CN104034857A - 非磁性金属薄板磁声电成像无损检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种非磁性金属薄板的磁声电成像无损检测装置，其超声激励子***(1)连接超声探头(9)，超声探头(9)与被测非磁性金属薄板(6)之间通过耦合剂接触，电磁激励子***(2)连接线圈(8)。检测时，线圈(8)连接信号检测处理子***(5)，信号检测处理子***(5)连接图像重建子***(4)，控制子***(3)连接超声激励子***(1)、电磁激励子***(2)、信号检测处理子***(5)和图像重建子***(4)。所述的线圈(8)既作为发射线圈又作为接收线圈，作为激励线圈为被测非磁性金属薄板(6)提供静磁场，同时作为接收线圈接收被测非磁性金属薄板(6)在超声激励和电磁激励作用下的感应电动势信号。

Description

非磁性金属薄板磁声电成像无损检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种利用磁声电成像技术检测非磁性金属薄板内部缺陷的装置和方法。

背景技术

无损检测技术是在不损伤被测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来实现对各种工程材料、零部件、结构件等内部货表面缺陷的检测，并对检测对象存在缺陷的类型、尺寸、形状、位置等信息做出判断和评价的技术。无损检测涉及了物理学、材料学、电子信息技术等多个学科及技术领域。

目前对于金属板面的部件常规的检测方法包括超声波检测、射线检测、漏磁检测、涡流检测以及声发射检测技术等，传统检测技术在金属构件的检测中取得了很好的效果，但任何一种单一的方法都不可能实现所有金属构件的高灵敏检测，尤其对微细缺陷和疲劳损伤的金属构件的检测，目前的技术很难从整体信号中提取材料的局部微细缺陷存时的微弱信号，因此急需高灵敏的金属构件缺陷检测方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有方法不能对微细缺陷和疲劳损伤的金属薄板构件进行检测的不足，提供一种金属薄板的磁声电成像的无损检测方法及装置。

本发明解决技术问题采用的技术方案为：

一种非磁性金属薄板的磁声电成像无损检测方法，是一种基于磁声电成像技术的电阻抗成像的无损检测方法。其原理为：对非磁性金属薄板同时施加超声激励和电磁激励，在磁场作用下，施加的超声激励引起非磁性金属薄板金属离子的振动，产生感生电动势，利用线圈检测到感应电信号，对检测到的电信号进行图像重建，通过重建图像反映非磁性金属薄板内部存在的缺陷。与现有单纯超声无损检测技术相比，本发明对被测非磁性金属薄板的电导率变化敏感，对比度高，与现有的电磁无损检测技术相比，本发明方法分辨率高。

应用本发明金属薄板的磁声电成像无损检测方法的装置包括超声激励子***、超声探头、电磁激励子***、线圈、信号检测处理子***、控制子***，以及图像重建子***。超声激励子***连接超声探头，超声探头与被测金属薄板之间通过耦合剂接触。电磁激励子***和信号检测子***通过切换开关连接线圈。线圈既作为激励线圈，为非磁性金属薄板提供电磁激励，同时也作为检测线圈，接收非磁性金属薄板金属离子的振动产生的感应电动势信号。所述的线圈位于非磁性金属薄板附近，线圈的平面与非磁性金属薄板处于非垂直关系，线圈距离非磁性金属薄板位置越近，线圈平面与非磁性金属薄板平面之间的夹角越小，信号检测处理子***检测的信号强度越大，线圈平面与非磁性金属薄板平面平行检测效果最好。在控制子***的控制下，线圈两端连接切换开关，通过分时切换方式实现线圈的两种功能。线圈接收感应电动势信号，将电信号送入与之连接的信号检测处理子***。信号检测处理子***连接图像重建子***，控制子***连接超声激励子***、电磁激励子***、信号检测处理子***和图像重建子***。本发明所述的金属薄板的磁声电成像无损检测方法不同于现有的磁声电医学成像方法，省去了永磁体提供静磁场，所述的电磁激励子***主要由信号发生电路和功率放大电路组成，信号发生电路连接功率放大电路，同时线圈既作为激励线圈也作为检测线圈，所述的电磁激励子***与线圈相连时为金属薄板提供电磁激励。

本发明所述的成像方法和电导率重建方法，主要包括两个步骤，现描述如下：

第一步：被测非磁性金属薄板的测量电压与已知参量的数学关系式，被测金属薄板在超声激励和电磁激励的共同作用下，在金属薄板内产生离子振动，离子的振动可以看成是在金属薄板内形成的局部电流源。通过线圈获取的被测非磁性金属薄板的感应电信号U_ab可以利用以下公式表示：

$U_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}B\·J\left(r\right)\×V(r,t)\mathrm{dr}$

其中U_ab(t)为接收到的随时间变化的电信号，B电磁激励的磁感应强度，J(r)为假想的在线圈内通入1安培电流后在被测非磁性金属薄板内部电磁激励和超声激励共同作用区域内感应产生的电流密度，该变量是一个随空间r变化的空间变量，V(r,t)为被测非磁性金属薄板内部电磁激励和超声激励共同作用区域的质点振动速度，它同时是空间r和时间t的函数。

第二步：非磁性金属薄板的电导率图像重建，先引入速度势函数，振动速度V(r,t)满足如下方程：

V(r,t)＝▽φ(r,t)/ρ

其中φ(r,t)是速度势函数，ρ是质量密度，速度势函数可以用格林函数和激励函数的卷积，可以直接写出：

$U_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=f\left(t\right)*[\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}B\·\▿\×J\left(r\right)g(r,t)\mathrm{dr}/\mathrm{\ρ}]$

式中f(t)为超声激励子***产生的超声激励函数，g(r,t)为格林函数，以上公式把r扩展到整个被测非磁性金属薄板的超声激励和电磁激励共同作用区域的整个区间，利用时间反转算法可以重建出可以重建电流密度的旋度▽×J(r)，然后结合以下方程组重建电流密度J(r)：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×J\left(r\right)=M\left(r\right)\\ \▿\·J\left(r\right)=0\end{array}\right.$

公式中n为被测非磁性金属薄板的法相分量，r_A和r_B分别是电极位置，δ(r-r_A)和δ(r-r_B)为在电极对出注入的1安培电流的表达方式，重建电流密度后，参照磁共振电阻抗成像中电导率的重建方法，通过迭代算法即可重建电导率分布。

本发明非磁性金属薄板的磁声电成像无损检测装置的工作过程如下：

所述的控制子***控制超声激励子***、电磁激励子***、信号检测处理子***和图像重建子***。首先控制子***发射触发信号，使超声激励子***和电磁激励子***同步启动，同时为信号检测处理子***提供同步触发信号，所述的超声激励子***与超声探头连接，超声激励子***由信号发生电路和功率放大电路组成，超声探头的频率选择范围在20Khz-500KHz，超声激励子***的输出频率根据超声探头的频率确定。所述的电磁激励子***连接线圈，电磁激励子***也可以由信号发生电路和功率放大电路组成，为被测非磁性金属薄板提供电磁激励。超声激励子***为脉冲激励，在每个脉冲激励信号的下降沿，通过控制子***控制切换开关，使线圈切换到连接检测处理子***。所述的信号检测处理子***主要由前置放大电路、滤波电路、二级放大电路和采集电路组成，采集到的信号保存在PC机中，所述的超声探头可以是单个探头，由控制子***控制超声探头进行扫描，每扫描一次存储一组数据，超声探头也可以是探头阵列，依次发射超声信号；最后由控制子***控制图像重建子***的启动，实现被测非磁性金属薄板的重建。

本发明所述的线圈通过切换开关连接电磁激励子***，当线圈通过切换开关连接电磁激励子***时，为被测非磁性金属薄板提供静电场；在进行检测时，控制子***的控制使线圈通过切换开关连接到信号检测处理子***，线圈既作为激励线圈也作为接收线圈，作为激励线圈为被测非磁性金属薄板提供静磁场，同时作为接收线圈接收被测非磁性金属薄板在超声激励和电磁激励作用下的感应电动势信号，所述的切换开关一端连接线圈，另一端在控制子***的控制下连接电磁激励子***或者信号检测处理子***。

与现有无损检测技术相比，本发明为一种非磁性金属薄板的磁声电成像的无损检测方法及装置，它的突出特点是，将超声激励和电磁激励施加在待测非磁性金属薄板上，引起非磁性金属薄板内金属离子的分离，由于非磁性金属薄板内存在的裂纹型缺陷的影响，在裂纹处形成明显的应力集中，导致裂纹附近电流密度急剧增大，通过检测线圈检测到电压信号。利用检测到的电压信号，通过本发明所述的重建算法可以得到带有裂纹型缺陷的非磁性金属薄板的图像，通过图像可以得到非磁性金属薄板上裂纹型缺陷的准确信息，从而实现对非磁性金属薄板缺陷的准确检测与定位。与现有无损检测技术相比，本发明方法和装置的显著优势在于：

(1)通过对被检测非磁性金属薄板施加超声激励和电磁激励，可以提高对缺陷的检测能力；

(2)对被检测非磁性金属薄板在无外加机械载荷的作用下进行检测，避免了对非磁性金属薄板造成二次损坏；

(3)本发明中采用激励线圈代替永磁体加载电磁激励，使得加载方式无需接触，提高检测速度；

(4)采用线圈接收感应电动势信号时，激励线圈和接收线圈分时共用，简化***，提高***的紧凑度和性价比；

(5)通过图像重建的方式对金属缺陷可以直观重现，提高了检测缺陷的准确度和定位精度；

(6)本发明检测装置操作简单，价格低廉。

综上六个方面的优势说明本发明方法具有广泛的应用前景和潜在的应用价值。

附图说明

图1本发明装置结构示意图

1超声激励子***，2电磁激励子***，3控制子***，4图像重建子***，5信号检测处理子***，6被测非磁性金属薄板，8线圈，9超声探头，10切换开关。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明一种非磁性金属薄板的磁声电成像无损检测装置，包括超声激励子***1，超声探头9、电磁激励子***2、线圈8、信号检测处理子***5、控制子***3和图像重建子***4。超声激励子***1连接超声探头9，超声探头9与被测非磁性金属薄板6之间通过耦合剂接触，电磁激励子***2通过切换开关10连接线圈8，线圈8同时通过该切换开关10连接信号检测处理子***5，信号检测处理子***5连接图像重建子***4，控制子***3连接超声激励子***1、电磁激励子***2、信号检测处理子***5和图像重建子***4。所述的线圈8既作为激励线圈，为非磁性金属薄板提供电磁激励，同时也作为检测线圈，接收非磁性金属薄板6金属离子的振动产生的感应电动势信号。在控制子***3的控制下，连接切换开关10分时切换，使线圈8实现激励和检测的两种功能，所述的切换开关10一端连接线圈，另一端在控制子***3的控制下连接电磁激励子***2或者信号检测处理子***；所述的线圈8位于非磁性金属薄板6附近，线圈8的平面与非磁性金属薄板6处于非垂直关系，线圈距离非磁性金属薄板6位置越近，线圈8平面与非磁性金属薄板6平面之间的夹角越小，信号检测处理子***5检测的信号强度越大，线圈8平面与非磁性金属薄板6平面平行检测效果最好。

本发明所述的成像方法和电导率重建方法，主要包括两个步骤，现描述如下：

第一步：被测非磁性金属薄板的测量电压与已知参量的数学关系式，被测非磁性金属薄板6在超声激励和电磁激励的共同作用下，在非磁性金属薄板内产生离子振动，离子的振动可以看成是在非磁性金属薄板6内形成的局部电流源。通过线圈获取的被测非磁性金属薄板的感应电信号U_ab可以利用以下公式表示：

$U_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}B\·J\left(r\right)\×V(r,t)\mathrm{dr}$

其中U_ab(t)为接收到的随时间变化的电信号，B电磁激励的磁感应强度，J(r)为假想的在线圈内通入1安培电流后在被测非磁性金属薄板内部电磁激励和超声激励共同作用区域内感应产生的电流密度，该变量是一个随空间r变化的空间变量，V(r,t)为被测非磁性金属薄板内部电磁激励和超声激励共同作用区域的质点振动速度，它同时是空间r和时间t的函数。

第二部：非磁性金属薄板的电导率图像重建，先引入速度势函数，振动速度V(r,t)满足如下方程：

V(r,t)＝▽φ(r,t)/ρ

其中φ(r,t)是速度势函数，ρ是质量密度，速度势函数可以用格林函数和激励函数的卷积，可以直接写出：

$U_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=f\left(t\right)*[\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}B\·\▿\×J\left(r\right)g(r,t)\mathrm{dr}/\mathrm{\ρ}]$

式中f(t)为超声激励子***产生的超声激励函数，g(r,t)为格林函数，以上公式把r扩展到整个被测非磁性金属薄板的超声激励和电磁激励共同作用区域的整个区间，利用时间反转算法可以重建出可以重建电流密度的旋度▽×J(r)，然后结合以下方程组重建电流密度J(r)：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×J\left(r\right)=M\left(r\right)\\ \▿\·J\left(r\right)=0\end{array}\right.$

公式中n为被测非磁性金属薄板的法相分量，r_A和r_B分别是电极位置，δ(r-r_A)和δ(r-r_B)为在电极对出注入的1安培电流的表达方式，重建电流密度后，参照磁共振电阻抗成像中电导率的重建方法，通过迭代算法即可重建电导率分布。

本发明一种非磁性金属薄板的磁声电成像无损检测方法及装置的工作过程如下：

所述的控制子***3控制超声激励子***1、电磁激励子***2、信号检测处理子***5和图像重建子***4，首先控制子***3发射触发信号使超声激励子***1和电磁激励子***2同步启动，同时为信号检测处理子***5提供同步触发信号，所述的超声激励子***1直接与超声探头9连接，超声激励子***1由信号发生电路和功率放大电路组成，超声探头9的频率选择范围在20Khz-500KHz，超声激励子***1的输出频率根据超声探头的频率确定，所述的电磁激励子***2连接线圈，为被测非磁性金属薄板提供电磁激励。然后通过控制子***3的控制，线圈8连接信号处理子***5，通过信号检测处理子***5处理后采集到合适的信号；所述的信号检测处理子***5主要由前置放大电路、滤波电路、二级放大电路和采集电路组成，采集到的信号保存在PC机中，所述的超声探头9可以是单个探头，由控制子***3控制超声探头9进行扫描，每扫描一次存储一组数据，超声探头9也可以是探头阵列，依次发射超声信号；最后由控制子***控制图像重建子***4的启动，实现被测非磁性金属薄板6的重建。

控制子***3首先控制切换开关10切换到连接电磁激励子***2，使线圈8为被测非磁性金属薄板6提供电磁激励，电磁激励子***也可以由信号发生电路和功率放大电路组成。超声激励子***1为脉冲激励，在每个脉冲激励信号的下降沿，通过控制子***3控制切换开关10使线圈8切换到连接检测处理子***5，一个周期结束后，在控制子***3的控制下，线圈8通过切换开关与电磁激励子***再次相连，等待下一个超声脉冲激励信号的下降沿的到来，分时循环，则该线圈8既作为激励线圈也作为接收线圈，作为激励线圈为被测非磁性金属薄板6提供磁场，同时作为接收线圈接收被测非磁性金属薄板在超声激励和电磁激励作用下的感应电动势信号。

Claims (3)

1.一种非磁性金属薄板的磁声电成像无损检测装置，其特征在于，所述的检测装置包括超声激励子***(1)，超声探头(9)、电磁激励子***(2)、线圈(8)、信号检测处理子***(5)、控制子***(3)，以及图像重建子***(4)；超声激励子***(1)连接超声探头(9)，超声探头(9)与被测非磁性金属薄板(6)之间通过耦合剂接触，电磁激励子***(2)通过切换开关(10)连接线圈(8)；进行检测时，线圈(8)通过切换开关(10)连接信号检测处理子***(5)，信号检测处理子***(5)连接图像重建子***(4)，控制子***(3)连接超声激励子***(1)、电磁激励子***(2)、信号检测处理子***(5)和图像重建子***(4)；所述的线圈(8)既作为激励线圈，为非磁性金属薄板提供电磁激励，同时也作为检测线圈，接收非磁性金属薄板(6)金属离子的振动产生的感应电动势信号；在控制子***(3)的控制下，线圈(8)接切换开关(10)，通过分时切换方式实现线圈的两种功能，所述的切换开关10一端连接线圈，另一端在控制子***(3)的控制下连接电磁激励子***(2)或者信号检测处理子***(4)；所述的线圈(8)位于非磁性金属薄板(6)附近，线圈(8)的平面与非磁性金属薄板(6)处于非垂直关系，线圈距离非磁性金属薄板(6)位置越近，线圈(8)平面与非磁性金属薄板(6)平面之间的夹角越小，信号检测处理子***(5)检测的信号强度越大，线圈(8)平面与非磁性金属薄板(6)平面平行检测效果最好。

2.应用权利要求1所述的非磁性金属薄板的磁声电成像检测方法，其特征在于，所述的检测方法对被测非磁性金属薄板(6)同时施加超声激励和电磁激励；在磁场作用下，施加的超声激励引起被测非磁性金属薄板(6)的金属离子振动，产生电动势；利用线圈(8)检测到的感应电动势信号进行图像重建，通过重建图像反映被测非磁性金属薄板(6)内部存在的缺陷。

3.根据权利要求2所述的非磁性金属薄板的磁声电成像检测方法，其特征在于，所述的图像重建子***的重建算法描述如下：

被测非磁性金属薄板在超声激励和电磁激励的共同作用下，在非磁性金属薄板内产生离子振动，离子的振动看成是在非磁性金属薄板内形成的局部电流源；通过电极对检测被测非磁性金属薄板的电信号U_ab用以下公式表示：

$U_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}B\·J\left(r\right)\×V(r,t)\mathrm{dr}$

其中U_ab(t)为接收到的随时间变化的电信号，B电磁激励的磁感应强度，J(r)为假想的在电极对的位置通入1安培电流后在被测非磁性金属薄板内部电磁激励和超声激励共同作用区域产生的电流密度，该变量是一个随空间r变化的空间变量，V(r,t)为被测非磁性金属薄板内部电磁激励和超声激励共同作用区域的质点振动速度，它同时是空间r和时间t的函数。引入速度势函数，振动速度V(r,t)满足如下方程：

V(r,t)＝▽φ(r,t)/ρ

其中φ(r,t)是速度势函数，ρ是质量密度，速度势函数可以用格林函数和激励函数的卷积，可以直接写出：

$U_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=f\left(t\right)*[\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}B\·\▿\×J\left(r\right)g(r,t)\mathrm{dr}/\mathrm{\ρ}]$

式中f(t)为超声激励子***产生的超声激励函数，g(r,t)为格林函数，以上公式把r扩展到整个被测非磁性金属薄板的超声激励和电磁激励共同作用区域的整个区间，利用时间反转算法可以重建出可以重建电流密度的旋度▽×J(r)，然后结合以下方程组重建电流密度J(r)：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×J\left(r\right)=M\left(r\right)\\ \▿\·J\left(r\right)=0\end{array}\right.$

公式中n为被测非磁性金属薄板的法相分量，r_A和r_B分别是电极位置，δ(r-r_A)和δ(r-r_B)为在电极对出注入的1安培电流的表达方式，重建电流密度后，参照磁共振电阻抗成像中电导率的重建方法，通过迭代算法重建电导率分布。