况下得到的检测信号计算由裂纹损伤引起的缺陷信号变化量，通过比较缺陷信号变化量分析识别裂纹损伤的方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述环形空芯线圈探头产生环形分布的空间磁场，并同时感知由被测对象的缺陷引起的变化磁场。
3.根据权利要求1所述的一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述各向异性导电媒质为水平设置的平板形各向异性导电板。
4.根据权利要求3所述的一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述环形空芯线圈外径尺寸的1.8倍小于所述各向异性导电板的中心线长度。
5.根据权利要求4所述的一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于：在所述步骤S3中，建立两轴坐标系，其中x、y轴均在水平面上，坐标系原点在环形空芯线圈探头的轴线上。
6.根据权利要求5所述的一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于：在所述步骤S4中，利用原位测量方式获得电导率张量角θ变化时被测对象上的涡流探头检测信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于：在所述步骤S5中，缺陷信号变化量计算公式如下：
ΔV(θ)＝V损伤(θ)-V无损
其中，V损伤(θ)是涡流探头在损伤区域不同张量角θ下得到的检测信号，V无损为无缺陷区域的检测信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于各向异性导电媒质磁场调控的裂纹方向识别方法，其特征在于：在所述步骤S5中，ΔV(θ)最大值对应的角度θ即为裂纹方向，最小值对应的角度θ则与裂纹方向垂直。
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