一種基于脈沖渦流和電磁超聲復(fù)合的體缺陷無損檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于電磁和超聲方法的缺陷定量無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基 于脈沖渦流和電磁超聲復(fù)合的體缺陷無損檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著近年來我國對核電事業(yè)的大力投入，核電站數(shù)量和裝機(jī)容量持續(xù)增加。然而， 2011年發(fā)生的福島核電站事故再次證明，核電安全問題需得到社會各界人士的高度關(guān)注。 在核電站安全管理中，定期無損檢測是確保系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要手段。核電站的一些關(guān)鍵 部件由于生產(chǎn)、使用時產(chǎn)生的拉應(yīng)力狀態(tài)及輕水堆核電站水環(huán)境影響，易萌生應(yīng)力腐蝕裂 紋，同時在彎管和節(jié)流孔處經(jīng)長期沖蝕也可能出現(xiàn)局部減薄缺陷。這些缺陷對核電結(jié)構(gòu)的 安全可靠構(gòu)成了現(xiàn)實(shí)威脅。
[0003] 電磁超聲檢測與傳統(tǒng)壓電超聲檢測同屬于超聲檢測范疇。與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測 相比，電磁超聲檢測由于無需媒介及與被測物體接觸，具有可靈活產(chǎn)生各類波形，對檢測工 件表面質(zhì)量要求不高和檢測速度快等特點(diǎn)，可提高檢測效率，且可擴(kuò)展到高溫、高速和在線 檢測，并且在較深的地方有較好的檢測效果。然而由于電磁超聲檢測有一個近表面盲區(qū)，即 當(dāng)缺陷近表面時，回波信號會與激勵信號幾乎重疊很難區(qū)分。
[0004] 脈沖渦流檢測方法對于近表面缺陷有較高的精度，但是由于趨膚深度的限制，無 法準(zhǔn)確地對更深的地方進(jìn)行測量。
[0005] 經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，電磁超聲的檢出信號本身包含脈沖渦流的部分，因此如果能 夠有效利用電磁超聲中的渦流信號，有望實(shí)現(xiàn)電磁超聲、脈沖渦流的復(fù)合無損檢測。兩種信 號的復(fù)合提取分析，可以優(yōu)缺互補(bǔ)，提尚檢測性能和效率。
[0006] 鑒于此，本發(fā)明提出了脈沖渦流和電磁超聲復(fù)合無損檢測方法，利用產(chǎn)生強(qiáng)靜磁 場的永磁體、圓形探頭、信號發(fā)生器、濾波器、電磁超聲數(shù)值模擬算法以及基于頻譜分析、濾 波等策略對混合檢出信號進(jìn)行分離提取的算法，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)電平板材料表面缺陷、厚度、深度 方向缺陷等的定量無損檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于脈沖渦流和 電磁超聲復(fù)合的體缺陷無損檢測方法，通過基于頻譜分析、濾波等策略對混合檢出信號進(jìn) 行分離提取，然后對分離出的檢測信號進(jìn)行分別評估檢測；再附加電磁超聲數(shù)值模擬算法 以及基于頻譜分析、濾波等策略對混合檢出信號進(jìn)行分離提取的算法，針對導(dǎo)電平板材料 表面缺陷、厚度、深度方向缺陷等的定量無損檢測；具有非接觸、檢測效率高、檢測范圍大、 兼容表面缺陷和深度缺陷檢測、更寬的厚度檢測范圍等優(yōu)點(diǎn)。
[0008] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 一種基于脈沖渦流和電磁超聲復(fù)合的體缺陷無損檢測方法，包括如下步驟：
[0010] 步驟1 :選擇一個表面磁場大于0. 5T的永磁體；
[0011] 步驟2:繞制圓形線圈，該圓形線圈實(shí)現(xiàn)信號的自激勵自檢出，圓形線圈置于永磁 體與試件表面之間，永磁體和圓形線圈形成電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合探頭；
[0012] 步驟3 :搭建脈沖渦流和電磁超聲復(fù)合無損檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括五部分：由脈 沖信號發(fā)生器和功率放大器組成的激勵信號發(fā)生裝置、電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合探頭、雙 工器、濾波器和數(shù)據(jù)采集裝置；雙工器輸入端連接激勵信號發(fā)生裝置、電磁超聲/脈沖渦流 復(fù)合探頭，雙工器輸出端連接濾波器，濾波器再連接數(shù)據(jù)采集裝置；首先激勵信號發(fā)生裝置 中的脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖激勵信號，功率放大器用來放大脈沖激勵信號并傳遞給電磁 超聲/脈沖渦流復(fù)合探頭，然后電磁超聲/脈沖渦流復(fù)合探頭在試件表面發(fā)出放大后的脈 沖激勵信號，同時又接收到檢出的信號，通過雙工器分離接收脈沖檢出信號、再經(jīng)過濾波器 濾波處理，最后通過數(shù)據(jù)采集裝置對檢出信號進(jìn)行分離提取并分析，即得到試件的缺陷信 息；
[0013] 步驟4 :計(jì)算永磁體產(chǎn)生的強(qiáng)靜磁場空間分布：
[0014] 對于永磁體，設(shè)磁化沿z軸方向，在忽略外磁場的影響下，方程（1-1)給出了鐵磁 性體的非線性磁化本構(gòu)關(guān)系：
[0016] 其中：μ。為真空磁導(dǎo)率；ez是磁體z軸方向單位矢量^為剩余磁場強(qiáng)度，對于理 想永磁體，剩余磁場強(qiáng)度民為常數(shù)；當(dāng)磁體內(nèi)各點(diǎn)磁化強(qiáng)度M相同時，磁化電流只分布在磁 體的表面，面電流密度j =MX en，en是磁體表面法向單位矢量；將永磁體等效為n IM線圈的 通電螺線管，則取線圈的等效電流Ic= jh/n，其中h為永磁體的高度；最后根據(jù)畢奧-薩 伐爾定律確定空間任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B
[0018] 其中：r為距離通電螺線管軸的垂直距離；dl為等效電流元的長度；通過上式能夠 得到永磁體產(chǎn)生的強(qiáng)靜磁場空間分布；
[0019] 步驟5 :結(jié)合步驟4得到的強(qiáng)靜磁場空間分布，基于退化磁矢量位法4及 Crank-Nicholson時域積分法計(jì)算出速度位移場分布、感應(yīng)磁場引發(fā)的禍流場分布以及檢 出信號的結(jié)果；
[0020] 對于導(dǎo)電介質(zhì)，在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，忽略位移電流，描述電磁場的偏微分方程為：
[0022] 式中：▽為拉普拉斯算子;A表示磁矢位；伊:為磁標(biāo)勢；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率； 上為源電流密度；采用棱邊有限元法將上式離散為：
[0024] 由式（1-4)根據(jù)Crank-Nicholson直接積分法得：
[0025] [(l-0)At[P] + [Q]] {A}t+At= At{R} t+At+[[Q]-0 At[P]] {A}t (1-5)
[0026] 式中：△ t為時間步長；Θ為〇~I的常數(shù)；[P]、[Q]表不系數(shù)矩陣；[R]為與時間 和脈沖激勵電流源相關(guān)的數(shù)值矩陣，維度與P、Q相同；{A}表示與時間相關(guān)的向量，在計(jì)算 得到磁矢位A后，導(dǎo)體中脈沖渦流丄、磁場分布匕以及由脈沖渦流Je產(chǎn)生的檢出線圈電壓 信號Vpull^t的分布由下式計(jì)算：
[0028] 在磁場和渦流相互作用下產(chǎn)生洛侖玆力為：
[0029] fv= JeXB (1-7)
[0030] 在洛侖玆力fv的作用下，導(dǎo)體中會產(chǎn)生超聲波，根據(jù)均勻各向同性介質(zhì)中波動方 程有：
[0032] 式中：λ和μ是材料彈性常數(shù)；p是材料的密度；γ是材料的阻尼系數(shù)；u是質(zhì) 點(diǎn)位移矢量；帶入有限元離散再用中心差分方法得積分形式為：
[0033] [L] {U}t+At= [R] {U} t+[D] {U}t At+2({Fs}t+{Fv}t)At2 (1-9)
[0034] 式中：
[0035] [L] = 2[M] + [C] Δ t ；
[0036] [S] = 4[M]-2[K] Δ t2 ；
[0037] [D] = [C] Δ t-2 [M]；
[0038] [U]、[M]、[C]和[K]分別為位移矩陣、試件的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；
[0039] {Fs}和{Fv}分別為試件所受的表面力和體積力向量；
[0040] 通過逐步積分計(jì)算即得到任意時刻超聲波傳播所引起的節(jié)點(diǎn)的位移和速度，在超 聲波傳播過程中，導(dǎo)體會切割磁感線，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢ε :
[0041] ε jvXB · dl (1-10)
[0042] v為節(jié)點(diǎn)的速度，導(dǎo)體內(nèi)部的感應(yīng)電流密度J為：
[0043] J= σ (vXB) (1-11)
[0044] 根據(jù)聶以曼公式可得到檢出線圈內(nèi)的感應(yīng)磁通Φ為：
[0046] 其中：R為線圈半徑，dV為速度微分，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得由于超聲渦流產(chǎn) 生的檢出線圈電壓信號 ^ultrasonic, * CN 105181791 A 說明書 4/8 頁
[0048] 根據(jù)式（1-6)和式（1-13)即可得到最終的檢出線圈混合電壓信號Vtotal， t為：
[0049] Vtotal t= V pulse t+Vultrasonic t (1-14)
[0050] 步驟6:結(jié)合步驟5得到的檢出線圈中的混合檢出信號，對混合檢出信號進(jìn)行濾波 處理從而得到信號的分離提取，即分別得到電磁超聲信號和脈沖渦流信號，濾波處理的過 程如下：
[0051] 首先對檢出信號進(jìn)行頻譜分析即作傅里葉變換，
[0052] 周期為21的函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開與其系數(shù)的計(jì)算公式如下：
[0056] 得到不同頻率#的幅值，即如X
[0057] 然后設(shè)定濾波頻率區(qū)間[Tl, T2]令，
[0059] 其中：Tl為高通濾波頻率；T2為低通濾波頻率；
[0060] 之后用式（1-15)將賦值后的各分量作傅里葉級數(shù)疊加，即得到濾波后的時域信 號；
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