CN114002316B - 一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法，其具体步骤：1、建立评估模型；2、开启信号发生器，测试系统进入工作模式；3、将被测物体表面先划分为多个检测区域；根据具体需求向外逐渐移动磁场传感器；同一区域，探头旋转90度再次检测一遍；4、采用步骤3同样操作方法，完成被测物体表面其他检测区域表面感应涡流磁场的获取；5、根据需要，将得到的信号经过放大、滤波和模数转换等操作，完成各参数的定量评估；其优点在于，实现金属板表面缺陷的定量化评估；通过检测缺陷附近空间区域内多维感应涡流磁场，并将检测值转换为曲线图进行分析，可获得缺陷形状、长度、深度与周围磁场分量间的量值关系，从而提高缺陷检测精细度。
Description
技术领域
本发明属于材料表面物理特性表征领域，具体涉及一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法。
背景技术
金属材质在工业中各个领域有着广泛的应用，由于长期的使用以及一些不可避免的自然因素，金属材质表面往往易受到外界的腐蚀和破坏而产生缺陷。因此，对产品进行周期性的检查以确保其完整性具有重要的意义。
无损检测技术是在不破坏机体基础上，通过对材料物理特性所引发的改变进行分析和处理以实现缺陷的检测，其性能各有优劣。以漏磁检测技术为例，当铁磁材料被磁化后，表面会因存在缺陷而产生漏磁场，通过检测漏磁场的变化便可近一步得到缺陷的具体信息。漏磁检测灵敏度较高，检测速度快，并且成本低，在一定程度上得到了广泛的应用。但该种检测方法也有自身的缺点，由于永久磁化和直流磁化在检测完成后需进行退磁，所以操作步骤相对较为繁琐，不适合用于大量的检测。此外，运用较多的还有超声波检测，超声波检测因易产生杂乱反射波而较难应用，要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测，也具有一定的局限性。
目前，为了解决漏磁检测和超声波检测工艺复杂的问题，采用基于电磁感应原理的检测方法，可以尽量避免上述检测技术的局限性。涡流检测是基于电磁感应原理的无损伤检测方法之一，主要适用于导电材料的表面和近表面的检测。它通过检测被测物体内感生涡流的变化情况，从而实施材料物理性能的无损评定或探测其内部缺陷。涡流检测无需耦合介质，检测速度快，操作步骤容易，并且灵敏度高，与其它检测技术相比具有较为明显的优越性。阻抗分析法是涡流检测中应用非常广泛的一种分析方法，它是以分析涡流效应引起检测线圈的阻抗及相位变化之间的密切关系为基础，从而鉴别出影响因素效应的一种分析手段。然而，它的缺点也不容小觑，例如干扰因素多，提离效应大，尤其对于传统的阻抗分析法，往往只能判断出是否存在缺陷，而对于缺陷的具体信息，比如长度、大小、位置等则难以判断。此外，以线圈感应电压或阻抗值作为检测对象，其属于区域检测，往往容易出现漏检，不适合微小缺陷的探测。反映缺陷状态的特征参数之间存在相互干扰，不具有唯一的映射关系，其信号之间的解耦往往带来较大的成本和工作量。由此可见，涡流检测若仍然采用以上传统检测手段已不能满足工业检测缺陷的需求，必须在已有技术的基础上不断实施创新。
发明内容
本发明的目的在于提供一种感应涡流磁场的分析与检测方法，实现金属板表面缺陷的定量化评估；通过检测缺陷附近空间区域内多维感应涡流磁场，并将检测值转换为曲线图进行分析比较，可以获得缺陷形状、长度、深度与周围磁场分量间的量值关系，从而提高缺陷检测精细度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供的一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法，该方法的具体步骤为：
步骤1）、首先，根据被测物体的相关物理及几何参数，建立x-Bx曲线形状数据库以及裂纹深度、长度评估模型；
步骤2）、开启信号发生器，使其产生稳定的正弦交流电，测试系统进入正常工作模式；
步骤3）、将被测物体表面预先划分为多个检测区域，并按顺序编号；将探头移至检测区域，保持探头整体不动，根据具体需求向外逐渐移动磁场传感器，使其能够检测到探头附近区域完整的信息；同一区域，需要将探头旋转90度再次检测一遍；
步骤4）、按照计划好的检测规划，采用步骤3同样操作方法，完成被测物体表面其他检测区域表面感应涡流磁场的获取；
步骤5）、根据研究需要，将得到的信号经过放大、滤波和模数转换等一系列操作，并将经过处理后的信号与预置于上位机系统中的评估模型进行对比、识别，最终完成各参数的定量评估。
作为本发明的进一步技术方案，所述步骤2中的信号发生器，其为铝板表面缺陷定量评估测试装置的一部分，所述铝板表面缺陷定量评估测试装置依次由信号发生器、探头、信号放大滤波电路、数据采集电路以及上位机组成。
作为本发明的进一步技术方案，所述步骤3中所述的探头中包括线圈（1），线圈（1）按照顺时针方向竖直缠绕在线圈骨架（2）上，线圈骨架（2）的长、宽、高分别为30mm、20mm、20mm，并在线圈（1）中通以1A， 2kHZ的电流,线圈（1）匝数为1000匝；线圈（1）下方为尼龙隔离层（5），电路板（4）一端依次并列放置四个磁场传感器（3），电路板（4）上同时设有信号接口电路，用于线圈（1）、磁场传感器（3）、电源与外部器件的连接，电路板（4）设计为可向外拉动式；电路板（4）下方设有尼龙保护层（6）。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、通过探头检测铝板缺陷附近空间区域内多维感应涡流磁场，并将检测值转换为曲线图进行分析比较，可以获得缺陷形状、长度、深度与周围磁场分量间的量值关系，从而达到缺陷检测精细度提高的目的，由于缺陷形状、长度和深度所对应的磁场特征量之间相互独立、互不干扰，因此利用该方法可以建立缺陷几何参数与特征量相互独立的映射关系，检测精度更高。
2、探头中的尼龙隔离层，用于隔离上层线圈与下层电路板，此层起到绝缘作用；电路板中并列依次放置四个磁场传感器，用于检测磁场的变化情况并将其转换为电信号；电路板设计为可向外拉动式，为了方便测量并提高缺陷检测的效率，这样可以保证在线圈位置不变的情况，测量一定区域范围内的磁场分布；电路板下方为尼龙保护层，用于保护探头结构，避免了探头与铝板的直接接触，并且提供固定、稳定不变的提离高度；将线圈与磁场传感器设计为可分离式结构，既可以使同一传感器搭配不同结构和参数的线圈，提高了磁场传感器的利用率，又可以非常便捷的增减传感器个数，以适应不同精度检测的需要。
附图说明
图1是本发明中金属铝板的缺陷类型图；
图2是本发明中不同形状缺陷作用下的磁场分布图；
图3是本发明中不同长度裂纹作用下的磁场分布图；
图4是本发明中不同长度裂纹作用下的磁场分布图；
图5是本发明中不同深度裂纹作用下的磁场分布图；
图6是本发明中波谷位置处Bx和裂纹深度的拟合曲线图；
图7是本发明的探头结构示意图；
图8是板表面缺陷定量评估示意图。
图中，1、线圈；2、线圈骨架；3、磁传感器；4、电路板；5、尼龙隔离层；6、尼龙保护层。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
参见图1至图3，本发明提供的一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法，该方法的具体步骤为：
步骤1）、首先，根据被测物体的相关物理及几何参数，建立x-Bx曲线形状数据库以及裂纹深度、长度评估模型；
所述步骤1）中，具体的操作包括对缺陷表面形状的评估、对裂纹长度的定量评估以及对裂纹深度的定量评估。
步骤2）、开启信号发生器，使其产生稳定的正弦交流电，测试系统进入正常工作模式；
步骤2中的信号发生器，其为铝板表面缺陷定量评估测试装置的一部分，所述铝板表面缺陷定量评估测试装置依次由信号发生器、探头、信号放大滤波电路、数据采集电路以及上位机组成；
如图8所示，图8所示为金属铝板表面缺陷定量评估测试装置的示意图，测试装置由以下几个部分组成：
信号发生器：为激励线圈提供正弦交流电，使探头能够正常工作。
探头：主要由矩形激励线圈和磁性传感器组成（具体结构见图7）。其中线圈用于产生交流磁场信号，磁性传感器用于检测并得到磁场信号。
信号放大滤波电路：由于实际情况中，传感器检测到的磁场信号较为微弱，且存在其它因素的干扰，难以准确对数据进行分析处理，所以在传感器接收到信号后应添加该放大滤波模块，滤除干扰并放大所需信号。
数据采集电路：该单元为模数转换，将得到的模拟信号转换为离散的数字信号，并传送至上位机，便于后续分析、处理。
上位机：本部分的功能可以归结为三项。第一，根据测量结果得到的x-Bx曲线，通过对比缺陷形状数据库，从而判断被测物体表面缺陷的形状。第二，根据测量得到的Bz波峰（或波谷）所对应的位置坐标值x，代入数值计算所得的拟合曲线方程，实现裂纹长度的定量评估。第三，裂纹深度的定量评估，可以综合测量得到的Bx和Bz值实现。根据Bx波谷深度与裂纹深度的定量关系，或者Bz波峰值与裂纹深度的定量关系，系统将自动反推算出裂纹的深度；
步骤3）、将被测物体表面预先划分为多个检测区域，并按顺序编号；将探头移至检测区域，保持探头整体不动，根据具体需求向外逐渐移动磁场传感器，使其能够检测到探头附近区域完整的信息；同一区域，需要将探头旋转90度再次检测一遍；
如图7所示，图7为探头的具体结构，探头中包括线圈1，线圈1按照顺时针方向竖直缠绕在线圈骨架（2）上，线圈骨架（2）的长、宽、高分别为30mm、20mm、20mm，并在线圈1中通以1A， 2kHZ的电流,线圈1匝数为1000匝；线圈1下方为尼龙隔离层5，电路板4一端依次并列放置四个磁场传感器3，电路板4上同时设有信号接口电路，用于线圈1、磁场传感器3、电源与外部器件的连接，电路板4设计为可向外拉动式；电路板4下方设有尼龙保护层6；
步骤4）、按照计划好的检测规划，采用步骤3同样操作方法，完成被测物体表面其他检测区域表面感应涡流磁场的获取；
步骤5）、根据研究需要，将得到的信号经过放大、滤波和模数转换等一系列操作，并将经过处理后的信号与预置于上位机系统中的评估模型进行对比、识别，最终完成各参数的定量评估。
在实际应用中，需要通过缺陷表面形状的评估、裂纹长度的定量评估以及裂纹深度的定量评估这三组实验进行准确判定分析。
下面通过具体实验来说明：
（1）缺陷表面形状的评估
由于自然条件下金属材质表面缺陷的形状具有多样性，因此在实际工程应用中，可将其大致分为两种类型：一，受外力的作用而产生长度方向的缺陷，即裂纹；二，因自然因素（如氧化等）在表面产生斑点，即腐蚀孔。针对这两类情况，有必要对金属表面缺陷的形状展开研究，从而进一步分析缺陷产生的原因及形成机理。
通过分析缺陷附近空间感应涡流磁场的变化情况，并将结果与无缺陷情况下磁场的分布进行对比，即可实现裂纹形状的评估。
为了便于研究，金属材质采用300*300*3mm³的铝板，在金属铝板正中央有缺陷（这里分别研究裂纹与腐蚀孔两种类型）；考虑到缺陷的类型较少，并且矩形裂纹与腐蚀圆孔的形状差异较大，为了便于精确了解缺陷形状对磁场影响的规律；因此在实际研究中，增加形状介于两者之间的椭圆形缺陷，具体如图1所示，缺陷各部分参数选择如下：矩形裂纹缺陷的长、宽、深分别为15mm *1mm *2mm，椭圆形缺陷的长轴、短轴、深分别为8mm*2mm*2mm,腐蚀孔缺陷的半径、深分别为2mm*2mm。
图2是三类不同形状的缺陷沿长度（x轴）方向的磁通密度Bx分布曲线，与无缺陷情况对比，有缺陷时铝板中心位置附近的磁通密度发生明显的变化，可以判断，该变化是由于缺陷的存在而产生的；由于三类缺陷y方向和深度方向尺寸基本相同，唯一变化较大的为长度（x方向尺寸），仅通过图2不能准确判断出磁通密度的变化是由于形状变化还是长度尺寸变化所引起的；因此，为了排除长度因素的干扰，分别选取长度不同的同类型缺陷，检测并分析其Bx的磁场分布特点；以裂纹为例，分别选取长度为15mm、16mm、18mm、22mm的裂纹（其它参数均保持一致），沿长度方向检测出其Bx的磁通密度分布曲线。
结果表明，长度对Bx磁场影响非常小，可忽略不计，对此可以推测，图2磁通密度曲线的不同变化趋势是由于缺陷形状的不同导致的；通过对图2分析，裂纹在铝板中心附近的曲线趋于平缓，磁通密度变化较小，曲线呈现出的矩形形状与裂纹相类似；与之相反，腐蚀孔在铝板中心附近的磁通密度急剧减小，曲线呈现出与圆孔类似的尖尖的三角形形状；椭圆缺陷的磁场变化趋势则是介于两者之间，磁场分布曲线呈现类似椭圆型形状。
由此，我们可得出结论：在沿长度方向的磁场分布曲线Bx中，铝板中心附近的磁通密度变化趋势反映了缺陷的形状信息；若磁通密度曲线呈矩形形状，则说明该缺陷为裂纹；反之，若中心附近磁通密度下降明显且呈三角形状，则说明该缺陷为腐蚀孔。
在工业实际监测中，往往需要了解裂纹的长度大小，从而确定被测物的具体破坏程度。因此，对裂纹长度进行评估是非常有必要的。
为了便于实际研究，金属铝板正中央设有一细长裂纹，这里以矩形凹槽裂纹缺陷为例，各部分具体参数选择如下：铝板大小300*300*3mm³，分别选取长度为15mm、16mm、18mm、22mm的四种裂纹，并控制四种裂纹宽度、深度均为1mm。
图3为裂纹模型沿长度（x轴）方向三维截线上的磁通密度Bz分布情况曲线，与无缺陷的情况进行对比，有裂纹时磁场Bz会产生如图所示的变化（即波峰位置和波谷位置的平行移动）；由这个现象，可初步判断峰谷位置的移动是由于裂纹长度变化而产生的，峰谷的位置信息体现了裂纹的位置信息；为了进一步了解不同长度的裂纹对磁场影响的差异，分别选取长度为15mm、16mm、18mm、22mm的四种裂纹，对长度方向分别进行磁场的检测；根据图3的结果可知，不同长度的裂纹磁通密度的整体分布情况虽大致相同，但波峰（波谷）处的横坐标存在较大差异，由此可以推测，波峰与波谷间的距离反映了裂纹的长度信息；以长度为22mm的裂纹为例，其波谷处横坐标约为139mm,距离中心位置11mm，由于模型中裂纹均处于铝板正中央，因此根据对称性可得波谷与波峰间距离约为22mm，与裂纹的长度完全一致；同理，通过分析其它三种长度的裂纹分布曲线，也可得到与之类似的结果。
对此，可以得出以下结论：沿缺陷长度方向的磁场分布曲线Bz中，波谷与波峰之间的距离即为裂纹的长度，如下列表所示：
| 裂纹长度(mm) | 15 | 16 | 18 | 22 |
| 距离(mm) | 142.5mm | 142mm | 141mm | 139mm |
| 到铝板中心距离 | 7.5mm | 8mm | 9mm | 11mm |
由于沿裂纹长度方向所得磁场分布的变化趋势较为明显，因此为了方便研究，沿x轴方向检测感应涡流磁场的变化情况。
此处以研究裂纹模型为例，分别选用深度分别为1mm、1.5mm、2mm的裂纹模型，并控制长度和宽度大小一致；为了便于实际研究，金属材质采用300*300*3mm³的铝板，裂纹均处于铝板中心位置。
图4、5分别表示不同深度裂纹作用下长度方向的Bx、Bz磁场分布；裂纹的存在不改变磁通密度的整体分布，但对缺陷局部的磁通密度会产生较大的影响；图4中，与无裂纹情况对比，裂纹深度为2mm时铝板中心附近磁通密度的变化差值最大，磁场变化最为明显，深度为1mm时变化差值最小；同理在图5中，当裂纹深度最大为2mm时，产生突变处的波峰（波谷）值最大（小），磁通密度的变化最明显；由此可见，缺陷深度越大，对感应涡流磁场的影响也越明显；将裂纹深度与裂纹长度对被测物体表面磁场的影响做比较发现，该检测方法可以有效避免不同形状参数对磁场的相互影响干扰，裂纹长度只会影响磁场Bx的突变位置，而裂纹深度则影响的是磁场Bx（或Bz）的突变程度大小；因此，利用该方法可以建立裂纹几何参数与特征量相互独立的映射关系。
下面，以Bx为例，我们分别计算不同深度时对应Bx的特征值，利用MATLAB拟合出裂纹深度与特征值的关系曲线，得出关系表达式，从而完成对深度的定量评估；图6是利用MATLAB拟合出的关于磁通密度(y)和缺陷深度(x)的关系曲线，根据曲线可得函数表达式：y= -0.00054*x³+0.00119*x²-0.00151*x+0.06870。
由此可见，通过测量长度方向中心坐标处Bx的磁通密度，可以由上述关系表达式推测出缺陷的深度大小，进而做到对深度的定量分析。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤1）、首先，根据被测物体的相关物理及几何参数，建立不同形状的缺陷沿长度x轴方向的磁通密度Bx分布曲线以及裂纹深度、长度评估模型；
具体的，在实际应用中，需要通过缺陷表面形状的评估、裂纹长度的定量评估以及裂纹深度的定量评估进行准确判定分析：
（1）缺陷表面形状的评估
通过分析缺陷附近空间感应涡流磁场的变化情况，并将结果与无缺陷情况下磁场的分布进行对比，即可实现裂纹形状的评估；得出结论：在沿长度方向的磁通密度Bx分布曲线中，铝板中心附近的磁通密度变化趋势反映了缺陷的形状信息；若磁通密度Bx分布曲线呈矩形形状，则说明该缺陷为裂纹；反之，若中心附近磁通密度下降明显且呈三角形状，则说明该缺陷为腐蚀孔；
（2）裂纹长度的定量评估
沿缺陷长度方向的磁通密度Bz分布曲线中，波谷与波峰之间的距离即为裂纹的长度；
（3）裂纹深度的定量评估
通过测量长度方向中心坐标处Bx的磁通密度，根据关于磁通密度y和缺陷深度h的关系曲线可得函数表达式：y= -0.00054×h³+0.00119×h²-0.00151×h+0.06870，可以由上述函数表达式推测出缺陷的深度大小，进而做到对深度的定量分析；
步骤2）、开启信号发生器，使其产生稳定的正弦交流电，测试系统进入正常工作模式；
步骤3）、将被测物体表面预先划分为多个检测区域，并按顺序编号；将探头移至检测区域，保持探头整体不动，根据具体需求向外逐渐移动磁场传感器，使其能够检测到探头附近区域完整的信息；同一区域，需要将探头旋转90度再次检测一遍；
步骤4）、按照计划好的检测规划，采用步骤3同样操作方法，完成被测物体表面其他检测区域表面感应涡流磁场的获取；
步骤5）、根据研究需要，将得到的信号经过放大、滤波和模数转换一系列操作，并将经过处理后的信号与预置于上位机系统中的评估模型进行对比、识别，最终完成各参数的定量评估。
2.根据权利要求1所述的一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法，其特征在于，所述步骤2）中的信号发生器，其为铝板表面缺陷定量评估测试装置的一部分，所述铝板表面缺陷定量评估测试装置依次由信号发生器、探头、信号放大滤波电路、数据采集电路以及上位机组成。
3.根据权利要求1所述的一种感应涡流磁场检测的裂纹与腐蚀孔探伤方法，其特征在于，所述步骤3）中所述的探头中包括线圈（1），线圈（1）按照顺时针方向竖直缠绕在线圈骨架（2）上，线圈骨架（2）的长、宽、高分别为30mm、20mm、20mm，并在线圈（1）中通以1A， 2kHZ的电流,线圈（1）匝数为1000匝；线圈（1）下方为尼龙隔离层（5），电路板（4）一端依次并列放置四个磁场传感器（3），电路板（4）上同时设有信号接口电路，用于线圈（1）、磁场传感器（3）、电源与外部器件的连接，电路板（4）设计为可向外拉动式；电路板（4）下方设有尼龙保护层（6）。
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