CN114235949A - 一种高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头及缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头及缺陷检测方法，该探头包括外部盘式激励线圈、内部覆盆式有源自屏蔽线圈、高精度磁场传感器和环形磁场梯度传感器阵列；盘式激励线圈和覆盆式有源自屏蔽线圈同轴放置，与外部电源的连接方式为反向串联，工作时内部电流等大反向；盘式激励线圈和覆盆式有源自屏蔽线圈在探头下方产生大范围正向入射磁场和局部反向屏蔽磁场；高精度磁场传感器位于探头底部轴心处，该处的入射磁场相互抵消，磁场传感器仅拾取被测体内部涡流磁场的垂直分量；环形磁场梯度传感器阵列位于探头底部激励线圈和盘式线圈之间，拾取磁场梯度信号，该探头屏蔽了脉冲涡流检测信号中对无效的线圈磁场，平衡了入射磁场在被测体内的分布，实现了高精度的脉冲涡流检测。

Description

一种高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头及缺陷检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种金属构件缺陷检测的高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头及缺陷检测方法。

背景技术

脉冲涡流检测中，缺陷响应集中在检测信号上升段，在脉冲激励关断前检测信号逐渐趋于一致，因此往往需要通过差分处理才能提取到检测信号上升段的缺陷响应特征。传统方案中，由于磁场传感器同时拾取了线圈磁场和涡流磁场的信息，因此检测信号中存在大量的无效成分，差分处理获得的差分信号的幅值远小于检测信号。测量中，量程与精度不可兼得，检测信号中线圈磁场的存在极大浪费了磁场传感器的量程，限制了检测探头的动态范围。因此，如何屏蔽无效信息，提高检测信号的利用率和检测探头的动态范围是脉冲涡流检测中的一项重要工作。

由于激励线圈入射磁场随被测体深度逐渐衰减的分布特性，脉冲涡流检测中，金属构件表面缺陷的响应往往远大于内部深层缺陷，使得内部深层缺陷极易被表面缺陷所掩盖，存在重大的安全隐患。因此，如何提高内部深层缺陷的检出率，尤其是与表面缺陷共存情况下的检出率也是脉冲涡流检测中的一项重要工作。精确调控入射磁场在被测体内部的分布，提高内部深层缺陷的相对响应大小，实现不同深度缺陷信号特征响应大小的有效平衡，是提高与表面缺陷共存情况下内部深层缺陷检出率的重要途径。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的检测信号利用率不足，内部深层缺陷相对响应低、易被表面缺陷掩盖的问题，本发明的目的在于通过有源自屏蔽线圈包裹磁场传感器，实现检测信号中线圈磁场的实时完全屏蔽，提高检测探头的动态范围，同时有效调控被测体内部入射磁场在深度方向的分布，提高内部深层缺陷的相对响应大小，配合环形磁场梯度传感器阵列进行缺陷轮廓识别，实现高精度的缺陷三维立体成像检测。本发明所提供的高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头及缺陷检测方法，结合缺陷深度定量评估和缺陷轮廓识别，能够高精度的缺陷三维立体成像检测，具有重要的工程应用价值。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头，所述脉冲涡流检测探头包括一个外部盘式激励线圈1、一个内部覆盆式有源自屏蔽线圈、一个高精度磁场传感器3和一组环形磁场梯度传感器阵列4；外部盘式激励线圈1轴截面为矩形，内部覆盆式有源自屏蔽线圈2轴截面上下底边等长平行，内外侧边为指数曲线，侧边曲线及表达式如图3所示；外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2同轴放置，外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2与外部电源的连接方式为反向串联；高精度磁场传感器3位于探头底部轴心处；环形磁场梯度传感器阵列4位于探头底部并位于外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2之间；外部盘式激励线圈1、内部覆盆式有源自屏蔽线圈2、高精度磁场传感器3和环形磁场梯度传感器阵列4底部位于同一水平位置。

所述脉冲涡流检测探头在加电驱动情况下，外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2中电流等大反向，外部盘式激励线圈1产生大范围正向入射磁场，内部覆盆式有源自屏蔽线圈2产生局部反向屏蔽磁场；反向屏蔽磁场在高精度磁场传感器3处与正向入射磁场相互抵消，在环形磁场梯度传感器阵列4下方形成局部匀强磁场，在被测体内部能够有效平衡正向入射磁场在深度方向的分布；高精度磁场传感器3所拾取的磁场信息仅为被测体内部涡流磁场的垂直分量，环形磁场梯度传感器阵列4仅在缺陷处存在信号响应。

所述的高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头的金属构件缺陷三维立体成像检测方法，包括如下步骤：

步骤1：基于高精度磁场传感器3检测信号的缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)依次连接信号发生器、功率放大器、所述脉冲涡流检测探头、滤波放大器、数据采集卡和计算机，搭建脉冲涡流检测***，信号发生器产生脉冲激励波形，经功率放大器进一步放大电压后施加至所述脉冲涡流检测探头上，所述脉冲涡流检测探头产生正向激励场与反向局部屏蔽场，在被测体中诱导出涡流磁场，所述脉冲涡流检测探头内部磁场传感器及磁场梯度传感器阵列拾取检测信号后经滤波放大器将检测信号先放大后滤波，再由采集卡将数据采集后保存至计算机中，将所述脉冲涡流检测探头沿被测体表面逐点扫查，获取每个扫查点处的检测信号；

步骤2)从高精度磁场传感器3的检测信号提取峰值特征Pv，根据预先建立好的峰值-缺陷深度标定曲线，确定每个扫查点处峰值特征对应缺陷深度Δd，得到被测体缺陷深度的定量评估图像；

步骤2：基于环形磁场梯度传感器阵列检测信号的缺陷轮廓识别，具体步骤如下：

步骤1)将步骤1中步骤1)逐点扫查同步获取到的磁场梯度检测信号提取峰值特征Pg，得到磁场梯度传感器阵列中n个磁场梯度传感器的检测图像；

步骤2)将n张检测图像依据n个磁场梯度传感器的相对位置进行校对叠加，获得磁场梯度检测图像，求取磁场梯度检测图像的极值点，极值点连线即为缺陷轮廓；

步骤3：基于缺陷深度定量评估和缺陷轮廓识别的缺陷三维立体成像，具体步骤如下：

步骤1)以缺陷轮廓为依据，将被测体缺陷深度的定量评估图像进行正则化处理，具体措施为：轮廓封闭曲线外的缺陷深度值修订为0，轮廓封闭曲线内的缺陷深度值保留；

步骤2)以正则化后的缺陷深度为z轴值，绘制缺陷深度的三维图像，得到缺陷三维立体成像检测结果。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

1、本发明通过反向串联的有源自屏蔽线圈包裹磁场传感器，实现了脉冲涡流检测信号中线圈磁场的实时完全屏蔽，剔除了检测信号中的无效信息，提高了检测信号的利用率和检测探头的动态范围；屏蔽线圈磁场后，检测信号的幅值大幅降低，减少了磁场传感器的量程浪费，提高了高精度磁场传感器的应用范围，实现金属构件缺陷的超高精度检测；本发明的脉冲涡流检测探头具备自差分特性，无需对检测信号进行差分处理即可提取信号特征。另外，由于外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2与外部电源的连接方式为反向串联，这样只需要一个电源就能够为外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2中通入等大反向的电流，有效解决了由于未知缺陷影响被测体对线圈互感导致内部覆盆式有源自屏蔽线圈2与外部盘式激励线圈1内部电流的难以实时一致的问题。

2、本发明探头通过有源自屏蔽线圈对被测体内部入射磁场在深度方向的分布进行调控，能够显著提高内部深层缺陷的相对响应大小，有效平衡不同深度缺陷的响应大小，提高内部深层缺陷在与表面缺陷共存下的检出率。

3、本发明探头通过结合磁场传感器对缺陷深度的定量评估结果和环形磁场梯度传感器阵列对缺陷轮廓的识别，实现了缺陷的高精度三维立体成像检测。

附图说明

图1为本发明探头轴截面图。

图2为本发明探头三维示意图。

图3为本发明探头中覆盆式有源自屏蔽线圈的侧边曲线方程。

图4为本发明探头屏蔽线圈磁场效果。

图5为本发明探头降低检测信号幅值效果。

图6为本发明探头调控不同深度缺陷响应效果。

图7为本发明探头检测***流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头包括一个外部盘式激励线圈1、一个内部覆盆式有源自屏蔽线圈、一个高精度磁场传感器3和一组环形磁场梯度传感器阵列4；外部盘式激励线圈1轴截面为矩形，内部覆盆式有源自屏蔽线圈2轴截面上下底边等长平行，内外侧边为指数曲线，侧边曲线及表达式如图3所示；外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2同轴放置，外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2与外部电源的连接方式为反向串联，这样只需要一个电源就能够为外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2中通入等大反向的电流，有效解决了由于未知缺陷影响被测体对线圈互感系数导致内部覆盆式有源自屏蔽线圈2与外部盘式激励线圈1内部电流的难以实时一致的问题；高精度磁场传感器3位于探头底部轴心处；环形磁场梯度传感器阵列4位于探头底部并位于外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2之间；外部盘式激励线圈1、内部覆盆式有源自屏蔽线圈2、高精度磁场传感器3和环形磁场梯度传感器阵列4底部位于同一水平位置。

所述脉冲涡流检测探头在加电驱动情况下，外部盘式激励线圈1和内部覆盆式有源自屏蔽线圈2中电流等大反向，外部盘式激励线圈1产生大范围正向入射磁场，内部覆盆式有源自屏蔽线圈2产生局部反向屏蔽磁场；反向屏蔽磁场在高精度磁场传感器3处与正向入射磁场相互抵消，在环形磁场梯度传感器阵列4下方形成局部匀强磁场，本发明探头屏蔽线圈磁场的效果如图4所示；通过屏蔽线圈磁场，剔除检测信号中的无效信息，本发明探头可有效降低检测信号幅值，提高检测探头的动态范围和检测信号利用率，图5为本发明探头降低检测信号幅值效果；覆盆式有源自屏蔽线圈2产生的局部反向屏蔽磁场在被测体内部可有效平衡正向入射磁场在深度方向的分布，调控不同深度缺陷的响应，本发明探头调控不同深度缺陷响应的效果如图6所示；高精度磁场传感器3所拾取的磁场信息仅为被测体内部涡流磁场的垂直分量，环形磁场梯度传感器阵列4仅在缺陷处存在信号响应。

本发明高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头的金属构件缺陷三维立体成像检测方法，包括如下步骤：

步骤1：基于高精度磁场传感器3检测信号的缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)如图7所示依次连接信号发生器、功率放大器、所述脉冲涡流检测探头、滤波放大器、数据采集卡和计算机，搭建脉冲涡流检测***，信号发生器产生脉冲激励波形，经功率放大器进一步放大电压后施加至所述脉冲涡流检测探头上，所述脉冲涡流检测探头产生正向激励场与反向局部屏蔽场，在被测体中诱导出涡流磁场，所述脉冲涡流检测探头内部磁场传感器及磁场梯度传感器阵列拾取检测信号后经滤波放大器将检测信号先放大后滤波，再由采集卡将数据采集后保存至计算机中，将所述脉冲涡流检测探头沿被测体金属构件表面逐点扫查，获取每个扫查点处的检测信号；

步骤2)从高精度磁场传感器3的检测信号提取峰值特征Pv，根据预先建立好的峰值-缺陷深度标定曲线，确定每个扫查点处峰值特征对应缺陷深度Δd，得到金属构件缺陷深度的定量评估图像；

步骤2：基于环形磁场梯度传感器阵列检测信号的缺陷轮廓识别，具体步骤如下：

步骤1)将步骤1中步骤1)逐点扫查同步获取到的磁场梯度检测信号提取峰值特征Pg，得到磁场梯度传感器阵列中n个磁场梯度传感器的检测图像；

步骤2)将n张检测图像依据n个磁场梯度传感器的相对位置进行校对叠加，获得磁场梯度检测图像，求取磁场梯度检测图像的极值点，极值点连线即为缺陷轮廓；

步骤3：基于缺陷深度定量评估和缺陷轮廓识别的缺陷三维立体成像，具体步骤如下：

步骤1)以缺陷轮廓为依据，将金属构件缺陷深度的定量评估图像进行正则化处理，具体措施为：轮廓封闭曲线外的缺陷深度值修订为0，轮廓封闭曲线内的缺陷深度值保留；

步骤2)以正则化后的缺陷深度为z轴值，绘制缺陷深度的三维图像，得到缺陷三维立体成像检测结果。

Claims (3)

1.一种高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头，其特征在于：所述脉冲涡流检测探头包括一个外部盘式激励线圈(1)、一个内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)、一个高精度磁场传感器(3)和一组环形磁场梯度传感器阵列(4)；外部盘式激励线圈(1)轴截面为矩形，内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)轴截面上下底边等长平行，内外侧边为指数曲线；外部盘式激励线圈(1)和内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)同轴放置，外部盘式激励线圈(1)和内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)与外部电源的连接方式为反向串联；高精度磁场传感器(3)位于探头底部轴心处；环形磁场梯度传感器阵列(4)位于探头底部并位于外部盘式激励线圈(1)和内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)之间；外部盘式激励线圈(1)、内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)、高精度磁场传感器(3)和环形磁场梯度传感器阵列(4)底部位于同一水平位置。

2.根据权利要求1所述的高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头，其特征在于：所述脉冲涡流检测探头在加电驱动情况下，外部盘式激励线圈(1)和内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)中电流等大反向，外部盘式激励线圈(1)产生大范围正向入射磁场，内部覆盆式有源自屏蔽线圈(2)产生局部反向屏蔽磁场；反向屏蔽磁场在高精度磁场传感器(3)处与正向入射磁场相互抵消，在环形磁场梯度传感器阵列(4)下方形成局部匀强磁场，在被测体内部能够有效平衡正向入射磁场在深度方向的分布；高精度磁场传感器(3)所拾取的磁场信息仅为被测体内部涡流磁场的垂直分量，环形磁场梯度传感器阵列(4)仅在缺陷处存在信号响应。

3.权利要求1或2所述的高动态自屏蔽脉冲涡流检测探头的金属构件缺陷三维立体成像检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：基于高精度磁场传感器(3)检测信号的缺陷深度定量评估，具体步骤如下：

步骤1)依次连接信号发生器、功率放大器、权利要求1所述脉冲涡流检测探头、滤波放大器、数据采集卡和计算机，搭建脉冲涡流检测***，信号发生器产生脉冲激励波形，经功率放大器进一步放大电压后施加至权利要求1所述脉冲涡流检测探头上，所述脉冲涡流检测探头产生正向激励场与反向局部屏蔽场，在被测体中诱导出涡流磁场，所述脉冲涡流检测探头内部磁场传感器及磁场梯度传感器阵列拾取检测信号后经滤波放大器将检测信号先放大后滤波，再由采集卡将数据采集后保存至计算机中，将所述脉冲涡流检测探头沿被测体表面逐点检测，获取每个检测点处的检测信号；

步骤2)从高精度磁场传感器(3)的检测信号提取峰值特征Pv，根据预先建立好的峰值-缺陷深度标定曲线，确定每个扫查点处峰值特征对应缺陷深度Δd，得到被测体缺陷深度的定量评估图像；

步骤2：基于环形磁场梯度传感器阵列检测信号的缺陷轮廓识别，具体步骤如下：

步骤1)将步骤1中步骤1)逐点扫查同步获取到的磁场梯度检测信号提取峰值特征Pg，得到磁场梯度传感器阵列中n个磁场梯度传感器的检测图像；

步骤2)将n张检测图像依据n个磁场梯度传感器的相对位置进行校对叠加，获得磁场梯度检测图像，求取磁场梯度检测图像的极值点，极值点连线即为缺陷轮廓；

步骤3：基于缺陷深度定量评估和缺陷轮廓识别的缺陷三维立体成像，具体步骤如下：

步骤1)以缺陷轮廓为依据，将被测体缺陷深度的定量评估图像进行正则化处理，具体措施为：轮廓封闭曲线外的缺陷深度值修订为0，轮廓封闭曲线内的缺陷深度值保留；

步骤2)以正则化后的缺陷深度为z轴值，绘制缺陷深度的三维图像，得到缺陷三维立体成像检测结果。

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