CN106996957A - 一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法，检测方法的步骤是：将通有高频、高幅值脉冲电流多匝激励线圈，通过将线圈上所通的脉冲电流自起点增加至一定幅值，加载到待检测的铁磁性金属上，若待检测的铁磁性金属存在缺陷，会被激发出声发射信号，通过外加偏置磁场增强铁磁材料的磁致伸缩力和洛伦兹力进而增强声发射信号幅值，该声发射信号被四个压电传感器或EMAT接收探头检测采集并通过信号线输入前置放大器放大后再输入PC机，根据所采集到的声发射信号，提取不同脉冲电流下的声发射信号特性，依据特征的变化规律，区分声发射信号和超声信号，并进行二维时差定位，定位检测出待检测铁磁性金属存在的裂纹缺陷，并最终对缺陷的活性进行判定。

Description

一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法

技术领域

本发明的技术方案涉及利用声波发射技术测试金属材料，具体地说是一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法

背景技术

电磁检测是利用材料在电磁作用下呈现出来的电学、磁学性质或材料响应特性(如振动特性、应力集中特性或声发射特性)来判断材料有关性能和缺陷的实验方法，可以实现对材料缺陷的非接触无损检测，具有灵敏度高和检测速度快等优点，已被广泛地应用于制造业、航天航空、石油化工和其他各个工业领域。现有技术中基于电磁检测原理对材料缺陷检测的方法主要有常规涡流检测方法、远场涡流检测方法、磁记忆检测方法、漏磁检测方法、低频电磁场检测方法、微波检测方法和电位检测方法，这些方法有一个共同的不足之处是，其所检测到的是材料缺陷的静态特性，无法得到材料缺陷的活动状态信息。

另一方面，材料缺陷的声发射检测技术以其高灵敏性和动态监测特性为业界熟知，但现有声发射检测技术一直存在很难从整体信号中提取材料局部缺陷微弱信号的难题，对于实际的工业应用而言，这极大地限制了声发射检测技术的可信度和应用范围。

如何将电磁检测技术和声发射技术相结合，以在保持声发射技术优点的前提下降低信号处理的难度和复杂度，以适于实际的工业应用，成为一个重要的研究方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种铁磁性金属材料表面或近表面的缺陷、不连续的无损检测方法，是一种基于电磁激励的声发射无损检测方法，克服了现有电磁检测方法无法检测得到材料缺陷的活动状态信息的不足和现有声发射检测技术存在的很难从整体信号中提取材料局部缺陷微弱信号的难题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：使用通有高频、高幅值脉冲电流的多匝线圈在铁磁材料金属表面或近表面引入涡流，将线圈上所通的脉冲电流自起点增加至一定幅值，利用铁磁材料的磁致伸缩力和洛伦兹力激发缺陷自身发出包含超声波信号的声发射信号，可通过外加偏置磁场增强铁磁材料的磁致伸缩力和洛伦兹力进而增强声发射信号幅值，检测采集该声发射信号，传送声发射信号，将检测到的声发射信号放大，输送放大的信号，进行数据采集与处理，提取不同脉冲电流下的声发射信号特性，依据特征的变化规律，区分声发射信号和超声信号，并最终对缺陷的活性进行判定。

附图说明

图1是本发明一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法的操作流程示意框图；

图2是本发明一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法的装置的构成示意图；

图3是EMAT发射探头原理图；

图4是常规类型的EMAT激发线圈和普通的多匝线圈；

图5是是基于快速傅里叶变换的特征提取原理图；

图6是是定位原理图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法做出详细说明。

图1所示实施例表明，本发明一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法的操作流程是：将脉冲电流加载到待检测的铁磁性金属材料上，若待检测的铁磁性金属材料存在裂纹，会被激发出声发射信号，检测采集该声发射信号，传送声发射信号，将检测到的声发射信号放大，输送放大的信号，进行数据采集与处理并得出结果。

图2所示实施例表明，本发明一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法所用的装置由涡流发生器、高能脉冲发射接收装置、多匝激励线圈、四个压电换能器、EMAT发射接收探头、前置放大器和PC机构成。

涡流发生器由信号产生器和功率放大装置构成，其中功率放大器由MOSFET Q1、MOSFET Q2、二极管D1、二极管D2、一个变压器和一个谐振电容按下述电路连接构成：MOSFET Q1的集电极接190V直流电正极和D2的负极，MOSFET Q1的发射极接二极管D1的负极和变压器同向端1、MOSFET Q1的门极通过信号线接信号产生器的信号输出端1，MOSFET Q2的集电极接二极管D2的正极和变压器反向端1，MOSFET Q2的发射极接190V直流电负极和D1的正极，MOSFET Q2的门极通过信号线接信号产生器的信号输出端2，变压器反向端2接谐振电容一端，变压器同向端2接激励线圈一端，谐振电容另一端接激励线圈另一端由此组成回路。

上述一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法所用的装置中，所述涡流发生器中的信号产生器的型号为固纬SFG-1003，MOSFET Q1和MOSFET Q2的型号为IRF730，二极管D1和二极管D2的型号为MUR1620，变压器为用0.3mm漆包线绕制的110匝线圈和以Philips的TX36/23/15为磁芯的1∶1变压器，谐振电容的额定电压为1200V和容量为1.5uF。

上述一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法所用的装置中，所述的多匝激励线圈为0.3mm漆包线绕制的170匝、外径为1.5cm、内径为0.5cm和高为1cm的空心线圈。

上述一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法所用的装置中，所述信号线为0.2mm线径的50Ω铜导线，其它连接线和导线均为0.5mm的漆包线。

上述一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法所用的装置中，所述四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄是商购的，由美国PAC公司生产，型号同为WSA；所述前置放大器是商购的，由美国PAC公司生产，型号为2/4/6。

上述一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法所用的装置中，所述高能脉冲发射接收装置为商购的，有美国Ritec公司生产，型号为RPR4000。

上述一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法所用的装置中，EMAT发射探头为一个低频段的EMAT探头，使用永磁体提高声发射效应，EMAT接受探头采用和EMAT相同的结构组成。

如图3所示，EMAT发射探头原理图，使用永磁体提高声发射效应，EMAT接受探头采用和EMAT相同的结构组成。

如图4所示，常规类型的EMAT激发线圈和普通的多匝线圈，使用印刷电路板技术在电路板上制作，在接触面上覆盖一层耐磨的复合材料。

如图5所示，基于快速傅里叶变换的特征提取，使用快速傅里叶算法分别对采集的声发射电压信号进行时域和频域分析，实现对信号的快速处理。频域转换后，提取不同激励电流下的特征峰值频率幅值强度，并在二维的笛卡尔坐标系里面标示相应的点，连接为曲线后可以清晰的看到缺陷的Kaiser效应点。

如图6所示，二维平面定位使用三个或四个传感器组成阵列进行定位。使用三个传感器定位一般会得到两个定位点，即一个真实AE源和一个伪AE源。采用四个传感器构成菱形阵列进行二维平面定位，增加了一个约束条件，只得到一个真实的AE源。若由探头S₁和S₃间的时差Δt₁得到双曲线1，由探头S₂和S₄间的时差Δt₂得到双曲线2，AE源为Q，探头S₁和S₃间距为a，探头S₂和S₁的间距为b，波速为V，通过信号到达传感器的时差可以得到信号源的准确位置。

实施例1

开始检测时，将220v的交流电经过整流实现190v的直流输出给涡流发生器中的190V直流端，涡流发生器中的信号产生器输出控制信号，该信号输入到涡流发生器中的接190V直流电源的功率放大器，该功率放大器将电压逆变为交流电压，经变压器升压后，该脉冲方波电压被加载到由谐振电容和多匝激励线圈组成的回路上，将线圈上所通的脉冲电流自起点增加至一定幅值，并在尺寸为500mm×115mm×15mm的待检测铁磁性金属上感生出准正弦涡流，若该待检测铁磁性金属存在缺陷，会被激发出声发射信号，该声发射信号被四个压电传感器S₁、S₂、S₃和S₄检测并通过信号线输入至前置放大器，由该前置放大器放大声发射信号并输入至PC机，该PC机根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位，其计算步骤是：PC机根据输入的待检测铁磁性金属发出的声发射声波的波速V，又根据四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标，计算出压电换能器S₁的探头和压电换能器S₂的探头间距为a，压电换能器S₃的探头和压电换能器S₄的探头的间距为b，，再根据四个压电传感器S₁、S₂、S₃和S₄采集到的声发射信号先后顺序，确定压电换能器S₁和压电换能器S₃间采集到声发射信号的时差Δt₁，以及压电换能器S₂和压电换能器S₄间采集到声发射信号的时差Δt₂，进而根据下面的时差定位计算公式(1)和(2)得到声发射源，即裂纹尖端位置的坐标：

上述二维时差定位程序流程为：分别输入待检测铁磁性金属材料发出的声发射声波的波速V和四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标。PC机根据四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标，计算压电换能器S₁的探头和压电换能器S₃的探头间的距离a，计算压电换能器S₂的探头和压电换能器S₄的探头间的距离b。PC机根据采集到的声发射信号先后顺序，确定压电换能器S₁和压电换能器S₃间采集声发射信号的时差，以及压电换能器S₂和压电换能器S₄间采集声发射信号的时差Δt₂。PC机根据时差定位公式计算声发射源坐标，实现对该待检测铁磁性金属缺陷的定位。基于快速傅里叶变换的特征提取，使用快速傅里叶算法分别对采集的声发射电压信号进行时域和频域分析，实现对信号的快速处理，频域转换后，提取不同激励电流下的特征峰值频率幅值强度，依据特征的变化规律，区分声发射信号和超声信号，并在二维的笛卡尔坐标系里面标示声发射信号相应的点，连接为曲线后可以清晰的看到缺陷的Kaiser效应点。并最终对缺陷的活性进行判定。

最终定位检测出该待检测铁磁性金属材料存在的缺陷位置，定位误差为1～2mm，并最终判定缺陷的活性。

实施例2

将多匝线圈激发改为EMAT激发端激发，其他同实施例1，

最终定位检测出该待检测铁磁性金属材料存在的缺陷位置，定位误差为1～2mm，并最终判定缺陷的活性。

实施例3

将涡流发生器替换为高能脉冲发射接收装置，其他同实施例1。

最终定位检测出该待检测铁磁性金属材料存在的缺陷位置，定位误差为1～2mm，并最终判定缺陷的活性。

实施例4

将涡流发生器替换问高能脉冲发射接收装置，多匝激励线圈替换为EMAT发射端，信号采集采用EMAT接收端，其他同实施例1。

最终定位检测出该待检测铁磁性金属材料存在的缺陷位置，定位误差为1～2mm，并最终判定缺陷的活性。

Claims (5)

1.一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法，其特征在于：是一种基于涡流激励声发射的铁磁性金属材料的电磁无损检测方法，其步骤是：使用通有高频、高幅值的脉冲电流的多匝线圈在铁磁材料金属表面或近表面引入涡流，将线圈上所通的脉冲电流自起点增加至一定幅值，利用铁磁材料的磁致伸缩力和洛伦兹力激发缺陷自身发出声发射信号，可通过外加偏置磁场增强铁磁材料的磁致伸缩力和洛伦兹力进而增强声发射信号幅值，检测采集该声发射信号，传送声发射信号，将检测到的声发射信号放大，输送放大的信号，进行数据采集与处理，提取不同脉冲电流下的声发射信号特性，依据特征的变化规律，区分声发射信号和超声信号，并最终对缺陷的活性进行判定。具体操作是：将激励线圈放置在待检测铁磁性金属的待检测区域，再将四个压电换能器S1、S2、S3和S4按菱形的四个顶点位置安放于该待检测铁磁性金属上，每个压电换能器分别通过信号线连接到前置放大器，该前置放大器再用同轴电缆连接至PC机；开始检测时，将220v的交流电经过整流实现190v的直流输出给涡流发生器中的190V直流端，涡流发生器中的信号产生器输出控制信号，该信号输入到涡流发生器中的接190V直流电源的功率放大器，该功率放大器将电压逆变为交流电压，经变压器升压后，该脉冲方波电压被加载到由谐振电容和激励线圈组成的回路上，通过将线圈上所通的脉冲电流自起点增加至一定幅值，并由此在待检测铁磁性金属上产生同频准正弦涡流，若待检测铁磁性金属存在缺陷，会被激发出声发射信号，该声发射信号被四个压电传感器S₁、S₂、S₃和S₄检测采集并通过信号线输入至前置放大器，再由该前置放大器放大并输入至PC机，该PC机根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位，并基于快速傅里叶变换的特征提取，使用快速傅里叶算法分别对采集的声发射电压信号进行时域和频域分析，实现对信号的快速处理，频域转换后，提取不同激励电流下的特征峰值频率幅值强度，依据特征的变化规律，区分声发射信号和超声信号，并在二维的笛卡尔坐标系里面标示相应的点，连接为曲线后可以清晰的看到缺陷的Kaiser效应点。从而定位检测出该待检测铁磁金属存在的缺陷，并最终对缺陷的活性进行判定。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法，其特征在于，一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法的脉冲电流自起点以一定的形式增加至最大幅值，通过分析声发射信号与不同激励电流的关系，依据特征的变化规律，区分声发射信号和超声信号，并最终对缺陷的活性进行判定。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法，其特征在于：所述PC机根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位，其计算步骤是：PC机根据输入的待检测铁磁性金属发出的声发射声波的波速V，又根据四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标，计算出压电换能器S₁的探头和压电换能器S₂的探头间距为a，压电换能器S₃的探头和压电换能器S₄的探头的间距为b，，再根据四个压电传感器S₁、S₂、S₃和S₄采集到的声发射信号先后顺序，确定压电换能器S₁和压电换能器S₃间采集到声发射信号的时差Δt₁，以及压电换能器S₂和压电换能器S₄间采集到声发射信号的时差Δt₂，进而根据下面的时差定位计算公式(1)和(2)得到声发射源，即裂纹尖端位置的坐标：

$\left\{\begin{array}{cc}x=\frac{{\mathrm{\Δt}}_{1}V}{2a}\[{\mathrm{\Δt}}_{1}V+2\sqrt{{(x-a/2)}^2+y^2}\]& \left(1\right)\\ y=\frac{{\mathrm{\Δt}}_{2}V}{2b}\[{\mathrm{\Δt}}_{2}V+2\sqrt{{(y-b/2)}^2+x^2}\]& \left(2\right)\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法，其特征在于：所述PC机根据所采集到的声发射信号进行二维时差定位的程序的流程为：分别输入待检测铁磁性金属发出的声发射声波的波速V和四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标PC机根据四个压电换能器S₁、S₂、S₃和S₄的坐标，计算压电换能器S₁的探头和压电换能器S₃的探头间的距离a，计算压电换能器S₂的探头和压电换能器S₄的探头间的距离b，PC机根据采集到的声发射信号到达压电传感器的先后顺序，确定压电换能器S₁和压电换能器S₃间采集声发射信号的时差Δt₁，以及压电换能器S₂和压电换能器S₄间采集声发射信号的时差Δt₂，PC机根据时差定位公式计算声发射源坐标，实现对待检测铁磁性金属裂纹型缺陷的定位。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁加载的铁磁性金属无损检测方法，其特征在于：使用快速傅里叶变换进行信号的特征提取，实现对缺陷的判定，并使用二维平面定位实现缺陷定位。