CN113640369A - 适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，包括以下步骤：预设建立缺陷样品的B_z ^max计算公式和拟合的B_z ^max磁特性曲面，将ACFM探头以预设速度扫描未知裂纹，得到未知裂纹的B_z信号及其峰值B_z ^max、B_z信号峰谷之间的距离l、B_x信号及其背景信号B_x ^b，将上述代入B_z ^max磁特性曲面中，构建等效半径与裂纹长度的R‑L关系曲线和B_x背景磁信号与提离距离的B_x ^b‑lo关系曲线，求得在提离距离lo和固定提离距离lo^f下的B_z ^max的比值，进而求得提离距离lo下的B_z ^max‑D曲线，最终求得裂纹的长度和裂纹的深度。该方法可以在保证精度的前提下，实现任意提离距离缺陷的量化评估。

Description

适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法

技术领域

本发明涉及电磁无损检测技术领域，特别涉及一种适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法。

背景技术

交流电磁场检测(Alternating current field measurement，ACFM)是一种较新的电磁无损检测技术。如图1所示，ACFM是在U型轭的线圈上通入交流电流，U型轭会在其两腿之间的金属表面上激励出大小方向一致的感应电流。当感应电流遇到裂纹时，电流会在缺陷的两端发生绕流，在缺陷的中间沿缺陷的深度方向向下流动。与之相对应的是，在U型轭两腿之间的磁传感器接收的x方向的Bx信号和z方向的Bz信号产生扰动。ACFM就是利用z轴Bz磁信号峰谷之间的距离确定裂纹的长度，利用x轴Bx磁信号幅值差值确定裂纹的深度。

提离距离是指检测传感器与检测工件表面的距离。在实际检测中，由于在恶劣工作环境中存在腐蚀、检测工件表面不规则、检测过程中探头抖动等因素，很难保持提离距离固定，提离距离会发生改变。但现有的ACFM检测反演均是在固定提离距离的条件下进行的，提离距离改变会严重影响磁信号的强度，若利用固定提离距离下的反演算法会大大影响缺陷尺寸评估的精度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，该方法可以在保证精度的前提下，实现任意提离距离缺陷的量化评估。

为达到上述目的，本发明实施例提出了适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，包括以下步骤：步骤S1，加工与待测目标结构同等厚度、同等材质的含有不同长度L和不同深度D裂纹的缺陷样品；步骤S2，改变所述缺陷样品的提离距离lo1，分别提取每条裂纹的第一B_z1信号及其第一峰值B_z ^max1，根据所述第一峰值B_z ^max1求解每条裂纹的第一等效半径R1，并构建R-L关系曲线；步骤S3，改变所述缺陷样品的提离距离lo1，分别提取每条裂纹的第一B_x1信号及其第一背景信号B_x ^b1，以构建B_x ^b-lo关系曲线；步骤S4，在预设提离距离lo^f下，以所述缺陷样品的裂纹长度L和裂纹深度D作为自变量，将所述第一峰值B_z ^max1作为因变量，利用多项式拟合得到B_z ^max磁特性曲面；步骤S5，将ACFM探头以预设速度扫描所述待测目标结构的未知裂纹，得到所述未知裂纹的第二B_z2信号及其第二峰值B_z ^max2、第二B_z2信号峰谷之间的距离l、第二B_x2信号及其第二背景信号B_x ^b2，其中，所述第二B_z2信号峰谷之间的距离l即为所述未知裂纹的长度；步骤S6，将所述第二B_z2信号峰谷之间的距离l代替所述裂纹长度L带入所述B_z ^max2磁特性曲面中，得到1条提离距离为lo^f的以所述裂纹深度D为横坐标、以所述第一峰值B_z ^max1为纵坐标的B_z ^max_^s-D关系曲线；将所述第二B_z2信号峰谷之间的距离l代替所述裂纹长度L带入所述R-L关系曲线中，求解所述未知裂纹的第二等效半径R2；将所述第二背景信号B_x ^b2带入所述B_x ^b-lo关系曲线中，求解所述未知裂纹的检测提离距离lo2；步骤S7，将所述第二等效半径R2和所述检测提离距离lo2带入求解所述第一等效半径R1的公式中，并将该公式中裂纹深度D从0到所述缺陷样品的厚度以预设间隔逐渐增大，得到在所述检测提离距离lo2下的B_z ^max2；步骤S8，将所述第二等效半径R2和所述预设提离距离lo^f带入求解所述第一等效半径R1的公式中，并将该公式中裂纹深度D从0到所述缺陷样品的厚度以预设间隔逐渐增大，得到在所述预设提离距离lo^f下的B_z ^max；步骤S9，求解所述检测提离距离lo2下的B_z ^max2和所述预设提离距离lo^f下的B_z ^max的比值，并将所述比值与所述B_z ^max_s-D关系曲线中对应B_z ^max_s相乘，得到预测的B_z ^ma_xlo-D关系曲线；步骤S10，将所述第二峰值B_z ^max2代入B_z ^ma_xlo-D关系曲线中，查找与所述第二峰值B_z ^max2差值最小的位置点，提取所述位置点的横坐标即为所述未知裂纹的深度。

本发明实施例的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，通过提离效应补偿算法补偿了提离距离对检测信号的影响，能够在一次扫描的条件下，确定未知缺陷的位置并能准确反演裂纹缺陷的长度和深度尺寸，且实测裂纹缺陷的最大相对误差能够控制在10％以内，同时在保证精度的前提下，还可实现任意提离距离缺陷的量化评估。

另外，根据本发明上述实施例的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中求解每条裂纹的第一等效半径R的计算公式：

其中，B_z ^max1为第一峰值，

为电流环绕包络角，D为缺陷样品的裂纹深度，μ₀为真空磁导率，J_y ⁰为表面激励电流密度，e为自然底数，z为z坐标轴上坐标，f为激励频率，μ为磁导率，σ为电导率，ω为角频率ω＝2πf，r为r坐标轴上坐标，lo为提离距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中的R-L关系曲线为：

R1＝5.775+0.145L-0.005L²+6×10^-5L³

其中，R1为第一等效半径，L为缺陷样品的裂纹长度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3中B_x ^b-lo关系曲线为：

其中，

为第一背景信号，lo1为缺陷样品的提离距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S4中的B_z ^max磁特性曲面为：

其中，

为第一峰值，D为缺陷样品的裂纹深度，L为缺陷样品的裂纹长度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是ACFM检测原理示意图；

图2是本发明一个实施例的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法的流程图；

图3是本发明一个实施例的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法的具体执行示意图；

图4是本发明一个实施例的B_z1信号的第一峰值B_z ^max1的计算模型示意图；

图5是本发明一个实施例的R-L关系曲线示意图；

图6是本发明一个实施例的B_x ^b-lo关系曲线示意图；

图7是本发明一个实施例的B_z ^max磁特性曲面示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法。

图2是本发明一个实施例的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法的流程图。

图3是本发明一个实施例的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法的具体执行示意图。

如图2和3所示，该适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法包括以下步骤：

在步骤S1中，加工与待测目标结构同等厚度、同等材质的含有不同长度L和不同深度D裂纹的缺陷样品。

在步骤S2中，改变缺陷样品的提离距离lo1，分别提取每条裂纹的第一B_z1信号及其第一峰值B_z ^max1，根据第一峰值B_z ^max1求解每条裂纹的第一等效半径R1，并构建R-L关系曲线。

进一步地，如图4所示，求解每条裂纹的第一等效半径R1的计算公式：

其中，B_z ^max1为第一峰值，

为电流环绕包络角，D为缺陷样品的裂纹深度，μ₀为真空磁导率，J_y ⁰为表面激励电流密度，e为自然底数，z为图4中z坐标轴上坐标，f为激励频率，μ为磁导率，σ为电导率，ω为角频率ω＝2πf，r为图4中r坐标轴上坐标，lo1为提离距离。

进一步地，如图5所示，R-L关系曲线的表达式为：

R1＝5.775+0.145L-0.005L²+6×10^-5L³

其中，R1为第一等效半径，L为缺陷样品的裂纹长度。

在步骤S3中，改变缺陷样品的提离距离lo1，分别提取每条裂纹的第一B_x1信号及其第一背景信号B_x ^b1，以构建B_x ^b-lo关系曲线。

进一步地，如图6所示，B_x ^b-lo关系曲线的表达式为：

其中，

为第一背景信号，lo1为缺陷样品的提离距离。

在步骤S4中，在预设提离距离lo^f下，以缺陷样品的裂纹长度L和裂纹深度D作为自变量，将第一峰值B_z ^max1作为因变量，利用多项式拟合得到B_z ^max磁特性曲面。

进一步地，如图7所示，B_z ^max磁特性曲面为：

其中，

为第一峰值，D为缺陷样品的裂纹深度，L为缺陷样品的裂纹长度。

在步骤S5中，将ACFM探头以预设速度扫描待测目标结构的未知裂纹，得到未知裂纹的第二B_z2信号及其第二峰值B_z ^max2、第二B_z2信号峰谷之间的距离l、第二B_x2信号及其第二背景信号B_x ^b2，其中，第二B_z2信号峰谷之间的距离l即为未知裂纹的长度。

在步骤S6中，将第二B_z2信号峰谷之间的距离l代替裂纹长度L带入B_z ^max磁特性曲面中，得到1条提离距离为lo^f的以裂纹深度D为横坐标、以第一峰值B_z ^max1为纵坐标的B_z ^max_s-D关系曲线；将第二B_z2信号峰谷之间的距离l代替裂纹长度L带入R-L关系曲线中，求解未知裂纹的第二等效半径R2；将第二背景信号B_x ^b2带入B_x ^b-lo关系曲线中，求解未知裂纹的检测提离距离lo2。

其中，B_z ^max_s-D关系曲线的表达式为：

未知裂纹的第二等效半径R2的表达式为：

R2＝5.775+0.145l-0.005l²+6×10^-5l³；

未知裂纹的检测提离距离lo2的表达式为：

在步骤S7中，将第二等效半径R2和检测提离距离lo2带入求解第一等效半径R1的公式中，并将该公式中裂纹深度D从0到缺陷样品的厚度以预设间隔逐渐增大，得到在检测提离距离lo2下的B_z ^max2。

具体地，

其中，B_z ^max2为第二峰值，

为电流环绕包络角，D为缺陷样品的裂纹深度，μ₀为真空磁导率，J_y ⁰为表面激励电流密度，e为自然底数，z为图4中z坐标轴上坐标，f为激励频率，μ为磁导率，σ为电导率，ω为角频率ω＝2πf，r为图4中r坐标轴上坐标，lo2为S6求得的提离距离。

在步骤S8中，将第二等效半径R2和预设提离距离lo^f带入求解第一等效半径R1的公式中，并将该公式中裂纹深度D从0到缺陷样品的厚度以预设间隔逐渐增大，得到在预设提离距离lo^f下的B_z ^max。

具体地，

其中，B_z ^max为提离距离为lo^f下的峰值，

为电流环绕包络角，D为缺陷样品的裂纹深度，μ₀为真空磁导率，J_y ⁰为表面激励电流密度，e为自然底数，z为图4中z坐标轴上坐标，f为激励频率，μ为磁导率，σ为电导率，ω为角频率ω＝2πf，r为图4中r坐标轴上坐标，lo^f为预设的固定提离距离。

在步骤S9中，求解检测提离距离lo2下的B_z ^max2和预设提离距离lo^f下的B_z ^max的比值，并将比值与B_z ^max_s-D关系曲线中对应B_z ^max_s相乘，得到预测的B_z ^ma_xlo-D关系曲线。

具体地，

其中，

为预测的峰值，D为缺陷样品的裂纹深度，z为图4中z坐标轴上坐标，r为图4中r坐标轴上坐标，lo2为S6求得的提离距离，lo^f为预设的固定提离距离。

在步骤S10中，将第二峰值B_z ^max2代入B_z ^ma_xlo-D关系曲线中，查找与第二峰值B_z ^max差值最小的位置点，提取位置点的横坐标即为未知裂纹的深度。

举例而言，应用本发明实施例提出的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法。已知裂纹实际尺寸：长度L＝20mm，D＝5mm，lo＝5.50mm，根据实测的第一背景信号B_x ^b1和B_x ^b-lo关系曲线，求得预测的提离距离lo’＝5.62mm，实测长度l＝18.5mm，根据步骤S6-S10求得预测深度为5.22mm，进而提离距离、长度和深度误差分别为2.18％、7.50％和4.40％。

综上，本发明实施例提出的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，具有以下优点：

(1)通过提离效应补偿算法补偿了提离距离对检测信号的影响，能够在一次扫描的条件下，确定未知缺陷的位置并能准确反演裂纹缺陷的长度和深度尺寸，且实测裂纹缺陷的最大相对误差能够控制在10％以内，同时在保证精度的前提下，还可实现任意提离距离缺陷的量化评估；

(2)给出了B_z信号峰值B_z ^max的计算方法，只需确定相关参数便可以得到不同提离距离的B_z ^max理论值，只需确定相关参数便可以得到不同提离距离的B_z ^max理论值；

(3)能够求出检测结构的提离距离，在实际应用中，还可以求出包覆层的厚度；

(4)便于实现ACFM检测的智能化和可视化。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (5)

1.一种适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，加工与待测目标结构同等厚度、同等材质的含有不同长度L和不同深度D裂纹的缺陷样品；

步骤S2，改变所述缺陷样品的提离距离lo1，分别提取每条裂纹的第一B_z1信号及其第一峰值B_z ^max1，根据所述第一峰值B_z ^max1求解每条裂纹的第一等效半径R1，并构建R-L关系曲线；

步骤S3，改变所述缺陷样品的提离距离lo1，分别提取每条裂纹的第一B_x1信号及其第一背景信号B_x ^b1，以构建B_x ^b-lo关系曲线；

步骤S4，在预设提离距离lo^f下，以所述缺陷样品的裂纹长度L和裂纹深度D作为自变量，将所述第一峰值B_z ^max1作为因变量，利用多项式拟合得到B_z ^max磁特性曲面；

步骤S5，将ACFM探头以预设速度扫描所述待测目标结构的未知裂纹，得到所述未知裂纹的第二B_z2信号及其第二峰值B_z ^max2、第二B_z2信号峰谷之间的距离l、第二B_x2信号及其第二背景信号B_x ^b2，其中，所述第二B_z2信号峰谷之间的距离l即为所述未知裂纹的长度；

步骤S6，将所述第二B_z2信号峰谷之间的距离l代替所述裂纹长度L带入所述B_z ^max2磁特性曲面中，得到1条提离距离为lo^f的以所述裂纹深度D为横坐标、以所述第一峰值B_z ^max1为纵坐标的B_z ^max_s-D关系曲线；将所述第二B_z2信号峰谷之间的距离l代替所述裂纹长度L带入所述R-L关系曲线中，求解所述未知裂纹的第二等效半径R2；将所述第二背景信号B_x ^b2带入所述B_x ^b-lo关系曲线中，求解所述未知裂纹的检测提离距离lo2；

步骤S7，将所述第二等效半径R2和所述检测提离距离lo2带入求解所述第一等效半径R1的公式中，并将该公式中裂纹深度D从0到所述缺陷样品的厚度以预设间隔逐渐增大，得到在所述检测提离距离lo2下的B_z ^max2；

步骤S8，将所述第二等效半径R2和所述预设提离距离lo^f带入求解所述第一等效半径R1的公式中，并将该公式中裂纹深度D从0到所述缺陷样品的厚度以预设间隔逐渐增大，得到在所述预设提离距离lo^f下的B_z ^max；

步骤S9，求解所述检测提离距离lo2下的B_z ^max2和所述预设提离距离lo^f下的B_z ^max的比值，并将所述比值与所述B_z ^max_s-D关系曲线中对应B_z ^max_s相乘，得到预测的B_z ^ma_xlo-D关系曲线；

步骤S10，将所述第二峰值B_z ^max2代入B_z ^ma_xlo-D关系曲线中，查找与所述第二峰值B_z ^max2差值最小的位置点，提取所述位置点的横坐标即为所述未知裂纹的深度。

2.根据权利要求1所述的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，其特征在于，所述步骤S2中求解每条裂纹的第一等效半径R的计算公式：

其中，B_z ^max1为第一峰值，

为电流环绕包络角，D为缺陷样品的裂纹深度，μ₀为真空磁导率，J_y ⁰为表面激励电流密度，e为自然底数，z为z坐标轴上坐标，f为激励频率，μ为磁导率，σ为电导率，ω为角频率ω＝2πf，r为r坐标轴上坐标，lo为提离距离。

3.根据权利要求1所述的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，其特征在于，所述步骤S2中的R-L关系曲线为：

R1＝5.775+0.145L-0.005L²+6×10^-5L³

其中，R1为第一等效半径，L为缺陷样品的裂纹长度。

4.根据权利要求1所述的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中B_x ^b-lo关系曲线为：

其中，

为第一背景信号，lo1为缺陷样品的提离距离。

5.根据权利要求1所述的适用于金属表面裂纹的交流电磁场提离效应补偿方法，其特征在于，所述步骤S4中的B_z ^max磁特性曲面为：

其中，

为第一峰值，D为缺陷样品的裂纹深度，L为缺陷样品的裂纹长度。

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