CN117092208A - 一种用于裂纹检测的涡流无损检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于裂纹检测的涡流无损检测系统及方法，优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号；将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，输出端部线圈产生的响应信号；采集响应信号，计算每个频段序列信号峰值偏移，按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位；将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器，测量检测对象的综合磁感应强度；计算该已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，与测得的综合磁感应强度比较，判断检测对象的裂纹等级。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，更具体地，涉及一种用于裂纹检测的涡流无损检测系统及方法。
背景技术
近年来，涡流等表面检测检测新技术得到飞速发展。其不损伤本体、快速高效等特性，能有效地解决传统无损检测方法存在劳动强度大、周期长、效率低、安全性差等问题，实现大面积快速检测、节省大量人力物力。涡流红外检测是基于电磁学中的涡流现象与焦耳热现象，运用高速高分辨率红外热像仪获取温度场分布，并通过对红外热图像序列的分析处理来检测结构缺陷及材料电磁热特性变化。其检测结果为图像，直观易懂，单次检测面积大，效率高，检测时无需接触被测件表面，同时可利用涡流效应检测表面及近表面缺陷，可检测更深层缺陷,这些都是这种检测方法的优势。
根据电磁感应定律，当通入高频的交变电流的感应线圈靠近导体试件时，在试件的表面会感生出涡流，如果被测件中有缺陷，涡流将被迫绕过缺陷，改变其流向，这将使得被测件内部涡流密度发生变化。由焦耳定律可知，涡流在被测件中转换成焦耳热，导致被测件中产生的热量不均匀，从而产生高温区和低温区，由于温度的差异性，高温区热量通过热传导向低温区传递，导致被测件不同区域温度发生变化，通过红外热像仪采集试件温度的变化过程，然后将采集的热图像视频交给计算机进行分析处理，来获取被测件相关信息，实现缺陷的定性与定量检测。
涡流检测是一种适用于金属导体材料表面和近表面腐蚀、开裂、孔洞等类型缺陷的无损检测方法，在检测实践中应用广泛，具有较高的检测灵敏度。传统的涡流检测，通常给激励线圈加载交变电流，当检测线圈靠近被测试件时，激励线圈所产生的磁力线会在导体表面切割，随即导体试件产生迅速衰减的反向涡流，涡流感生出的二次磁场又会改变接收元件的阻抗大小，通过观察检测线圈阻抗变化可以判断被检试件的完好性。
传统涡流检测方法虽然能实现金属导体材料表面和近表面缺陷的无损检测，但由于提离效应的存在，使得传统涡流检测技术大大受限于金属导体材料外部绝缘层的厚度，当存在比较厚的绝缘层时，传统涡流检测精度往往达不到要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于裂纹检测的涡流无损检测方法，包括如下步骤：
S1、优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号；
S2、将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，由位于检测对象端部的线圈输出响应信号；
S3、采集响应信号，计算每个频段序列信号的峰值偏移，按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位；
S4、将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器，测量检测对象的综合磁感应强度；
S5、计算已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，与步骤S4中测得的综合磁感应强度比较，判断检测对象的裂纹等级。
进一步地，步骤S3中，每个频段序列信号的峰值偏移SK为：
；
其中：
；
；
式中：x(k)为每个频段序列信号的傅里叶变换，k为傅里叶变换的横坐标变量，N1为线性调频起始频率对应的傅里叶变换点横坐标，N2为线性调频终止频率对应的傅里叶变换点横坐标，为x(k)的均值，D为x(k)的标准方差。
进一步地，步骤S4中，当检测对象表面有裂纹时，检测对象的综合磁感应强度写为：
；
信号发生器周围产生磁场的磁感应强度为Bc，线圈产生的磁感应强度记为，检测对象的裂纹处产生的磁场为/>。
进一步地，步骤S5中，将已知裂纹等级的试件作为标准，将探头内的电流J0导入电磁场方程，计算所述已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，电磁场方程如下式所示：
；
式中：表示检测对象的磁导率；/>为梯度算符；/>表示检测对象的电导率；t表示时间，a为平衡系数，Bw为已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度；
计算检测对象的裂纹等级P为：
。
进一步地，步骤S1中，采用多个频率正弦信号同步合成多频段触发信号，同步合成的多频段触发信号随时间t变化的波形s(t)的计算公式为：
；
式中,Ai为N个频段分量中的第i个频段分量的幅值,为第i个频段分量的角频率,/>为第i个频段分量的初始相位。
进一步地，利用快速傅里叶变换对波形s(t)进行傅立叶展开，波形展开形式I(t)如下式所示：
；
式中,Ai为第i个频段分量的幅值；j表示复数表达式的虚部标识；为第i个频段分量的角频率；t为时间。
进一步地，通过适应度函数优化触发信号各频段分量的初始相位，适应度函数为：
；
其中，abs为绝对值函数，max为最大值函数。
本发明还提出了一种用于裂纹检测的涡流无损检测系统，用于实现涡流无损检测方法，包括：信号调制模块，信号输入模块，信号发生器，线圈，信号输出模块，信号处理模块，反馈模块，探测模块和判断模块；
所述信号调制模块，用于优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号；
所述信号输入模块，用于将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，通过信号输出模块输出线圈产生的响应信号；
所述信号处理模块，对输出线圈产生的响应信号进行采集，计算每个频段序列信号的峰值偏移；
所述反馈模块，用于按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位，将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器；
所述探测模块，通过探头在检测对象上方运动，测量检测对象表面产生的感应磁场，计算检测对象的综合磁感应强度；
所述判断模块，用于计算该已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，与所述探测模块测得的综合磁感应强度比较，判断检测对象的裂纹等级。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号；将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，输出端部线圈产生的响应信号；采集响应信号，计算每个频段序列信号的能量及峰值偏移，按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位；将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器，测量检测对象的综合磁感应强度；计算该已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，与测得的综合磁感应强度比较，判断检测对象的裂纹等级。可根据目标检测试件缺陷的具体情况，调整频率范围，确保能量有效集中，在提高了检测灵敏度的基础上，减少能量的浪费，可广泛应用于不同深度范围缺陷材料的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的用于裂纹检测的涡流无损检测方法的流程图；
图2为本发明的探头内产生电流值随探头位置的变化示意图。
图3为不同裂纹处的磁感应强度图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，为本发明的一种用于裂纹检测的涡流无损检测方法的流程图，涡流无损检测方法包括如下步骤：
步骤1：优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号。
触发信号采用多个频率正弦信号同步合成方式，当采用多个频率正弦信号同步合成时,随着频率个数的增加,必然导致触发信号的峰值过大,对触发信号驱动电路的工作电压范围要求加宽。因此,需对各频段分量的初始相位进行选择,降低触发信号的峰值因数,减小其对驱动电路工作电压范围的要求。
信号调制模块输出多种频率的正弦波信号，将正弦波信号放大并组合形成多频段触发信号，检测多频段触发信号的幅值，并调整多频段触发信号的幅值。
采用D/A转换输出模拟信号，同步合成多频段触发信号随时间t变化的波形s(t)的计算公式为：
；
式中,Ai为N个频段分量中的第i个频段分量的幅值,为第i个频段分量的角频率,/>为第i个频段分量的初始相位。
利用快速傅里叶变换对波形s(t)进行傅立叶展开，波形展开形式I(t)如下式所示：
；
式中：Ai为第i个频段分量的幅值；j表示复数表达式的虚部标识；为第i个频段分量的角频率；t为时间。
同步合成多频段触发信号的峰值因数CF定义为:
；
式中，为触发信号绝对值的峰值,Arex为触发信号的有效值,定义为：
；
当频段分量个数不是很多时,可以通过搜索算法,得到初始相位,优化触发信号参数。
在多频段触发信号参数优化过程中,各个频段分量的幅值和频率是已知量,需要优化的参数为各频段分量的初始相位。通过定义适应度函数优化触发信号各频段分量的初始相位，适应度函数为：
。
其中，abs为绝对值函数，max为最大值函数。
步骤2：将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，由端部线圈输出响应信号。
步骤3：采集响应信号，计算每个频段序列信号峰值偏移，按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位。
采集到的响应信号是有限长序列，为能量有限信号。在频域中，依据帕塞瓦尔定理来计算响应信号的能量。响应信号的能量在时域和频域是一致的，每个频段序列信号x(n)的能量Ex表示为：
；
x*(n)为x(n)的共轭信号。
在多频段涡流检测信号的频谱中，可以通过上式计算采集到的响应信号的能量。频谱峰值和峰值频率点均可以观察谱线变化趋势，在频谱中直接提取。
峰值偏移SK为：
；
其中：
；
；
式中：x(k)为每个频段序列信号的傅里叶变换，k为傅里叶变换的横坐标变量，N1为线性调频起始频率对应的傅里叶变换点横坐标，N2为线性调频终止频率对应的傅里叶变换点横坐标。为x(k)的均值，D为x(k)的标准方差。
步骤4：将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器，测量检测对象的综合磁感应强度。
将调整后的多频段触发信号通入信号发生器时，信号发生器周围将会产生一个随时间变化的磁场，其磁感应强度记为Bc。同时，探头在检测对象上方运动，检测对象表面将会产生动生涡流，探头内产生电流Jm，而线圈产生的磁感应强度记为Bm；如图2所示，为探头内产生电流值随探头位置的变化示意图。
当检测对象表面有裂纹时，电流Jm将会被裂纹所扰动，受扰动后探头内的电流记为，而线圈产生的磁感应强度记为/>。此外，由于检测对象为铁磁性材料，检测对象的裂纹处产生的磁场的磁感应强度为/>，如图3所示，为不同裂纹处的磁感应强度图。
此时的综合磁感应强度写为：
；
式中，裂纹的尺寸将直接影响值的大小，因此，通过测量/>值可以判断裂纹的存在。
图3反映了裂纹位各点处的磁感应强度。
步骤5：将已知裂纹等级的试件为标准，将探头内的电流J0导入电磁场方程，计算该已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，将步骤4中测得的综合磁感应强度与已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度比较，计算得到判检测对象的裂纹等级。
电磁场方程如下式所示：
；
式中：为梯度算符；/>表示检测对象的磁导率；/>表示检测对象的电导率；t表示时间，a为平衡系数，Bw为已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度。
计算检测对象的裂纹等级P为：
。
裂纹等级P越大，证明检测对象内部裂纹越严重。
本发明还提出了一种用于裂纹检测的涡流无损检测系统的结构示意图，该涡流无损检测系统包括：信号调制模块，信号输入模块，信号发生器，线圈，信号输出模块，信号处理模块，反馈模块，探测模块和判断模块。
信号调制模块，用于优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号；
信号输入模块，用于将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，通过信号输出模块输出线圈产生的响应信号；
信号处理模块，对输出线圈产生的响应信号进行采集，计算每个频段序列信号峰值偏移；
反馈模块，用于按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位，将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器；
探测模块，通过探头在检测对象上方运动，测量检测对象表面产生的感应磁场，计算检测对象的综合磁感应强度；
判断模块，用于计算该已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，与所述探测模块中测得的综合磁感应强度比较，判断检测对象的裂纹等级。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种用于裂纹检测的涡流无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号；
S2、将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，由位于检测对象端部的线圈输出响应信号；
S3、采集响应信号，计算每个频段序列信号的峰值偏移，按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位；
S4、将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器，测量检测对象的综合磁感应强度；
S5、计算已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，与步骤S4中测得的综合磁感应强度比较，判断检测对象的裂纹等级。
2.根据权利要求1所述的涡流无损检测方法，其特征在于，步骤S3中，每个频段序列信号的峰值偏移SK为：
；
其中：
；
；
式中：x(k)为每个频段序列信号的傅里叶变换，k为傅里叶变换的横坐标变量，N1为线性调频起始频率对应的傅里叶变换点横坐标，N2为线性调频终止频率对应的傅里叶变换点横坐标，为x(k)的均值，D为x(k)的标准方差。
3.根据权利要求2所述的涡流无损检测方法，其特征在于，步骤S4中，当检测对象表面有裂纹时，检测对象的综合磁感应强度写为：
；
信号发生器周围产生磁场的磁感应强度为Bc，线圈产生的磁感应强度记为，检测对象的裂纹处产生的磁场为/>。
4.根据权利要求3所述的涡流无损检测方法，其特征在于，步骤S5中，将已知裂纹等级的试件作为标准，将探头内的电流J0导入电磁场方程，计算所述已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，电磁场方程如下式所示：
；
式中：表示检测对象的磁导率；/>为梯度算符；/>表示检测对象的电导率；t表示时间，a为平衡系数，Bw为已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度；
计算检测对象的裂纹等级P为：
。
5.根据权利要求2所述的涡流无损检测方法，其特征在于，步骤S1中，采用多个频率正弦信号同步合成多频段触发信号，同步合成的多频段触发信号随时间t变化的波形s(t)的计算公式为：
；
式中,Ai为N个频段分量中的第i个频段分量的幅值,为第i个频段分量的角频率,/>为第i个频段分量的初始相位。
6.根据权利要求5所述的涡流无损检测方法，其特征在于，利用快速傅里叶变换对波形s(t)进行傅立叶展开，波形展开形式I(t)如下式所示：
；
式中,Ai为第i个频段分量的幅值；j表示复数表达式的虚部标识；为第i个频段分量的角频率；t为时间。
7.根据权利要求5所述的涡流无损检测方法，其特征在于，通过适应度函数优化触发信号各频段分量的初始相位，适应度函数为：
；
其中，abs为绝对值函数，max为最大值函数。
8.一种用于裂纹检测的涡流无损检测系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-7任意一项所述的涡流无损检测方法，包括：信号调制模块，信号输入模块，信号发生器，线圈，信号输出模块，信号处理模块，反馈模块，探测模块和判断模块；
所述信号调制模块，用于优化触发信号各频段分量的初始相位，合成并输出优化后的多频段触发信号；
所述信号输入模块，用于将多频段触发信号通过信号发生器在检测对象表面形成涡流场，通过信号输出模块输出线圈产生的响应信号；
所述信号处理模块，对输出线圈产生的响应信号进行采集，计算每个频段序列信号的峰值偏移；
所述反馈模块，用于按照峰值偏移调整多频段触发信号的各频段分量的初始相位，将调整后的多频段触发信号再次输入到信号发生器；
所述探测模块，通过探头在检测对象上方运动，测量检测对象表面产生的感应磁场，计算检测对象的综合磁感应强度；
所述判断模块，用于计算该已知裂纹等级的试件的综合磁感应强度，与所述探测模块测得的综合磁感应强度比较，判断检测对象的裂纹等级。
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2023
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Also Published As
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|---|---|
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