CN114034766B - 一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头及缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头及缺陷检测方法，所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头包括一块柔性多层印刷电路板、一个螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈和一组磁场传感器阵列；柔性多层印刷电路板表面焊盘组分别用于连接螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈的供电系统、磁场传感器阵列的供电电源及检测信号采集系统；螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈蚀刻于柔性多层印刷电路板内部，工作时将在其下方一定区域内产生垂直方向均匀的匀强磁场；磁场传感器阵列焊接于柔性多层印刷电路板的背面焊盘组，用于拾取磁场信号。本发明还提供应用上述探头实施金属构件缺陷检测的方法，能够对缺陷进行快速、高精度检测和定量评估，具有重要的工程应用价值。

Description

一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头及缺陷检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头及缺陷检测方法。

背景技术

金属构件、工程装备在服役期间，由于高温高压、应力、腐蚀等恶劣工况，易出现腐蚀、裂纹等损伤，这类损伤不易发现且危害极大，影响系统安全运行。工程中常用无损检测手段发现、定位和评估潜在损伤缺陷。无损检测是在不损伤被测体结构功能的基础上，对被测体结构损伤状况、内部构造进行检测和定量评估的方法，广泛应用于石油化工、能源交通和航空航天等领域。

瞬变涡流检测是衍生自涡流检测的常用无损检测方法之一。当前瞬变涡流检测中常用检测探头多为基于盘式线圈设计的探头，这类探头的线圈场集中于中心区域，难以实现匀场激励，因此探头对缺陷的响应从中心位置到边缘逐渐降低，在实际检测中易放大中心位置缺陷而弱化边缘区域缺陷。目前针对这类基于盘式线圈设计的探头进行改进并实现匀场激励的瞬变涡流检测探头和对应检测方法的较少，相关匀场激励探头设计及对应检测方法尚不多见。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头及缺陷检测方法，能够对金属构件缺陷进行快速、高精度检测和定量评估，具有重要的工程应用价值。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头，包括一块柔性多层印刷电路板1、一个螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2和一组磁场传感器阵列3；柔性多层印刷电路板1表面共有六组焊盘，表面焊盘组V+和V-用于连接螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈供电系统，表面焊盘组V_DD和GND用以连接磁场传感器阵列供电电源，表面焊盘组OUT+和OUT-用于连接检测信号采集系统，柔性多层印刷电路板1的背面焊盘组用于连接磁场传感器阵列3；螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2蚀刻于柔性多层印刷电路板1内部，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2首端直接接触柔性多层印刷电路板1表面焊盘组V+，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2各层之间通过导孔实现电气连接，底层线圈电路通过延长电路及导孔连接至表面焊盘组V-；磁场传感器阵列3位于螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2底部中心位置，磁场传感器阵列3中各传感器的端口通过柔性多层印刷电路板1的内部电路对应汇总于表面焊盘组V_DD、GND、OUT+和OUT-，方便与外部设备连接。

螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2在表面焊盘组V+和V-加电驱动情况下，将在柔性多层印刷电路板1下方产生垂直方向均匀的匀强磁场；在柔性多层印刷电路板1表面焊盘组V_DD和GND加电驱动情况下，磁场传感器阵列3将拾取各磁场传感器位置处垂直方向的磁场信号，转化为多通道电压信号并通过柔性多层印刷电路板1表面焊盘组OUT+和OUT-输出至检测信号采集系统。

优选的，所述柔性多层印刷电路板1每层中所蚀刻螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈电路均为开口圆环状，一端连接上一层导孔，另一端通过导孔连接至下一层线圈电路，底层线圈电路通过延长电路及导孔连接至表面焊盘组V-，各层线圈电路排布满足母线方程z＝0.00026r³+0.0073r²+0.011r。

优选的，所述磁场传感器阵列3焊接于柔性多层印刷电路板1背面焊盘组，磁场传感器阵列3由12个磁场传感器组成并按照2、4、4、2的方式排布，具有中心对称特性。

所述的一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头的金属构件缺陷检测方法，包括：方法(1)基于缺陷深度-信号特征标定曲线的金属构件缺陷深度定量评估，方法(2)基于金属构件扫查曲线的缺陷定位及缺陷深度定量评估，方法(3)基于金属构件扫描图像的缺陷定位及缺陷深度定量评估；

方法(1)基于缺陷深度-信号特征标定曲线的金属构件缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)基于厚度为d的金属构件标准试件预制n组具有不同缺陷深度的检测试件，缺陷深度Δd依次为d/n，2d/n，…，nd/n；

步骤2)将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头的表面焊盘组V+和V-连接至由信号发生器和功率放大器组成的螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈供电系统，所述表面焊盘组V_DD和GND连接至磁场传感器阵列供电电源，所述表面焊盘组OUT+和OUT-连接至由滤波放大器、信号采集卡和计算机组成的检测信号采集系统，形成瞬变涡流检测系统；

步骤3)将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于预制的具有n组不同缺陷深度的检测试件上，检测信号采集系统拾取时域检测信号B₁(t)，B₂(t)，…，B_n(t)，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于厚度为d的标准试件上，拾取参考信号B₀(t)；

步骤4)检测信号B₁(t)，B₂(t)，…，B_n(t)减去参考信号B₀(t)得差分信号ΔB₁(t)，ΔB₂(t)，…，ΔB_n(t)，取差分信号峰值为信号特征，依次为Pv₁，Pv₂，…，Pv_n，以缺陷深度Δd为横轴，以信号特征Pv为纵轴，基于最小二乘法拟合缺陷深度d/n，2d/n，…，nd/n与信号特征Pv₁，Pv₂，…，Pv_n的对应关系，得缺陷深度-信号特征标定曲线；

步骤5)对待测试件，通过步骤2)、步骤3)、步骤4)所述检测信号采集与处理方法获取信号特征Pv，基于步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线搜寻信号特征Pv对应缺陷深度Δd，即为待测金属构件缺陷定量评估深度；

方法(2)基于金属构件扫查曲线的缺陷定位及缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)如方法(1)中步骤2)所述搭建瞬变涡流检测系统，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于待测试件上方，沿既定路径移动柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头并拾取检测信号B_x(t)序列，如方法(1)中步骤4)所述进行差分处理，提取差分信号峰值特征Pv_x序列；

步骤2)以柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头位置为横轴，以峰值特征Pv_x为纵轴，绘制金属构件扫查曲线，扫查曲线波峰对应位置即为金属构件缺陷定位结果，基于方法(1)中步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线获取扫查曲线中峰值特征Pv_x对应深度Δd，即为金属构件缺陷深度定量评估结果；

方法(3)基于金属构件扫描图像的缺陷定位及缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)如方法(1)中步骤2)所示搭建瞬变涡流检测系统，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于待测试件上方，在既定扫描区域内沿规划路径移动柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头并拾取检测信号B_xy(t)序列，如方法(1)中步骤4)所述进行差分处理，提取差分信号峰值特征Pv_xy矩阵；

步骤2)将探头扫描区域映射至绘图区域，将峰值特征Pv_xy线性映射至256级灰阶作为着色依据，绘制金属构件扫描图像，扫描图像中深色区域位置即为金属构件缺陷定位结果，基于方法(1)中步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线获取扫描图像中峰值特征Pv_xy对应深度Δd，即为金属构件缺陷深度定量评估结果。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

1、本发明提出了一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头，设计了用于激励匀强磁场的螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈并给出了决定各层线圈排布的母线方程，所述螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈能在线圈下方一定区域内产生垂直方向均匀的匀强磁场，使得匀强磁场范围内的缺陷具有相同幅度的信号响应，有利于中心位置与边缘区域缺陷的均衡检测，极大提高了检测准确率；

2、本发明基于螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈激发的匀强磁场，设计了中心对称结构的磁场传感器阵列用于拾取检测信号，有效增强了缺陷检测的空间灵敏度，同时阵列化传感器设计也极大提高了缺陷扫查的检测效率。

附图说明

图1为本发明探头结构示意图。

图2为本发明探头中螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈的截面图。

图3为瞬变涡流检测系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头包括一块柔性多层印刷电路板1、一个螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2和一组磁场传感器阵列3；柔性多层印刷电路板1表面共有六组焊盘，表面焊盘组V+和V-用于连接螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈供电系统，表面焊盘组V_DD和GND用以连接磁场传感器阵列供电电源，表面焊盘组OUT+和OUT-用于连接检测信号采集系统，柔性多层印刷电路板1的背面焊盘组用于连接磁场传感器阵列3；螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2蚀刻于柔性多层印刷电路板1内部，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2的截面如图2所示，图中黑色短粗线为印刷电路，印刷电路沿r向等距排布，其中心点落于图2中黑色实线上，黑色实线即为螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈母线，母线方程为z＝0.00026r³+0.0073r²+0.011r，，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2首端直接接触柔性多层印刷电路板1表面焊盘组V+，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2各层之间通过导孔实现电气连接，每层柔性印刷电路板中所蚀刻线圈电路均为开口圆环状，一端连接上一层导孔，另一端通过导孔连接至下一层线圈电路，底层线圈电路通过延长电路及导孔连接至表面焊盘组V-；磁场传感器阵列3焊接于柔性多层印刷电路板1背面焊盘组，由12个磁场传感器组成并按照2、4、4、2的方式排布，具有中心对称特性，传感器阵列3位于螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2底部中心位置，磁场传感器阵列3中各传感器的端口通过柔性多层印刷电路板1的内部电路对应汇总于表面焊盘组V_DD、GND、OUT+和OUT-，方便与外部设备连接。

如图3所示，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈2在表面焊盘组V+和V-连接由信号发生器和功率放大器组成的激励线圈供电系统并加电驱动情况下，将在柔性多层印刷电路板1下方产生垂直方向均匀的匀强磁场；在柔性多层印刷电路板1表面焊盘组V_DD和GND连接传感器供电电源并加电驱动情况下，磁场传感器阵列3将拾取各磁场传感器位置处垂直方向的磁场信号，转化为多通道电压信号并通过柔性多层印刷电路板1表面焊盘组OUT+和OUT-输出至由滤波放大器、数据采集卡和计算机组成的检测信号采集系统。

基于柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头的金属构件缺陷检测方法，包括：方法(1)基于缺陷深度-信号特征标定曲线的金属构件缺陷深度定量评估，方法(2)基于金属构件扫查曲线的缺陷定位及缺陷深度定量评估，方法(3)基于金属构件扫描图像的缺陷定位及缺陷深度定量评估；

方法(1)基于缺陷深度-信号特征标定曲线的金属构件缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)基于厚度为d的金属构件标准试件预制n组具有不同缺陷深度的检测试件，缺陷深度Δd依次为d/n，2d/n，…，nd/n；

步骤2)如图3所示将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头的表面焊盘组V+和V-连接至由信号发生器和功率放大器组成的螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈供电系统，表面焊盘组V_DD和GND连接至传感器供电电源，表面焊盘组OUT+和OUT-连接至由滤波放大器、信号采集卡和计算机组成的检测信号采集系统，形成瞬变涡流检测系统；

步骤3)将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于预制的具有n组不同缺陷深度的检测试件上放，检测信号采集系统拾取时域检测信号B₁(t)，B₂(t)，…，B_n(t)，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于厚度为d的标准试件上，拾取参考信号B₀(t)；

步骤4)检测信号B₁(t)，B₂(t)，…，B_n(t)减去参考信号B₀(t)得差分信号ΔB₁(t)，ΔB₂(t)，…，ΔB_n(t)，取差分信号峰值为信号特征，依次为Pv₁，Pv₂，…，Pv_n，以缺陷深度Δd为横轴，以信号特征Pv为纵轴，基于最小二乘法拟合缺陷深度d/n，2d/n，…，nd/n与信号特征Pv₁，Pv₂，…，Pv_n的对应关系，得缺陷深度-信号特征标定曲线；

步骤5)对待测试件，通过步骤2)、步骤3)、步骤4)所述检测信号采集与处理方法获取信号特征Pv，基于步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线搜寻信号特征Pv对应缺陷深度Δd，即为待测金属构件缺陷定量评估深度；

方法(2)基于金属构件扫查曲线的缺陷定位及缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)如方法(1)中步骤2)所述搭建瞬变涡流检测系统，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于待测试件上方，沿既定路径移动柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头并拾取检测信号B_x(t)序列，如方法(1)中步骤4)所述进行差分处理，提取差分信号峰值特征Pv_x序列；

步骤2)以柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头位置为横轴，以峰值特征Pv_x为纵轴，绘制金属构件扫查曲线，扫查曲线波峰对应位置即为金属构件缺陷定位结果，基于方法(1)中步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线获取扫查曲线中峰值特征Pv_x对应深度Δd，即为金属构件缺陷深度定量评估结果；

方法(3)基于金属构件扫描图像的缺陷定位及缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)如方法(1)中步骤2)所示搭建瞬变涡流检测系统，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于待测试件上方，在既定扫描区域内沿规划路径移动柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头并拾取检测信号B_xy(t)序列，如方法(1)中步骤4)所述进行差分处理，提取差分信号峰值特征Pv_xy矩阵；

步骤2)以探头扫描区域为绘图区域，将峰值特征Pv_xy线性映射至256级灰阶作为着色依据，绘制金属构件扫描图像，扫描图像中深色区域位置即为金属构件缺陷定位结果，基于方法(1)中步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线获取扫描图像中峰值特征Pv_xy对应深度Δd，即为金属构件缺陷深度定量评估结果。

Claims (3)

1.一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头，其特征在于：包括一块柔性多层印刷电路板(1)、一个螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈(2)和一组磁场传感器阵列(3)；柔性多层印刷电路板(1)表面共有六组焊盘，表面焊盘组V+和V-用于连接螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈供电系统，表面焊盘组V_DD和GND用以连接磁场传感器阵列供电电源，表面焊盘组OUT+和OUT-用于连接检测信号采集系统，柔性多层印刷电路板(1)背面一组背面焊盘组用于连接磁场传感器阵列(3)；螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈(2)蚀刻于柔性多层印刷电路板(1)内部，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈(2)首端直接接触柔性多层印刷电路板(1)表面焊盘组V+，螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈(2)各层之间通过导孔实现电气连接，底层线圈电路通过延长电路及导孔连接至表面焊盘组V-；磁场传感器阵列(3)位于螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈(2)底部中心位置，磁场传感器阵列(3)中各传感器的端口通过柔性多层印刷电路板(1)的内部电路对应汇总于表面焊盘组V_DD、GND、OUT+和OUT-，方便与外部设备连接；

所述柔性多层印刷电路板(1)每层中所蚀刻螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈电路均为开口圆环状，一端连接上一层导孔，另一端通过导孔连接至下一层线圈电路，各层线圈电路排布满足母线方程z＝0.00026r³+0.0073r²+0.011r；

所述磁场传感器阵列(3)焊接于柔性多层印刷电路板(1)背面焊盘组，磁场传感器阵列(3)由12个磁场传感器组成并按照2、4、4、2的方式排布，具有中心对称特性。

2.根据权利要求1所述的一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头，其特征在于：螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈(2)在表面焊盘组V+和V-加电驱动情况下，将在柔性多层印刷电路板(1)下方产生垂直方向均匀的匀强磁场；在柔性多层印刷电路板(1)表面焊盘组V_DD和GND加电驱动情况下，磁场传感器阵列(3)将拾取各磁场传感器位置处垂直方向的磁场信号，转化为多通道电压信号并通过柔性多层印刷电路板(1)表面焊盘组OUT+和OUT-输出至检测信号采集系统。

3.权利要求1或2所述的一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头的金属构件缺陷检测方法，其特征在于：包括：方法(1)基于缺陷深度-信号特征标定曲线的金属构件缺陷深度定量评估，方法(2)基于金属构件扫查曲线的缺陷定位及缺陷深度定量评估，方法(3)基于金属构件扫描图像的缺陷定位及缺陷深度定量评估；

方法(1)基于缺陷深度-信号特征标定曲线的金属构件缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)基于厚度为d的金属构件标准试件预制n组具有不同缺陷深度的检测试件，缺陷深度Δd依次为d/n，2d/n，…，nd/n；

步骤2)将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头的表面焊盘组V+和V-连接至由信号发生器和功率放大器组成的螺旋形瞬变涡流匀场激励线圈供电系统，所述表面焊盘组V_DD和GND连接至磁场传感器阵列供电电源，所述表面焊盘组OUT+和OUT-端口连接至由滤波放大器、信号采集卡和计算机组成的检测信号采集系统，形成瞬变涡流检测系统；

步骤3)将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于预制的具有n组不同缺陷深度的检测试件上，检测信号采集系统拾取时域检测信号B₁(t)，B₂(t)，…，B_n(t)，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于厚度为d的标准试件上，拾取参考信号B₀(t)；

步骤4)检测信号B₁(t)，B₂(t)，…，B_n(t)减去参考信号B₀(t)得差分信号ΔB₁(t)，ΔB₂(t)，…，ΔB_n(t)，取差分信号峰值为信号特征，依次为Pv₁，Pv₂，…，Pv_n，以缺陷深度Δd为横轴，以信号特征Pv为纵轴，基于最小二乘法拟合缺陷深度d/n，2d/n，…，nd/n与信号特征Pv₁，Pv₂，…，Pv_n的对应关系，得缺陷深度-信号特征标定曲线；

步骤5)对待测试件，通过步骤2)、步骤3)、步骤4)所述检测信号采集与处理方法获取信号特征Pv，基于步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线搜寻信号特征Pv对应缺陷深度Δd，即为待测金属构件缺陷定量评估深度；

方法(2)基于金属构件扫查曲线的缺陷定位及缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)如方法(1)中步骤2)所示搭建瞬变涡流检测系统，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于待测试件上方，沿既定路径移动柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头并拾取检测信号B_x(t)序列，如方法(1)中步骤4)所示进行差分处理，提取差分信号峰值特征Pv_x序列；

步骤2)以柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头位置为横轴，以峰值特征Pv_x为纵轴，绘制金属构件扫查曲线，扫查曲线波峰对应位置即为金属构件缺陷定位结果，基于方法(1)中步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线获取扫查曲线中峰值特征Pv_x对应深度Δd，即为金属构件缺陷深度定量评估结果；

方法(3)基于金属构件扫描图像的缺陷定位及缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)如方法(1)中步骤2)所示搭建瞬变涡流检测系统，将所述柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头置于待测试件上方，在既定扫描区域内沿规划路径移动柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头并拾取检测信号B_xy(t)序列，如方法(1)中步骤4)所示进行差分处理，提取差分信号峰值特征Pv_xy矩阵；

步骤2)将探头扫描区域映射至绘图区域，将峰值特征Pv_xy线性映射至256级灰阶作为着色依据，绘制金属构件扫描图像，扫描图像中深色区域位置即为金属构件缺陷定位结果，基于方法(1)中步骤4)所得缺陷深度-信号特征标定曲线获取扫描图像中峰值特征Pv_xy对应深度Δd，即为金属构件缺陷深度定量评估结果。

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