CN116519786A - 一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，涉及无损检测技术领域，通过输入方波信号激励源的激励线圈在金属表面形成感应涡流，并采集垂直金属表面方向的磁场信号，传输至信号处理单元进行转化，显示实时图像完成对金属表面缺陷的识别检测。本发明能够快速有效地获取带有保护层的金属表面缺陷形态信息，包括对不规则缺陷的形态检测，并实现缺陷在金属表面所处方位的鉴别，提高了传统电磁无损检测的精确度和评价能力，完全能够达到工业生产中对缺陷状态检测的目标要求，对在役设备无损检测及安全评估具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法。
背景技术
金属材质是工业中广泛应用的一类材料，由于频繁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，从而对正常工作产生影响。因此，对产品进行周期性的检查以确保其完整性具有十分重要的意义。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。以自动光学检测为例，该技术以光学原理为基础，将被检测物体的反射光强以定量化灰阶值输出，并将图像与标准图像的灰阶值进行比较，最终达到缺陷检测的目的。自动光学检测具有较高的效率与可靠性，并且操作简单，在许多领域有着广泛的应用。但同时，由于光学检测自身存在的弊端，使得光线往往难以穿过被测物表面的保护层，并且对于阴影明暗不是很明显的地方，很容易出现检测的误判，具有一定的局限性。此外，渗透探伤技术也是在工业中应用较多的一种无损检测技术，它主要利用毛细管原理检测被测物表面及近表面的缺陷。与光学检测相比,渗透探伤技术适用于各类材料的检测，几乎不受工件几何形状和位置的影响，而且成像直观。但由于该种检测需要利用渗透剂成像，并不适用于多孔性疏松材料的检测，并且只能检测表面开口缺陷，难以定量的控制检测精度。
若使用上述技术检测带保护层的金属材质，必须先去除保护层，才能达到缺陷检测的目的。这样的操作不仅耗时，而且对产品本身也会造成一定的损害。因此，为了尽量避开自动光学检测和渗透技术的局限性，可以采用交流电磁场检测技术进行探伤检测。交流电磁场是基于电磁感应原理的无损检测方法之一，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。该技术采用非接触式检测，对被测物要求低，可穿透涂层，并且灵敏度高、检测速度快，与其它检测技术相比具有较为明显的优越性。然而，传统的交流电磁场检测往往采用单一的正弦交流信号研究被测对象的稳态频率响应，稳态输出包含的信息非常有限，所以对于复杂缺陷的评价，此激励信号远远达不到使用要求。同时，交流电磁场一般通过处理和分析曲线变化得出反映缺陷的特征规律。单一曲线所反映的特征信息只能判断缺陷的存在与否以及大致位置，很难得到缺陷的具体信息，因此往往无法实现缺陷各类形态的有效识别。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供的一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，能够解决以上问题，能够快速有效地获取带有保护层的金属表面缺陷形态信息，提高传统电磁无损检测的精确度和评价能力。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明提供的一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，其特征在于，包括检测装置和信号处理单元；所述检测装置包括激励线圈和传感器单元；所述方法步骤如下：
S101：对激励线圈输入方波信号激励源，产生的电磁场穿过金属表面的保护层，在金属表面形成均匀的感应涡流；
S102：通过传感器单元获取方向垂直于金属表面的扰动磁场信号，并将扰动磁场信号发送至信号处理单元，所述传感器单元包括沿XY平面设置的多个圆形平面线圈；
S103：根据扰动磁场在方波信号数值变化时的瞬态响应，信号处理单元将接收到的磁场变化转换为成比例关系的图像进行实时显示。
本发明提供的带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，优选地，所述步骤1中的方波信号为给定上升沿时间tr、下降沿时间tf，脉冲宽度tw的方波信号。
本发明提供的带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，优选地，还包括：
S104：当信号处理单元显示缺陷图像时，调整检测探头在XY平面上的方向位置，直至图像显示清晰。
本发明提供的带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，优选地，所述步骤S101中的激励线圈采用矩形线圈。
本发明提供的一种金属表面缺陷形态电磁识别装置，其特征在于，包括检测装置和信号处理单元；所述检测装置与所述信号处理单元电性连接；所述检测装置包括上下固定设置的激励线圈和传感器单元；所述检测装置用于产生XY平面的感应涡流；所述传感器单元用于采集Z方向的磁场信号；所述信号处理单元用于将磁场信号转化为图像信息。
本发明提供的金属表面缺陷形态电磁识别装置，优选地，所述传感器单元包括沿XY平面设置的多个圆形平面线圈；全部所述多个圆形平面线圈均匀排列。
本发明提供的金属表面缺陷形态电磁识别装置，优选地，所述激励线圈为矩形线圈。
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
本发明提供的一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，包括检测装置和信号处理单元；所述检测装置包括激励线圈和传感器单元；所述方法步骤如下：
S101：对激励线圈输入方波信号激励源，产生的电磁场穿过金属表面的保护层，在金属表面形成均匀的感应涡流；
S102：通过传感器单元获取方向垂直于金属表面的扰动磁场信号，并将扰动磁场信号发送至信号处理单元；
S103：根据扰动磁场在方波信号数值变化时的瞬态响应，信号处理单元将接收到的磁场变化转换为成比例关系的图像进行实时显示。
本发明能够快速有效地获取带有保护层的金属表面缺陷形态信息，包括对不规则缺陷的形态检测，并实现缺陷在金属表面所处方位的鉴别，提高了传统电磁无损检测的精确度和评价能力，完全能够达到工业生产中对缺陷状态检测的目标要求，对在役设备无损检测及安全评估具有良好的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是激励源作用下导体表面感应电流分布的示意图；
图2是本发明实施例1提供的四种不同形态缺陷沿x轴z方向的磁场分布曲线与图像；
图3是本发明实施例1提供的不规则缺陷及其形成的Bz图像；
图4是本发明实施例1提供的方位角0°、90°、180°和270°三角形缺陷所形成的Bz图像；
图5是本发明实施例1提供的圆柱线圈结构模型及其对应的Bz图像；
图6是本发明实施例1提供的圆形平面线圈结构模型及其对应的Bz图像；
图7是本发明实施例2提供的金属表面缺陷形态电磁识别装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
实施例1：
根据法拉第电磁感应定律，当通有交变电流的激励源靠近金属导体时，导体表面会产生感应电流；如图1所示为激励源作用下导体表面感应电流分布的示意图；当导体表面不存在缺陷时，感应电流分布均匀，感应磁场在空间z方向分量为零；当平板表面存在一个圆形缺陷时，由于导体表面状况发生改变，缺陷处的电流流向产生偏转，感应电流的整体分布不再均匀，感应磁场也随之发生变化，z方向出现不为零的磁场分量；如图1所示，在圆形缺陷的最外表面，电流产生弯曲，并且此位置处弯曲变形量最大，因此，此时z方向的扰动磁场最大，在扰动曲线上显示为一峰值；同样，在圆形缺陷的另一侧，z方向的扰动磁场也发生明显的变化，只不过此时磁场方向与另一侧磁场方向正好相反。
沿着x轴路径①方向采集得到的扰动磁场如曲线所示，其中在圆形缺陷边缘a、e位置达到最大值；同理，沿着路径②采集平板上表面扰动磁场，仍然可以得到与前面类似的Bz曲线，不过此时的扰动峰值与扰动位置有所改变；扰动磁场峰值的改变由图所示涡流流向变化来解释。a点所示位置的涡流为圆形左半平面所有涡流改变方向后汇聚而成，a'点所示位置右侧涡流仅为a点处涡流的其中一部分。因此，a'对应的扰动峰值较a点处对应扰动峰值要有所减弱。其次，扰动位置也发生了移动，此位置正好与圆形缺陷的几何形状相匹配。因此，缺陷形态对应不同位置处的Bz扰动磁场峰值的变化，构成了缺陷形态电磁图像识别的理论基础。
本发明实施例提供的一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，包括检测装置和信号处理单元2；所述检测装置包括矩形激励线圈12和传感器单元13；所述方法步骤如下：
S101：对矩形激励线圈12输入方波信号激励源，产生的电磁场穿过金属表面的保护层，在金属表面形成均匀的感应涡流，方波信号为给定上升沿时间tr、下降沿时间tf，脉冲宽度tw的方波信号；
S102：通过传感器单元13获取方向垂直于金属表面的扰动磁场信号，并将扰动磁场信号发送至信号处理单元2；
S103：根据扰动磁场在方波信号数值变化时的瞬态响应，信号处理单元2将接收到的磁场变化转换为成比例关系的图像进行实时显示；
S104：当信号处理单元2显示缺陷图像时，调整检测探头在XY平面上的方向位置，直至图像显示清晰。
本实施例选取了表面形态为细长矩形、圆形、正方形、等腰三角形的缺陷进行研究。各缺陷几何参数选择如下：细长矩形缺陷的长、宽分别为15mm×1mm，圆形缺陷的直径为2mm，正方形缺陷的边长为1mm，等腰三角形缺陷的腰长、底边长分别为为了避免缺陷深度对形态识别的干扰，所有缺陷深度设为1mm。
如图2所示，(a)缺陷形态为细长矩形的Bz曲线和Bz图像；(b)缺陷形态为圆孔的Bz曲线和Bz图像；(c)缺陷形态为正方形的Bz曲线和Bz图像；(d)缺陷形态为三角形的Bz曲线和Bz图像。
选取t＝0-0.01s时刻三维截面上的扰动磁场，得到上述四类不同形态缺陷沿x轴z方向的磁场分布曲线与图像。由扰动磁场分布曲线可知，t＝0与t＝0.01s时刻响应曲线存在较大差异。t＝0.01s时刻的曲线出现正、负两个波峰，而t＝0时刻响应曲线出现正、负共四个波峰。分析波峰形成原因可知，t＝0.01s时刻所呈现的波峰是由激励线圈源场产生，其位置反映的是激励线圈的几何尺寸，与平板表面缺陷无关。t＝0时刻所呈现的四个波峰，其中左右两个波峰的形成也与激励源直接有关，与t＝0.01s时刻形成机理相同，并且其发生位置与t＝0.01s时刻完全一致。t＝0时刻所呈现的四个波峰，其中中间两个波峰形成则与激励源无直接关联，仅仅由平板表面缺陷所导致形成。由波峰幅值可以看出，此时缺陷形成的波峰比由激励源形成的波峰要高出几倍，这对于图像检测而言是非常有效的，进而可以减小激励源对缺陷成像的不利影响。此外，由t＝0与t＝0.01s两个时刻所对应的扰动磁场曲线及Bz图像可知，对于瞬态分析，选择适当时刻的响应非常的重要。t＝0时刻的激励信号发生突变，瞬间产生的响应能够充分反映被测物体的固有状态属性。
当存在缺陷时，由于受磁场扰动的影响，缺陷发生位置处会出现畸变，在Bz曲线中显现为两个峰值。随着缺陷几何形态的改变，两峰值间的距离也会产生相应的变化。但当缺陷分别为圆形、正方形、等腰三角形时，三者Bz曲线的峰值间距较为接近，不易区分。相比之下，Bz图像则能分别呈现出细长矩形、圆形、正方形、等腰三角形的形态。因此，仅仅通过分析Bz曲线，只能判别出缺陷的存在与否，但对于其具体形态，则很难归纳出特征规律，而Bz图像能够非常直观且清晰地呈现缺陷的形态特征以及在金属表面的位置信息等。
综合分析图2，扰动磁场Bz成像可以总结以下特点：(1)扰动磁场Bz成像，在t＝0时刻清晰，几乎无其他干扰；(2)扰动磁场Bz成像具有对称性；(3)扰动磁场Bz成像在对称轴附近区域，无显示图像。因此，需要结合以上三个特点，才能完整还原缺陷的具体形状。
以上为缺陷形状规则情况下得到的扰动磁场图像，为了进一步证实该方法的有效性，下面以一个不规则的裂纹作为被测对象。图3左图为所构建的裂纹形态，图3右图为该裂纹所形成的Bz图像。通过验证可以发现，该方法不但对规则缺陷有效，对一些不规则缺陷的形态检测依然有效，完全能够达到工业生产中对缺陷状态监测的目标要求。
在结构件状态检测与故障诊断过程中，往往需要了解实际缺陷的方位特征，以掌握被测对象的具体破坏程度。本实施例以等边三角形缺陷为例，将其绕铝板正中心按顺时针方向依次旋转一定角度，进而得到不同方位角缺陷所形成的Bz图像。缺陷几何参数选择如下：三角形边长都为1mm，初始位置时，三角形的一条边与x轴平行，其余三角形依次旋转90°，如图4(a)-(d)左上角所示。
图4(a)-(d)分别为方位角0°、90°、180°和270°三角形缺陷所形成的Bz图像。通过观察可以发现，虽然处于不同方位角的缺陷都可以在图像中显现出来，但图像的清晰度以及成像完整度仍存在一定的差异。当三角形处于初始位置和180°方位时，Bz图像较为模糊，三角形棱角部分出现部分缺失，辨别度低。相比之下，当其处于90°和270°方位时，图像的完整性与清晰度则较高，几乎可以复原缺陷的形态。
由此可以得出结论：缺陷方位角会对图像识别的清晰度和完整度产生一定的影响。以等边三角形缺陷为例，当三角形的一条对称轴与金属表面感应电流方向一致时，Bz图像的清晰度与完整度最高，检测效果最佳；随着方位角的改变，Bz成像效果逐渐降低。一般意义上，缺陷边界与感应电流所形成的夹角越大，则扰动磁场Bz形成的图像就越完整，清晰度越高。因此，采用扰动磁场Bz成像实现缺陷形态识别时，如果缺陷图像并不非常的清晰，可以采取一定的措施，比如调整探头方位，直至得到清晰图像为止，从而实现有效地检测。当然，由于产生图像与激励源在金属表面形成的涡流方向有关，根据这一特性也可以实现缺陷在金属表面所处方位的鉴别。
为了分析线圈结构对图像识别的影响，探寻适用于图像识别的激励源结构，分别建立图5(a)、图6(a)所示的激励线圈结构模型。不同结构的线圈中均通以上升沿、下降沿时间为0.001s，脉冲宽度为0.01s的方波激励信号，并采用边长为1mm的正方形缺陷。
图5(b)、图6(b)分别为上述两种不同结构线圈的Bz图像。观察可知，对于缺陷的具体形态，在图像中并不能清晰的显示，很难分辨出缺陷的形态。通过不断调整缺陷的位置得到相应的Bz图像，可以勉强的推测出缺陷的大致位置和轮廓，如图虚线标识。由前面研究已知，利用矩形线圈作为激励源可得到明显的缺陷图像。因此，根据各类线圈结构的图像特征可得出结论：利用矩形线圈作为激励线圈的结构能得到较好的图像识别效果。
分析以上现象和结论的深层机理，可以归纳为以下两点：(1)不同结构的激励线圈，生成源磁场的方向不同。不同的源磁场从而在金属平板表面产生方向和大小不同的涡电流，此为Bz成像存在较大差异的诱因；(2)从磁场扰动的角度分析，对于一个排列规则的涡电流而言，一个非常小的扰动将会使磁场发生明显的变化；而对于一个排列规则不一致的涡电流而言，其受扰动的程度就将显得不那么明显。基于以上分析，圆柱形线圈在被测物体表面产生形状为圆环状的涡电流，其大小和方向关于轴向成轴对称分布。由于圆环形状的涡电流，其不同位置对于缺陷的阻碍程度不一样，从而产生的扰动也呈现不规则分布，因此扰动磁场Bz成像难以体现缺陷的具体形态特征。
实施例2：
如图7所示，本实施例提供的一种金属表面缺陷形态电磁识别装置，包括检测装置和信号处理单元2；所述检测装置与所述信号处理单元2电性连接；所述检测装置包括上下固定设置的矩形激励线圈12和传感器单元13；所述传感器单元13包括沿XY平面设置的多个圆形平面线圈；全部所述多个圆形平面线圈均匀排列；所述检测装置用于产生XY平面的感应涡流；所述传感器单元13用于采集Z方向的磁场信号；所述信号处理单元2用于将磁场信号转化为图像信息。
金属试件1正上方为矩形激励线圈，其位于相对磁导率μr＝1，相对介电常数ε＝1的空气中；线圈均匀缠绕在长40mm、宽25mm、高25mm的矩形骨架上，厚度为1mm，线圈匝数设为1000匝。通过激励线圈输入激励源，用以产生磁场；电磁场将穿过保护层，从而在试件表面产生均匀的感应涡流；线圈中给定上升沿时间tr、下降沿时间tf均为0.001s，脉冲宽度tw＝0.01s的方波信号；由于缺陷形态所形成的图像是由z方向扰动磁场所引发的，因此采用xy平面内的圆形平面线圈获取缺陷上表面z方向磁场；PC单元负责并将扰动磁场转换为图像信息，并将反映缺陷形态的图像在屏幕中显示。
检测过程中，检测装置的探头贴住待测金属保护层表面，手持探头在金属表面平行移动；探头每移动一个位置，保持在原位暂停一段时间；在这段时间内，检测装置内部的传感器单元将该区域z方向扰动磁场采集，并传输至信号处理单元；信号处理单元将信号处理后送至计算机，经过计算机软件再将磁场转换为成比例关系的图像；用户通过计算机PC可以实时观测金属表面缺陷的状态。
综上所述，本发明提供的一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，采用静态检测的方式能够快速有效地获取带有保护层的金属表面缺陷形态信息，提高传统电磁无损检测的精确度和评价能力。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，其特征在于，包括检测装置和信号处理单元；所述检测装置包括激励线圈和传感器单元；所述方法步骤如下：
S101：对激励线圈输入方波信号激励源，产生的电磁场穿过金属表面的保护层，在金属表面形成均匀的感应涡流；
S102：通过传感器单元获取方向垂直于金属表面的扰动磁场信号，并将扰动磁场信号发送至信号处理单元，所述传感器单元包括沿XY平面设置的多个圆形平面线圈；
S103：根据扰动磁场在方波信号数值变化时的瞬态响应，信号处理单元将接收到的磁场变化转换为成比例关系的图像进行实时显示。
2.如权利要求1所述的带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，其特征在于，还包括：
S104：当信号处理单元显示缺陷图像时，调整检测探头在XY平面上的方向位置，直至图像显示清晰。
3.如权利要求1所述的带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，其特征在于，所述步骤1中的方波信号为给定上升沿时间tr、下降沿时间tf，脉冲宽度tw的方波信号。
4.如权利要求1所述的带保护层金属表面缺陷形态电磁识别方法，其特征在于，所述步骤S101中的激励线圈采用矩形线圈。
5.一种基于权利要求1-4任一项权利要求的一种金属表面缺陷形态电磁识别装置，其特征在于，包括检测装置和信号处理单元；
所述检测装置与所述信号处理单元电性连接；所述检测装置包括上下固定设置的激励线圈和传感器单元；所述检测装置用于产生XY平面的感应涡流；
所述传感器单元用于采集Z方向的磁场信号；
所述信号处理单元用于将磁场信号转化为图像信息。
6.如权利要求5所述的金属表面缺陷形态电磁识别装置，其特征在于，所述传感器单元包括沿XY平面设置的多个圆形平面线圈；全部所述多个圆形平面线圈均匀排列。
7.如权利要求5所述的金属表面缺陷形态电磁识别装置，其特征在于，所述激励线圈为矩形线圈。
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2023
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| CN117607248A (zh) * | 2024-01-23 | 2024-02-27 | 电子科技大学 | 一种基于数字锁相放大器的金属缺陷检测成像方法 |
| CN117607248B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-04-02 | 电子科技大学 | 一种基于数字锁相放大器的金属缺陷检测成像方法 |
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