CN113406186B - 基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法及装置 - Google Patents

基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法及装置，本发明在传统的交流电磁场检测基础上，使用正交激励线圈在空间中产生旋转的激励电磁场，同时感应线圈对试件上方的感应磁场进行拾取，将磁场信号转化为电信号。通过锁相放大器对电信号进行处理得到信号的幅值和相位信息，上位机通过采集卡对上述信息进行采集处理。上位机可以通过幅值和相位信息对试件的感应磁场进行还原，根据毕奥萨伐尔定律使用反卷积的方法得到试件表面的电流分布，从而获得裂纹的二维轮廓图像。利用本发明所提供的方法和装置可为工业中的金属材料提供非接触和无损检测，实现试件表面裂纹的可视化检测。

Description

基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法及装置
技术领域
本发明涉及电磁无损检测技术应用领域，具体涉及一种基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法及装置。
背景技术
在簇状裂纹形成初期，各个裂纹往往较小，很难引起较大的损害。但是随着裂纹的加剧，小裂纹往往会沿着长度方向不断生长，多个小裂纹会合并成一个大裂纹。当大裂纹出现时会造成管道的破裂，最终导致事故的发生。以管道中的簇状裂纹为例，管道裂纹常以相邻较近、甚至交叉的簇状裂纹形式出现，簇状裂纹在应力作用和腐蚀环境下容易加速扩展，从而造成管道开裂。所以需要在簇状裂纹发展的初期就对其进行监控，防止裂纹之间互相扩展导致的管道破裂。
随着无损检测技术的发展，在实现对缺陷检出的同时，对裂纹尺寸参数的精度提出了更高的要求。但是，簇状裂纹中，各个裂纹间距较小，每个裂纹的扰动信号往往叠加在一起形成保护壁垒。检测人员常将两个相邻的缺陷近似认为一个缺陷。现有的无损检测技术难以实现对各个裂纹的准确识别，对于簇状裂纹只能实现裂纹区域的标注，容易发生裂纹的误判。因此，急需一套高精确的簇状裂纹表面轮廓反演和分析技术，以实现对材料表面簇状裂纹的有效评估。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法及装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，包括以下步骤：
施加激励电磁场，获取试件表面感应磁场的检测信号；
对检测信号进行处理得到感应磁场在旋转电磁场位于任意角度时的磁场强度；
使用电偶极子模型对试件表面的电流进行重构，将重构获得的试件表面电流进行等效分割得到若干个单位电偶极子，所述重构获得的试件表面电流包括试件表面均匀电流和试件表面扰动电流；
根据毕奥萨伐尔定律计算单位电偶极子的感应磁场强度分布矩阵，建立单位电偶极子与感应磁场的函数关系；
通过将感应磁场反演得到试件表面扰动电流；
将试件表面扰动电流与试件表面均匀电流相叠加，得到试件表面电流分布；
绘制试件表面电流分布图，通过试件表面电流分布图得到试件表面裂纹的轮廓图像。
进一步的，所述施加激励电磁场，获取试件表面感应磁场的检测信号包括：
获取激励信号；
根据激励信号产生激励磁场，通过激励磁场在试件表面旋转形成多个角度的感应磁场；
采集各个角度的感应磁场的检测信号。
进一步的，所述对检测信号进行处理得到感应磁场在旋转电磁场位于任意角度时的磁场强度，包括：
将检测信号中所包含的感应磁场的幅值信息和相位信息通过磁场还原法进行运算得到感应磁场在激励磁场位于任意角度时的磁场强度：
Figure BDA0003089920380000021
其中，
Figure BDA0003089920380000022
为激励磁场在角度为α时感应磁场的磁场强度；A为感应磁场的幅值响应；
Figure BDA0003089920380000023
为感应磁场的相位响应；α为激励磁场的角度。
进一步的，所述根据毕奥萨伐尔定律计算单位电偶极子的感应磁场强度分布矩阵，建立单位电偶极子与感应磁场的函数关系，包括：
建立试件表面单位电偶极子与感应磁场的关系，如下式所示：
Figure BDA0003089920380000024
其中，C为单位电偶极子在试件表面产生的磁场分布矩阵；n为检测到的感应磁场与实际感应磁场之间的磁场强度误差矩阵；conv(·，·)表示卷积运算；
Figure BDA0003089920380000031
为激励磁场在角度为α时试件的表面扰动电流；。
进一步的，所述通过将感应磁场反演得到试件表面扰动电流，包括：将试件表面单位电偶极子与空间扰动磁场的关系中的卷积运算转化为频域下的乘积运算，并加入正则化参数对运算结果进行约束，得到试件表面扰动电流的表达式：
Figure BDA0003089920380000032
其中，μ为正则化参数；F()表示傅里叶变换，F-1()表示反傅里叶变换；
反演得到电偶极子模型下的电流矩阵，将得到的电流矩阵进行转换，转换公式如下：
Figure BDA0003089920380000033
Figure BDA0003089920380000034
其中，i，j分别为不大于矩阵行数和列数的正整数；
Figure BDA0003089920380000035
与
Figure BDA0003089920380000036
分别为表面扰动电流分布矩阵在X、Y轴方向第i行第j列的元素。
进一步的，将试件表面扰动电流与试件表面均匀电流相叠加，得到试件表面电流分布，包括：所述将试件表面扰动电流与试件表面均匀电流相叠加，其中试件表面均匀电流的强度通过计算表面扰动电流的强度最大值得到，得到试件表面电流分布：
Figure BDA0003089920380000037
其中，
Figure BDA0003089920380000038
为激励磁场在角度为α时试件表面均匀电流；
Figure BDA0003089920380000039
与
Figure BDA00030899203800000310
分别为X、Y轴方向的表面扰动电流分布矩阵。
进一步的，对由不同角度下得到的试件表面电流进行相加取平均值，得到最终的试件表面电流分布。
一种基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演装置，包括：
二维移动平台；
信号产生模块，设于所述二维移动平台上，包括同源正交信号发生部件、压控转电流源部件以及电流测量部件，被配置为接收控制信号，并根据控制信号发出激励信号；
磁场检测探头，设于所述二维移动平台上，包括激励线圈组件和阵列检测线圈组件，被配置为根据激励信号产生激励磁场以及检测试件表面由激励磁场产生的感应磁场，并发出检测信号；
信号处理模块，包括正交锁相电路，被配置为接收检测信号并处理转化为电信号；
上位机，与所述信号产生模块、信号处理模块以及二维移动平台分别连接，被配置为控制二维移动平台运动，输出控制信号以及接收处理后的检测信号并通过反演得到试件表面裂纹二维轮廓
进一步的，所述激励线圈组件包括线圈骨架以及缠绕在线圈骨架上的两个相互正交的激励线圈，所述激励线圈组件设于试件上方并靠近试件，所述阵列检测线圈组件位于所述激励线圈组件的下方；所述信号产生模块中的同源正交信号发生部件产生的两个幅值相同，相位相差90°的激励信号，由压控转电流源部件转换为恒流信号后分别接入两个激励线圈中，产生激励磁场；所述二维移动平台带动磁场检测探头移动对试件进行扫描，由上位机控制二维移动平台的扫描范围和步长使得所述阵列检测线圈组件检测试件多个角度产生的感应磁场。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用电流反演的方法，解决了多裂纹磁场干扰的问题；
(2)本发明使用旋转的激励电磁场检测技术，提高了对任意角度裂纹的准确性。
(3)本发明通过可视化的手段，将裂纹轮廓以图像的形式展现，实现了试件表面裂纹的形状检测；实现了对试件表面簇状裂纹的有效评估，详细地确定簇状裂纹中裂纹的数量、间隔、分布、各个裂纹的长度等二维轮廓信息，对于后续准确的进行剩余寿命和裂纹扩展评估具有重要意义，可有效对事故进行预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例中基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法流程图；
图2为本发明实施例中方形电偶极子模型示意图；
图3为本发明实施例中试件表面电流分布图；
图4为本发明实施例中试件表面二维轮廓反演示意图；
图5为本发明实施例中基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演装置结构图；
图6为本发明实施例中正交作锁相电路原理图；
图7为本发明实施例中线圈骨架结构示意图；
图8为本发明实施例中激励线圈缠绕方向示意图；
图中：1、二维移动平台；2、信号产生模块；3、磁场检测探头；31、激励线圈组件；311、线圈骨架；312、激励线圈；32、阵列检测磁场；4、信号处理模块；5、上位机；6、试件；7、采集卡。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供了一种基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，包括以下步骤：
步骤1：施加激励电磁场，获取试件表面感应磁场的检测信号；
具体的，包括以下步骤：
步骤101：上位机发出控制信号控制同源正交发生部件产生两个幅值相同、相位相差90°的正弦信号，由压控转电流部件转化为以恒流电信号形式存在的激励信号，并由电流测量模块对输出的激励信号进行监控；同时从信号发生模块中另外引出一路激励信号作为参考信号，将参考信号相位作为初始相位；
步骤102：磁场检测探头中的激励线圈根据激励信号产生激励磁场，激励磁场的初始角度和旋转方向由信号发生模块控制，然后通过激励磁场在试件表面旋转形成多个角度的感应磁场；
步骤103：由阵列检测线圈组件采集各个角度的感应磁场的检测信号，并将检测信号发送给信号处理模块，信号处理模块将检测信号进行正交锁相，得到检测信号中包含的感应磁场的幅值、相位信息，并通过采集卡传输给上位机处理；
步骤2：将检测信号中所包含的感应磁场的幅值信息和相位信息通过磁场还原法进行运算得到感应磁场在激励磁场位于任意角度时的磁场强度：
Figure BDA0003089920380000061
其中，
Figure BDA0003089920380000062
为激励磁场在角度为α时感应磁场的磁场强度；A为感应磁场的幅值响应；
Figure BDA0003089920380000063
为感应磁场的相位响应；α为激励磁场的角度。
步骤3：使用方形电偶极子模型对试件表面电流进行重构，重构后试件表面的电流分布由连续的电流变为若干个离散独立的方形单位电偶极子，用矩阵[Iα]表示；对离散后的试件表面电流进行分解，得到试件表面均匀电流和试件表面扰动电流。
步骤4：根据毕奥萨伐尔定律计算单位电偶极子的感应磁场强度分布矩阵，建立单位电偶极子与感应磁场的函数关系，如下式所示：
Figure BDA0003089920380000064
其中，C为单位电偶极子在试件表面产生的磁场分布矩阵；n为检测到的感应磁场与实际感应磁场之间的磁场强度误差矩阵；conv(·，·)表示卷积运算；
Figure BDA0003089920380000065
为激励磁场在角度为α时试件的表面扰动电流。
步骤5：将试件表面单位电偶极子与空间扰动磁场的关系中的卷积运算转化为频域下的乘积运算，并加入正则化参数对运算结果进行约束，得到试件表面扰动电流的表达式：
Figure BDA0003089920380000071
其中，μ为正则化参数；F()表示傅里叶变换，F-1()表示反傅里叶变换；
反演得到如图2所示的方形电偶极子模型下的电流矩阵，将得到的电流矩阵进行转换，转换公式如下：
Figure BDA0003089920380000072
Figure BDA0003089920380000073
其中，i，j分别为不大于矩阵行数和列数的正整数；
Figure BDA0003089920380000074
与
Figure BDA0003089920380000075
分别为表面扰动电流分布矩阵在X、Y轴方向第i行第j列的元素。
由于被检测时裂纹的角度未知，所以需要选择多个角度下的磁场数据进行反演，保证反演的精度，适合选择的角度有：0°，45°，90°，135°，180°；而在本实施例反演时，选择了90°，此时感应磁场的强度最大，此时反演结果更精确。
步骤6：将试件表面扰动电流与试件表面均匀电流相叠加，其中试件表面均匀电流的强度通过计算表面扰动电流的强度最大值得到，得到试件表面电流分布：
Figure BDA0003089920380000076
其中，
Figure BDA0003089920380000077
为激励磁场在角度为α时试件表面均匀电流；
Figure BDA0003089920380000078
与
Figure BDA00030899203800000710
分别为X、Y轴方向的表面扰动电流分布矩阵。
本实施例对由不同角度下得到的试件表面电流进行相加取平均值，得到最终的试件表面电流分布。
步骤7：绘制试件表面电流分布图，通过试件表面电流分布图得到试件表面裂纹的轮廓图像。
本实施例通过将试件表面扰动电流进行还原，并加入设定好的试件表面均匀电流，得到特定角度下的试件表面电流分布，由于试件表面电流分布受到裂纹轮廓的影响，在裂纹区域不存在电流分布，所以根据反演结果的电流密度可直观的得到裂纹分布；
最终结果由多角度下的电流分布叠加产生，如图3-4所示，得到的试件表面电流分布图反映了试件表面的电流密度分布，白色区域电流趋近于0，表示裂纹所在区域，直接反应了试件表面裂纹二维轮廓分布。
请参阅图5，本发明的另一种实施例提供了一种基于电流偶极子的试件6表面裂纹二维轮廓反演装置，包括二维移动平台1、信号产生模块2、磁场检测探头3、信号处理模块4以及上位机5；其中，信号产生模块2与磁场检测探头3设置在二维移动平台1上，信号产生模块2包括同源正交信号发生部件、压控转电流源部件以及电流测量部件，被配置为接收控制信号，并根据控制信号发出激励信号；磁场检测探头3包括激励线圈组件31和阵列检测线圈组件32，被配置为根据激励信号产生激励磁场以及检测试件6表面由激励磁场产生的感应磁场，并发出检测信号；信号处理模块4包括正交锁相电路，如图6所示，被配置为接收检测信号并处理转化为电信号并通过采集卡7发送给上位机5；上位机5与信号产生模块2、信号处理模块4以及二维移动平台1分别连接，被配置为控制二维移动平台1运动，输出控制信号以及接收处理后的检测信号并通过反演得到试件6表面裂纹二维轮廓。
为本实施例所优选的是，请参阅图7-8，激励线圈组件31包括线圈骨架311以及缠绕在线圈骨架311上的两个相互正交的激励线圈312，激励线圈组件31设于试件6上方并靠近试件6，阵列检测线圈组件32位于激励线圈组件31的下方；信号产生模块2中的同源正交信号发生部件产生的两个幅值相同，相位相差90°的激励信号，由压控转电流源部件转换为恒流信号后分别接入两个激励线圈312中，产生激励磁场；二维移动平台1带动磁场检测探头3移动对试件6进行扫描，由上位机5控制二维移动平台1的扫描范围和步长使得阵列检测线圈组件32检测试件多个角度产生的感应磁场。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
施加激励电磁场，获取试件表面感应磁场的检测信号；
对检测信号进行处理得到感应磁场在旋转电磁场位于任意角度时的磁场强度；
使用电偶极子模型对试件表面的电流进行重构，将重构获得的试件表面电流进行等效分割得到若干个电偶极子，所述重构获得的试件表面电流包括试件表面均匀电流和试件表面扰动电流；
根据毕奥萨伐尔定律计算单位电偶极子的感应磁场强度分布矩阵，建立电偶极子与感应磁场的函数关系；
通过将感应磁场反演得到试件表面扰动电流；
将试件表面扰动电流与试件表面均匀电流相叠加，得到试件表面电流分布；
绘制试件表面电流分布图，通过试件表面电流分布图得到试件表面裂纹的轮廓图像。
2.根据权利要求1所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，其特征在于，所述施加激励电磁场，获取试件表面感应磁场的检测信号包括：
获取激励信号；
根据激励信号产生激励磁场，通过激励磁场在试件表面旋转形成多个角度的感应磁场；
采集各个角度的感应磁场的检测信号。
3.根据权利要求1所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，其特征在于，所述对检测信号进行处理得到感应磁场在旋转电磁场位于任意角度时的磁场强度，
包括：
将检测信号中所包含的感应磁场的幅值信息和相位信息通过磁场还原法进行运算得到感应磁场在激励磁场位于任意角度时的磁场强度：
Figure FDA0003886382320000011
其中，
Figure FDA0003886382320000012
为激励磁场在角度为α时感应磁场的磁场强度；A为感应磁场的幅值响应；
Figure FDA0003886382320000013
为感应磁场的相位响应；α为激励磁场的角度。
4.根据权利要求3所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，其特征在于，所述根据毕奥萨伐尔定律计算单位电偶极子的感应磁场强度分布矩阵，建立单位电偶极子与感应磁场的函数关系，包括：
建立试件表面单位电偶极子与感应磁场的关系，如下式所示：
Figure FDA0003886382320000021
其中，C为单位电偶极子在试件表面产生的磁场分布矩阵；n为检测到的感应磁场与实际感应磁场之间的磁场强度误差矩阵；conv(·，·)表示卷积运算；
Figure FDA0003886382320000022
为激励磁场在角度为α时试件的表面扰动电流。
5.根据权利要求4所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，其特征在于，所述通过将感应磁场反演得到试件表面扰动电流，包括：将试件表面单位电偶极子与空间扰动磁场的关系中的卷积运算转化为频域下的乘积运算，并加入正则化参数对运算结果进行约束，得到试件表面扰动电流的表达式：
Figure FDA0003886382320000023
其中，μ为正则化参数；F()表示傅里叶变换，F-1()表示反傅里叶变换；
反演得到电偶极子模型下的电流矩阵，将得到的电流矩阵进行转换，转换公式如下：
Figure FDA0003886382320000024
Figure FDA0003886382320000025
其中，i，j分别为不大于矩阵行数和列数的正整数；
Figure FDA0003886382320000026
与
Figure FDA0003886382320000027
分别为表面扰动电流分布矩阵在X、Y轴方向第i行第j列的元素。
6.根据权利要求5所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，其特征在于，将试件表面扰动电流与试件表面均匀电流相叠加，得到试件表面电流分布，包括：
所述将试件表面扰动电流与试件表面均匀电流相叠加，其中试件表面均匀电流的强度通过计算表面扰动电流的强度最大值得到，得到试件表面电流分布：
Figure FDA0003886382320000028
其中，
Figure FDA0003886382320000031
为激励磁场在角度为α时试件表面均匀电流；
Figure FDA0003886382320000032
与
Figure FDA0003886382320000033
分别为X、Y轴方向的表面扰动电流分布矩阵。
7.根据权利要求6所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，其特征在于：对由不同角度下得到的试件表面电流进行相加取平均值，得到最终的试件表面电流分布。
8.一种基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演装置，其特征在于，用于实现如权利要求1-7任一项所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演方法，包括：
二维移动平台；
信号产生模块，设于所述二维移动平台上，包括同源正交信号发生部件、压控转电流源部件以及电流测量部件，被配置为接收控制信号，并根据控制信号发出激励信号；磁场检测探头，设于所述二维移动平台上，包括激励线圈组件和阵列检测线圈组件，被配置为根据激励信号产生激励磁场以及检测试件表面由激励磁场产生的感应磁场，并发出检测信号；
信号处理模块，包括正交锁相电路，被配置为接收检测信号并处理转化为电信号；
上位机，与所述信号产生模块、信号处理模块以及二维移动平台分别连接，被配置为控制二维移动平台运动，输出控制信号以及接收处理后的检测信号并通过反演得到试件表面裂纹二维轮廓。
9.根据权利要求8所述的基于电流偶极子的试件表面裂纹二维轮廓反演装置，其特征在于：所述激励线圈组件包括线圈骨架以及缠绕在线圈骨架上的两个相互正交的激励线圈，所述激励线圈组件设于试件上方并靠近试件，所述阵列检测线圈组件位于所述激励线圈组件的下方；所述信号产生模块中的同源正交信号发生部件产生的两个幅值相同，相位相差90°的激励信号，由压控转电流源部件转换为恒流信号后分别接入两个激励线圈中，产生激励磁场；所述二维移动平台带动磁场检测探头移动对试件进行扫描，由上位机控制二维移动平台的扫描范围和步长使得所述阵列检测线圈组件检测试件多个角度产生的感应磁场。
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