CN116642532A - 适用于试件缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于铁磁性金属试件缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置及方法，结合了漏磁检测和电磁超声两种检测方法，具体来讲，通过漏磁检测方法检测被测试件表面的缺陷，通过电磁超声检测方法检测被测试件内部的缺陷；同时再将电磁超声检测方法的回波时间差和漏磁检测信号的电压信息进行分析，即可获得被检试样的表面及内部缺陷信息。

Description

适用于试件缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置及方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于铁磁性金属试件的缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置及方法。

背景技术

金属材料广泛应用于石油管道、武器身管和油气储罐等领域。管道设备的安全维护和定期排查是十分重要的。随着管道设备的服役年限增加，其内部出现的裂纹、凹坑和气孔夹杂等缺陷会造成严重的作业事故。因此，管道设备开展缺陷、疲劳、残余应力等结构性损伤检测和有效评估具有重要的意义。

目前，管道采用的检测技术主要有漏磁检测、涡流检测、交流电磁场检测、超声检测等方法。漏磁检测的激励源由永磁体提供，因此，它的功耗很小，对表面及近表面缺陷灵敏，已经广泛应用于管道内检测。但是，受永磁体磁化能力的限制，漏磁检测方法的检测深度有限。涡流检测和交变电磁场检测方法都是基于电磁感应原理的无损检测方法，采用激励线圈使管道表面感应出涡流场，通过不连续处对涡流场的扰动反映出缺陷信息。虽然交变电磁场检测方法能够同时获得缺陷的长度和深度信息，但是，受集肤深度的限制，上述两种方法仅适用于试样表面的缺陷检测。超声波由于其良好的穿透能力，广泛用于试样内部缺陷检测。传统的压电超声检测方法具有良好的信噪比，但是，它需要在检测对象和换能器之间设置耦合剂。电磁超声作为一种新型无损检测技术，通过电磁感应在试样内部激励出超声波，对检测环境要求不高，已广泛应用于石油管道和钢轨等部位的在线检测。由于电磁超声检测方法是基于电磁感应的一种检测方法，因此它并不需要耦合剂。然而，电磁超声检测方法的近声场发散带来的盲区比较严重，这意味着近场区域的缺陷不能被检测到。考虑到漏磁检测方法和电磁超声检测方法对试样内部不同位置的缺陷具有不同的灵敏度，因此，采用漏磁检测与电磁超声检测方法融合的多物理场检测方法可以一定程度上实现对被检测对象性能的全方位评估。

目前，专利CN 102661995 A公布了一种基于电磁超声测厚与漏磁检测复合的检测方法，探头采用的是L型磁芯搭配永磁体，用于实现被测试样内、外壁缺陷的识别与定位。但是其不足在于霍尔传感器外部没有设置磁屏蔽壳。由于霍尔传感器的线性工作区比较窄，没有磁屏蔽壳的情况下，霍尔传感器容易被永磁体的空间磁场磁化至饱和状态，导致传感器饱和而不给出线性信号。磁屏蔽壳的存在，能够尽可能减小背景磁场以形成接近磁真空，使缺陷的磁泄露尽可能最大化，同时降低传感器在检测过程中由于抖动形成的噪音，提高漏磁检测信号的信噪比。此外，采用的L型磁芯搭配的永磁体结构形成的磁场强度和密度不均匀，可能导致试样内部无法被均匀磁化，从而影响漏磁检测部分的检测效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于铁磁性金属试件的缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置及方法，结合漏磁检测-电磁超声检测对被测试件的缺陷及厚度进行同步检测。

为实现上述发明目的，本发明一种适用于铁磁性金属试件缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置，其特征在于，包括：漏磁检测单元、电磁超声检测单元和铜外壳；

所述漏磁检测单元包括：矩形轭铁、两个圆柱形永磁体、磁屏蔽壳和霍尔传感器；

两个圆柱形永磁体位于矩形轭铁两端呈对称分布，矩形轭铁和两个圆柱形永磁体组成的U型磁化结构，U型磁化结构置于被测试件的正上方，用于均匀磁化被测试件；磁屏蔽壳放置于U型磁化结构的正中间，用于屏蔽两个圆柱形永磁体之间的空间磁场，防止霍尔传感器被空间磁场磁化至饱和状态；霍尔传感器嵌入在磁屏蔽壳正中间，放置于两个圆柱形永磁体之间；

所述电磁超声检测单元包括：螺旋线圈以及与漏磁检测单元共用的单个圆柱形永磁体；

螺旋线圈固定于圆柱形永磁体正下方；

所述铜外壳将上述所有的器件都置于内部，用于屏蔽外部的噪音信号。

本发明还提供一种多物理融合检测装置进行缺陷和厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将多物理融合检测装置置于被测试件上方，然后通过信号发生器产生一个高频脉冲信号，高频脉冲信号经过功率放大器进行信号放大后，通过阻抗匹配电路输入至多物理融合检测装置中的螺旋线圈；

(2)、螺旋线圈在大功率激励脉冲作用下在被测试件表面感应出电涡流，根据洛伦兹力效应，电涡流与圆柱形永磁体产生的磁场相互作用，在被测试件内部激励出沿厚度方向传播的超声波；

(3)、当被测试件内部存在缺陷时，超声波传播至缺陷处时部分超声波会被缺陷反射，并沿着传播路径返回至被测试件表面，其余部分的超声波绕过缺陷继续向被测试件的底面传播，传播至底面时被底面反射，缺陷回波和底面反射波均沿着传播路径返回至被测试件的表面，从而被螺旋线圈接收，此时，根据逆洛伦兹力效应，螺旋线圈内部会感应出微弱的电压信号，电压信号通过前置放大器处理后送入示波器显示；同时，当被测试件表面存在缺陷时，被测试件在被U型磁化结构磁化后，在缺陷位置存在磁通量泄露，进而被霍尔传感器采集到被测试件表面的漏磁场信息；

(4)、将霍尔传感器采集的漏磁场信息经过信号调理电路处理后，得到漏磁检测电压信号，通过漏磁检测电压信号进行分析，得到被测试件表面的缺陷信息；

(5)、计算缺陷回波与激励脉冲的时间差t_d，以及底面反射波与激励脉冲的时间差t_r；

确定缺陷与被测试件表面的垂直距离为L＝v·t_d/2，从而反映出被测试件内部的缺陷位置和大小信息；

确被测试件的厚度为H＝v·t_r/2，其中，v表示超声波在被测试件中的传播速度。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种适用于铁磁性金属试件缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置及方法，结合了漏磁检测和电磁超声两种检测方法，具体来讲，通过漏磁检测方法检测被测试件表面的缺陷，通过电磁超声检测方法检测被测试件内部的缺陷；同时再将电磁超声检测方法的回波时间差和漏磁检测信号的电压信息进行分析，即可获得被检试样的表面及内部缺陷信息。

同时，本发明一种适用于铁磁性金属试件缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置及方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明将漏磁检测技术和电磁超声检测技术相结合，取漏磁检测传感器的局部磁场作为电磁超声激励源的一部分，这样充分利用两种检测方法对不同深度缺陷的敏感度以及传感器的磁路互补特性，弥补了单一检测方法的局限性，为检测系统增加了更多维度的缺陷信息；

(2)、在缺陷识别和判断方面，本发明分别提取漏磁检测信号的异常特征，电磁超声检测信号的缺陷回波和底面反射波的时间进行综合分析，通过单次检测就能实现试样的表面缺陷，内部缺陷和厚度测量的全面评估；

(3)、由于漏磁检测方法的激励源由永磁体提供，是准静态的，而电磁超声检测方法的激励源一般为MHz的脉冲信号，两种检测方法的电压信号之间不会有显著的干扰。其次，由于漏磁检测系统和电磁超声检测系统的接收具有不同的接收处理电路，因此，两种信号具有良好的电气隔绝，最大程度降低信号间的电磁干扰；

(4)、本发明与专利CN 102661995 A相比，本发明通过改进轭铁的结构以及设计磁屏蔽壳等方式，可以防止霍尔传感器被永磁体的空间磁场磁化至饱和状态而不给出线性信号，能够尽可能减小背景磁场以形成接近磁真空，使缺陷的磁泄露尽可能最大化，同时降低传感器在检测过程中由于抖动形成的噪音，提高漏磁检测信号的信噪比。此外，矩形轭铁和两个圆柱形永磁体组成的U型磁化结构能够保证磁场强度和密度均匀，防止被测试件内部无法被均匀磁化，提高漏磁检测部分的检测效果。

附图说明

图1是本发明一种多物理融合检测装置的架构图；

图2是多物理融合检测装置的融合原理图；

图3是常规漏磁检测的原理图；

图4是常规电磁超声检测的原理图；

图5是超声波在被测试件内部的传播示意图；

图6是多物理融合检测装置进行无损检测的系统框图；

图7是多物理融合检测装置的信号分析示意图；

图8是被测试件示意图；

图9是多物理融合检测装置的检测结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种多物理融合检测装置的架构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种适用于铁磁性金属铁磁性金属材料的缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置，包括：漏磁检测单元、电磁超声检测单元和铜外壳；

漏磁检测单元包括：矩形轭铁、两个圆柱形永磁体、磁屏蔽壳和霍尔传感器；

两个圆柱形永磁体位于矩形轭铁两端呈对称分布，矩形轭铁和两个圆柱形永磁体组成的U型磁化结构，U型磁化结构置于被测试件的正上方，用于均匀磁化被测试件；磁屏蔽壳放置于U型磁化结构的正中间，用于屏蔽两个圆柱形永磁体之间的空间磁场，防止霍尔传感器被空间磁场磁化至饱和状态；霍尔传感器嵌入在磁屏蔽壳正中间，放置于两个圆柱形永磁体之间；

电磁超声检测单元包括：螺旋线圈以及与漏磁检测单元共用的单个圆柱形永磁体；螺旋线圈固定于圆柱形永磁体正下方；

铜外壳将上述所有的器件都置于内部，采用黄铜制作而成，用于屏蔽外部噪音信号，同时使得传感器有一个稳定固定的机械结构。

图3为常规漏磁检测方法的原理图。

轭铁和两个永磁体形成的U型结构用于在被测试件内部形成均匀的水平磁化场，试样被磁化至饱和(或接近饱和)的状态。当被测试件表面存在缺陷时，由于缺陷处的低磁导率导致磁力线被挤压，部分磁通量泄露至空气中，形成漏磁场，霍尔传感器用于拾取该漏磁场信号。

图4为常规的电磁超声检测方法的原理图。

对于电磁超声检测方法而言，单个永磁体提供主要沿垂直方向分布的静磁场B_s，当线圈中通以高频脉冲电流时，根据电磁感应定律，会在被测试件表面感应出涡流J_e，涡流与静磁场B_s相互作用产生洛伦兹力f_L，洛伦兹力在被测试件内部带动质点振动产生沿试样厚度方向传播的超声波。

在本实施例中，如图2所示，多物理融合检测装置结合了漏磁检测技术和电磁超声检测技术，对于漏磁检测方法而言，两个永磁体提供的磁场通过轭铁引入试样，在被测试件内部形成水平磁化的均匀磁场。当被测试件表面存在缺陷时，由于缺陷处磁导率突变导致磁力线被挤压，磁通量泄露于空气中，形成漏磁场。对于电磁超声检测方法而言，单个永磁体提供垂于被测试件表面的垂直磁场，当螺旋线圈中通以高频脉冲信号时，被测试件表面感应的涡流与静磁场相互作用，在被测试件内部激励出超声波。

下面我们对多物理融合检测装置进行缺陷和厚度检测方法进行详细说明，具体包括以下步骤：

S1、将多物理融合检测装置置于被测试件上方，然后通过信号发生器产生一个高频脉冲信号，高频脉冲信号经过功率放大器进行信号放大后，通过阻抗匹配电路输入至多物理融合检测装置中的螺旋线圈；

S2、螺旋线圈在大功率脉冲激励信号作用下在被测试件表面感应出电涡流，根据洛伦兹力效应，电涡流与圆柱形永磁体产生的磁场相互作用，在被测试件内部激励出沿厚度方向传播的超声波；

S3、当被测试件内部存在缺陷时，如图5所示，超声波在被测试件内部传播时，当超声波传播至缺陷处时，部分超声波会被缺陷反射，并沿着传播路径返回至被测试件表面，部分超声波会被缺陷反射，形成缺陷回波，缺陷回波沿传播路径返回至多物理融合检测装置；其余部分的超声波绕过缺陷继续向被测试件的底面传播，传播至底面时被底面反射，缺陷回波和底面反射波均沿着传播路径返回至被测试件的表面，然后被螺旋线圈接收；

此时，根据逆洛伦兹力效应，螺旋线圈内部会感应出微弱的电压信号，电压信号通过前置放大器处理后送入示波器显示；同时，当被测试件表面存在缺陷时，被测试件在U型磁化结构磁化后，在缺陷位置处存在磁通量泄露，进而被霍尔传感器采集到被测试件表面的漏磁场信息；

S4、将霍尔传感器采集的漏磁场信息经过信号调理电路处理后，得到漏磁检测电压信号，通过漏磁检测电压信号进行分析，得到被测试件表面的缺陷信息；

S5、由于缺陷回波和底面反射波的时间不同，幅值也不同，因此，我们可以根据缺陷回波与激励脉冲的时间差t_d，可以确定缺陷与被测试件表面的垂直距离为L＝v·t_d/2，这样可以确定缺陷位置，然后通过多数据拟合方式可以进一步确定缺陷的大小；根据底面反射波与激励脉冲的时间差t_r可以确定被测试件的厚度为H＝v·t_r/2，其中，v表示超声波在被测试件中的传播速度；

综上所述，当取缺陷回波与激励脉冲信号的时间差t_d，以及底面反射波与激励脉冲信号的时间差t_r，并将其与步骤S4中的漏磁检测电压信号同步在同一个显示界面对比，通过一次扫查检测，即可获得两种不同检测方法的检测结果，即漏磁电压信号可反映出试样表面的缺陷信息，根据缺陷回波与激励脉冲信号的时间差t_d可以反映出被测试件内部的缺陷位置和大小信息，根据底面反射波与激励脉冲的时间差t_r可以反映出被测试件的厚度信息。

实例

在本实施例中，如图6所示，信号发生器产生高频交流脉冲信号，经过功率放大器将信号放大，阻抗匹配器件保证螺旋线圈获得最大激励功率，双工机用于实现超声波信号的激励与接收过程分离。超声波遇到缺陷时部分超声波发生反射，传播至接收端被接收。经过接收端前置放大环节和数据采集等环节，最后在示波器界面上显示超声波信号。同时，霍尔传感器接收漏磁信号进入漏磁调理电路，进行放大滤波处。

其中，各个器件的具体参数为：永磁体直径为25mm，高度为20mm，轭铁尺寸为长105mm，宽25mm，高10mm，霍尔传感器与被测试件表面的提离距离为2mm，螺旋线圈导线直径为0.25mm，线圈匝数为36匝，线圈与被测试件表面的提离距离为0.5mm。磁屏蔽壳采用硅钢材料制作而成，可有效屏蔽U型激励结构中间的空间磁场，防止霍尔传感器被磁化至饱和，外壳采用黄铜材料制做而成，可有效屏探头外部的噪音信号。

按照图6的系统框图连接，电磁超声的激励脉冲信号频率为2MHz，周期数为3。

被测试件如图8所示，其厚度为40mm，在上表面(a)和下表面(b)分别预置了人工槽型缺陷和盲孔缺陷，缺陷的具体参数已在图中标注。当传感器经过缺陷时，由于被测试件近表面被传感器的U型磁化结构磁化，导致缺陷处有磁通量泄露，进而被霍尔传感器拾取。同时，被测试件内部传播的超声波遇到盲孔缺陷时，会沿传播路径反射，形成缺陷回波和底面反射波。缺陷回波可确定盲孔的垂直位置，底面反射波可确定被测试件的厚度。

如图7所示，取不同位置的漏磁检测电压信号、电磁超声缺陷回波与激励脉冲的时间差t_d和底面反射波与激励脉冲的时间差t_r进行综合分析。根据不同位置的漏磁电压异常信号可判断表面缺陷的位置，根据不同位置的时间差t_d可以确定当前位置内部缺陷的垂直距离，根据不同位置的时间差t_r可以确定当前位置的试样厚度。

图9为多物理融合检测装置的检测结果图。

在本实施例中，图9中的(a)表示来自漏磁检测方法所获得的表面缺陷电压信号，可以看出，缺陷幅值随宽度的减小而降低。图9中的(b)表示来自于电磁超声检测方法所采集到的内部盲孔缺陷的超声波信号，其中缺陷回波与激励脉冲的时间差为20.5μs，通过公式计算可获得缺陷距离被测试件上表面的距离，被测试件的厚度取底面反射波与激励脉冲的时间差t_r，按照相同的方法进行计算。如图7所示，取融合传感器的不同位置的漏磁检测电压信号、电磁超声缺陷回波与激励脉冲的时间差t_d和底面反射波时间与激励脉冲的时间差t_r综合分析结果，结果如图9中的(c)所示，由图可知，多物理融合检测装置成功检测出被测试件表面槽型缺陷及内部盲孔缺陷。不同宽度的表面缺陷具有不同的电压幅值，不同尺寸的盲孔缺陷之间的回波时间也有差别，同时，被测试件的厚度也可根据底面反射波的时间进行计算。上述检测结果表明，该多物理融合检测装置能够同步检测出存在于试样表面缺陷，内部缺陷以及试样的厚度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种适用于试件缺陷及厚度检测的多物理融合检测装置，其特征在于，包括：漏磁检测单元、电磁超声检测单元和铜外壳；

所述漏磁检测单元包括：矩形轭铁、两个圆柱形永磁体、磁屏蔽壳和霍尔传感器；

两个圆柱形永磁体位于矩形轭铁两端呈对称分布，矩形轭铁和两个圆柱形永磁体组成的U型磁化结构，U型磁化结构置于被测试件的正上方，用于均匀磁化被测试件；磁屏蔽壳放置于U型磁化结构的正中间，用于屏蔽两个圆柱形永磁体之间的空间磁场，防止霍尔传感器被空间磁场磁化至饱和状态；霍尔传感器嵌入在磁屏蔽壳正中间，放置于两个圆柱形永磁体之间；

所述电磁超声检测单元包括：螺旋线圈以及与漏磁检测单元共用的单个圆柱形永磁体；

螺旋线圈固定于圆柱形永磁体正下方；

所述铜外壳将上述所有的器件都置于内部，用于屏蔽外部的噪音信号。

2.一种根据权利要求1所述的多物理融合检测装置进行缺陷和厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将多物理融合检测装置置于被测试件上方，然后通过信号发生器产生一个高频脉冲信号，高频脉冲信号经过功率放大器进行信号放大后，通过阻抗匹配电路输入至多物理融合检测装置中的螺旋线圈；

(2)、螺旋线圈在大功率激励脉冲作用下在被测试件表面感应出电涡流，根据洛伦兹力效应，电涡流与圆柱形永磁体产生的磁场相互作用，在被测试件内部激励出沿厚度方向传播的超声波；

(3)、当被测试件内部存在缺陷时，超声波传播至缺陷处时部分超声波会被缺陷反射，并沿着传播路径返回至被测试件表面，其余部分的超声波绕过缺陷继续向被测试件的底面传播，传播至底面时被底面反射，缺陷回波和底面反射波均沿着传播路径返回至被测试件的表面，从而被螺旋线圈接收，此时，根据逆洛伦兹力效应，螺旋线圈内部会感应出微弱的电压信号，电压信号通过前置放大器处理后送入示波器显示；同时，当被测试件表面存在缺陷时，被测试件在被U型磁化结构磁化后，在缺陷位置存在磁通量泄露，进而被霍尔传感器采集到被测试件表面的漏磁场信息；

(4)、将霍尔传感器采集的漏磁场信息经过信号调理电路处理后，得到漏磁检测电压信号，通过漏磁检测电压信号进行分析，得到被测试件表面的缺陷信息；

(5)、计算缺陷回波与激励脉冲的时间差t_d，以及底面反射波与激励脉冲的时间差t_r；

确定缺陷与被测试件表面的垂直距离为L＝v·t_d/2，从而反映出被测试件内部的缺陷位置和大小信息；

确被测试件的厚度为H＝v·t_r/2，其中，v表示超声波在被测试件中的传播速度。