CN114113308B - 一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统与检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统，用于测试金属试件，包括：信号发生子系统，包括相连的信号发生器和线圈，信号发生器为线圈提供激励电压；在交变电压激励下，线圈产生交变线圈磁场B1，在金属试件中产生感应涡流，涡流产生相应的二次涡流磁场B2，并作用在线圈形成洛伦兹力；传感子系统，包括巨磁阻GMR传感器、弹簧和压电传感器，巨磁阻GMR传感器用于检测B1和B2的叠加场并转换为第一输出信号，线圈通过弹簧与压电传感器连接，洛伦兹力通过压电传感器转换为第二输出信号；及涡流检测子系统，包括包络检波电路，根据第一输出信号和第二输出信号获取信号包络，根据信号包络检测金属试件的缺陷。还公开了对应的检测方法和电子设备。

Description

一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统与检测方法
技术领域
本发明属于金属材料缺陷检测技术领域，尤其涉及一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统与检测方法。
背景技术
金属材料在工业领域具有重要作用，铝板和铝管等材料被大量用于航空航天、交通运输、机械和建筑等行业。金属材料在生产加工时可能出现裂纹、气孔等缺陷，在服役过程中也可能受环境影响而产生腐蚀。金属材料中的缺陷会影响材料性能，造成一定的安全隐患。因此，必须对金属材料中的缺陷进行检测。
目前，对金属材料检测最常用的方法是涡流检测法，例如CN201610649995.3公开了其实施方式之一，在线圈中施加交变电压，从而产生交变电磁场，当线圈置于金属材料上方时，则会在金属材料中产生感应涡流。缺陷会对涡流产生扰动，从而进一步影响涡流产生的磁场。通过磁场传感器拾取该磁场变化完成缺陷检测。然而该常规涡流检测技术中，只对涡流产生的磁场信息进行了提取，信息较为单一。在已公开的金属材料检测方法中，也有技术将涡流与磁场之间的相互作用力作为缺陷信息传递的载体，如CN201310576523.6，利用金属材料与永磁铁的相对运动产生涡流，并通过涡流与磁铁之间的洛伦兹力表征缺陷，该技术方案通过永磁铁产生恒定磁场，通过金属材料的运动产生涡流与洛伦兹力，检测时要求被测金属材料具有一定的运动速度，无法完成金属材料服役过程中的原位监测任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统与检测方法，在常规涡流检测中增加压电传感器，增加反映缺陷损伤程度的力学信息，通过磁-力信息融合，以磁-力信息共同反映同一缺陷的损伤程度，提高检测精度；并且该系统和方法可以实现原位监测，即无需检测探头与被测试件的相对运动。
本发明一方面提供了一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统，用于测试金属试件(6)，包括：
信号发生子系统，包括信号发生器和线圈(1)，所述信号发生器与所述线圈(1)相连，并且为线圈提供激励电压；所述激励电压形成交变电压，在所述交变电压激励下，所述线圈(1)产生一个交变线圈磁场B1，并且在所述金属试件(6)中产生感应涡流(7)，所述涡流将产生一个相应的阻碍所述交变磁场B1变化的二次涡流磁场B2，所述二次涡流磁场B2作用在所述线圈(1)，所述线圈(1)受到相应的洛伦兹力F；
传感子系统，包括探头，所述探头具有探头外壳(5)，所述探头外壳(5)内集成巨磁阻GMR传感器(2)、弹簧(3)和压电传感器(4)，所述巨磁阻GMR传感器(2)用于检测所述交变线圈磁场B1和所述二次涡流磁场B2的叠加场并转换为第一输出信号，所述线圈(1)也设置在所述探头外壳(5)内，通过所述弹簧(3)与所述压电传感器(4)连接，所述线圈(1)受到的所述洛伦兹力通过所述压电传感器(4)转换为输出电压形成第二输出信号；以及
涡流检测子系统，包括包络检波电路，所述包络检波电路根据所述巨磁阻GMR传感器(2)的第一输出信号和所述第二输出信号获取信号包络，根据所述信号包络检测所述金属试件(6)的缺陷。
优选的，所述传感子系统还包括图像传感器，用于对所述金属试件(6)的缺陷进行x-y方向的二维扫查，分别得到磁场云图与力场云图，磁场云图与力场云图的融合，对图像进行相加和相乘操作，获取信息融合后的图像，通过磁场与力学信息综合反映缺陷信息。
本发明的第二方面提供一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测方法，用于测试金属试件(6)，包括：
步骤1，启动信号发生器，所述信号发生器与所述线圈(1)相连，为线圈提供一个激励电压，在所述交变电压激励下，所述线圈(1)产生一个交变线圈磁场B1，并且在所述金属试件(6)中产生感应涡流(7)，根据毕奥萨伐尔定律，所述涡流将产生一个相应的阻碍所述交变磁场B1变化的二次涡流磁场B2，所述二次涡流磁场B2作用在所述线圈(1)，所述线圈(1)受到相应的洛伦兹力F；
步骤2，将所述传感子系统靠近所述金属试件(6)，所述巨磁阻GMR传感器(2)检测所述交变线圈磁场B1和所述二次涡流磁场B2的叠加场并转换为第一输出信号，所述线圈(1)通过所述弹簧(3)与所述压电传感器(4)连接，所述线圈(1)受到的所述洛伦兹力通过所述压电传感器(4)转换为输出电压形成第二输出信号，其中所述第一输出信号和所述第二输出信号均为电压信号；以及
步骤3，所述包络检波电路根据所述巨磁阻GMR传感器(2)的第一输出信号和所述第二输出信号获取信号包络，根据所述信号包络检测所述金属试件(6)的缺陷。
优选的，所述激励电压为正弦激励电压，所述正弦激励电压的频率为1kHz，幅值为5V。
优选的，所述洛伦兹力F＝B2×I×L，其中L表示线圈长度，B2表示二次涡流磁场强度，I表示线圈内的电流。
优选的，所述步骤3还包括：包络检波电路对所述巨磁阻GMR传感器(2)的第一输出信号和所述第二输出信号进行信号调理，所述信号调理包括放大和滤波。
作为优选的实施方式，所述根据所述信号包络检测所述金属试件(6)的缺陷包括：当所述传感子系统下方的所述金属试件(6)出现缺陷时，所述缺陷会改变涡流分布，进而改变二次涡流磁场B2的磁场强度值，所述巨磁阻GMR传感器(2)和所述压电传感器(4)输出的所述第一输出信号和所述第二输出信号的电压幅值都将发生变化，所述电压幅值的变化由包络检波电路获得后与没有缺陷的金属试件(6)的信号包络进行比较，如果比较后的差异超过阈值，则所述金属试件(6)存在缺陷。
优选的，所述方法还包括：
步骤4，通过图像传感器对所述金属试件(6)的缺陷进行x-y方向的二维扫查，分别得到磁场云图与力场云图，磁场云图与力场云图的融合，对图像进行相加和相乘操作，获取信息融合后的图像，通过磁场与力学信息综合反映缺陷信息。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和通信电路，所述处理器连接所述通信电路，所述处理器用于执行指令以实现如第二方面所述的方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第二方面所述的方法。
本发明提供的力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统、检测方法和电子设备，具有如下有益效果：
相比于常规涡流检测，增加力学检测单元，获取更丰富的缺陷信息，提高检测性能；并且检测系统和方法应用范围更广，无需探头移动，可用于原位监测场景。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统架构图。
图2为根据本发明优选实施例的电子设备构成图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统，用于测试金属试件6，包括：
信号发生子系统，包括信号发生器和线圈1，所述信号发生器与所述线圈1相连，并且为线圈提供一个正弦激励电压，本实施例中，所述正弦激励电压的频率为1kHz，幅值为5V，所述正弦激励电压形成交变电压，在所述交变电压激励下，所述线圈1产生一个交变线圈磁场B1，并且在所述金属试件6中产生感应涡流7，根据毕奥萨伐尔定律，所述涡流将产生一个相应的阻碍所述交变磁场B1变化的二次涡流磁场B2，所述二次涡流磁场B2作用在所述线圈1，所述线圈1受到相应的洛伦兹力F＝B2×I×L，其中L表示线圈长度，B2表示二次涡流磁场强度，I表示线圈内的电流；
传感子系统，包括探头，所述探头具有探头外壳5，所述探头外壳5内集成巨磁阻GMR传感器2、弹簧3和压电传感器4，所述巨磁阻GMR传感器2用于检测所述交变线圈磁场B1和所述二次涡流磁场B2的叠加场并转换为第一输出信号，所述线圈1也设置在所述探头外壳5内，通过所述弹簧3与所述压电传感器4连接，所述线圈1受到的所述洛伦兹力通过所述压电传感器4转换为输出电压形成第二输出信号；以及
涡流检测子系统，包括包络检波电路，所述包络检波电路对所述巨磁阻GMR传感器2的第一输出信号和所述第二输出信号进行信号调理，并获取正弦信号包络，根据所述正弦信号包络检测所述金属试件6的缺陷。
作为优选的实施方式，所述信号调理包括放大和滤波。
作为优选的实施方式，所述根据所述正弦信号包络检测所述金属试件6的缺陷包括：所述信号发生器为所述线圈提供正弦激励，因此所述巨磁阻GMR传感器2和压电传感器4的输出都为正弦信号；在信号调理时，分别对两路信号进行放大和滤波，并通过包络检波电路获取正弦信号包络；当探头下方出现缺陷时，缺陷会改变涡流分布，进而改变二次涡流磁场B2的磁场强度值，所述电压幅值的变化由包络检波电路获得后与没有缺陷的金属试件6的信号包络进行比较，如果比较后的差异超过阈值，则金属试件6存在缺陷。
作为优选的实施方式，所述传感子系统还包括图像传感器，用于对所述金属试件6的缺陷进行x-y方向的二维扫查，分别得到磁场云图与力场云图，磁场云图与力场云图的融合，对图像进行相加和相乘操作，获取信息融合后的图像，通过磁场与力学信息综合反映缺陷信息，提高检测精度。
实施例二
一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测方法，用于测试金属试件6，包括：
步骤1，启动信号发生器，所述信号发生器与所述线圈1相连，为线圈提供一个正弦激励电压，在所述交变电压激励下，所述线圈1产生一个交变线圈磁场B1，并且在所述金属试件6中产生感应涡流7，根据毕奥萨伐尔定律，所述涡流将产生一个相应的阻碍所述交变磁场B1变化的二次涡流磁场B2，所述二次涡流磁场B2作用在所述线圈1，所述线圈1受到相应的洛伦兹力F＝B2×I×L，其中L表示线圈长度，B2表示二次涡流磁场强度，I表示线圈内的电流
步骤2，将所述传感子系统靠近所述金属试件6，所述巨磁阻GMR传感器2检测所述交变线圈磁场B1和所述二次涡流磁场B2的叠加场并转换为第一输出信号，所述线圈1通过所述弹簧3与所述压电传感器4连接，所述线圈1受到的所述洛伦兹力通过所述压电传感器4转换为输出电压形成第二输出信号；以及
步骤3，所述包络检波电路根据所述巨磁阻GMR传感器2的第一输出信号和所述第二输出信号获取正弦信号包络，根据所述正弦信号包络检测所述金属试件6的缺陷。
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，指令用于实现如实施例二的方法。
如图2所示，本发明还提供了一种基站，包括处理器301和与处理器301连接的通信电路302，基站内存储有多条指令，指令可被处理器加载并执行，以使处理器301能够执行如实施例二的方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统，用于测试金属试件（6），其特征在于，包括：
信号发生子系统，包括信号发生器和线圈（1），所述信号发生器与所述线圈（1）相连，并且为线圈提供激励电压；所述激励电压形成交变电压，在所述交变电压激励下，所述线圈（1）产生一个交变线圈磁场B1，并且在所述金属试件（6）中产生感应涡流（7），所述涡流将产生一个相应的阻碍所述交变线圈磁场B1变化的二次涡流磁场B2，所述二次涡流磁场B2作用在所述线圈（1），所述线圈（1）受到相应的洛伦兹力F；
传感子系统，包括探头，所述探头具有探头外壳（5），所述探头外壳（5）内集成巨磁阻GMR传感器（2）、弹簧（3）和压电传感器（4），所述巨磁阻GMR传感器（2）用于检测所述交变线圈磁场B1和所述二次涡流磁场B2的叠加场并转换为第一输出信号，所述线圈（1）也设置在所述探头外壳（5）内，通过所述弹簧（3）与所述压电传感器（4）连接，所述线圈（1）受到的所述洛伦兹力通过所述压电传感器（4）转换为输出电压形成第二输出信号；以及
涡流检测子系统，包括包络检波电路，所述包络检波电路根据所述巨磁阻GMR传感器（2）的第一输出信号和所述第二输出信号获取信号包络，根据所述信号包络检测所述金属试件（6）的缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统，其特征在于，所述传感子系统还包括图像传感器，用于对所述金属试件（6）的缺陷进行x-y方向的二维扫查，分别得到磁场云图与力场云图，磁场云图与力场云图的融合，对图像进行相加和相乘操作，获取信息融合后的图像，通过磁场与力学信息综合反映缺陷信息。
3.一种根据权利要求1-2任一所述力磁融合的金属材料缺陷涡流检测系统的检测方法，用于测试金属试件（6），其特征在于，包括：
步骤1，启动信号发生器，所述信号发生器与所述线圈（1）相连，为线圈提供一个激励电压，在所述交变电压激励下，所述线圈（1）产生一个交变线圈磁场B1，并且在所述金属试件（6）中产生感应涡流（7），根据毕奥萨伐尔定律，所述涡流将产生一个相应的阻碍所述交变线圈 磁场B1变化的二次涡流磁场B2，所述二次涡流磁场B2作用在所述线圈（1），所述线圈（1）受到相应的洛伦兹力F；
步骤2，将所述传感子系统靠近所述金属试件（6），所述巨磁阻GMR传感器（2）检测所述交变线圈磁场B1和所述二次涡流磁场B2的叠加场并转换为第一输出信号，所述线圈（1）通过所述弹簧（3）与所述压电传感器（4）连接，所述线圈（1）受到的所述洛伦兹力通过所述压电传感器（4）转换为输出电压形成第二输出信号，其中所述第一输出信号和所述第二输出信号均为电压信号；以及
步骤3，所述包络检波电路根据所述巨磁阻GMR传感器（2）的第一输出信号和所述第二输出信号获取信号包络，根据所述信号包络检测所述金属试件（6）的缺陷。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述激励电压为正弦激励电压，所述正弦激励电压的频率为1kHz，幅值为5V。
5.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述洛伦兹力F=B2×I×L，其中L表示线圈长度，B2表示二次涡流磁场强度，I表示线圈内的电流。
6.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤3还包括：包络检波电路对所述巨磁阻GMR传感器（2）的第一输出信号和所述第二输出信号进行信号调理，所述信号调理包括放大和滤波。
7.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述根据所述信号包络检测所述金属试件（6）的缺陷包括：当所述传感子系统下方的所述金属试件（6）出现缺陷时，所述缺陷会改变涡流分布，进而改变二次涡流磁场B2的磁场强度值，所述巨磁阻GMR传感器（2）和所述压电传感器（4）输出的所述第一输出信号和所述第二输出信号的电压幅值都将发生变化，所述电压幅值的变化由包络检波电路获得后与没有缺陷的金属试件（6）的信号包络进行比较，如果比较后的差异超过阈值，则所述金属试件（6）存在缺陷。
8.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤4，通过图像传感器对所述金属试件（6）的缺陷进行x-y方向的二维扫查，分别得到磁场云图与力场云图，磁场云图与力场云图的融合，对图像进行相加和相乘操作，获取信息融合后的图像，通过磁场与力学信息综合反映缺陷信息。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和通信电路，所述处理器连接所述通信电路，所述处理器用于执行指令以实现如权利要求3-8任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求3-8任一项所述的方法。
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