[發明專利]一種測量鐵磁構件壁厚相對變化量的脈沖渦流檢測方法

有效

• 申請號: 201410617338.1
• 申請日: 2014-11-05
• 公開（公告）號: CN104359389A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 陳興樂;雷銀照
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B7/06
• 分類號: G01B7/06
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種測量鐵磁構件壁厚相對變化量的脈沖渦流檢測方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：被檢鐵磁構件的脈沖渦流檢測信號的獲取即SAP：

將空心圓柱線圈探頭置于帶包覆層的被檢鐵磁構件上，被檢鐵磁構件上的檢測點記為Q，被檢鐵磁構件上的第j個檢測點記為Q_j，下標j為檢測點Q的標識號，被檢鐵磁構件上的下一個檢測點記為Q_j+1，j＝1,2,……,N，N為自然數；被檢鐵磁構件上檢測點Q_j的壁厚記為d_j，下一個檢測點Q_j+1的壁厚記為d_j+1，線圈探頭的提離距離為l；脈沖渦流檢測信號的獲取步驟為：

步驟SAP-1，將空心圓柱線圈探頭垂直放置于被檢鐵磁構件檢測點包覆層外，線圈探頭下邊緣與被檢鐵磁構件上表面之間的提離距離為l；

步驟SAP-2，激勵線圈的兩端接入脈沖電流激勵源，檢測線圈的兩端接入數據采集卡；

步驟SAP-3，用計算機控制脈沖激勵源輸出持續脈寬為10～5000ms，幅值為0.1～20A的穩定電流I₀，在檢測起始時刻即t＝0，關斷激勵電流，得到快速下降的脈沖激勵電流下降沿；

步驟SAP-4，用數據采集卡采集激勵電流關斷后，在一個采樣時間T，T＝10ms～1s里，檢測線圈兩端的感應電壓時域信號u(t)，并將采集得到的感應電壓信號u(t)存儲到計算機內；

步驟二：被檢鐵磁構件參數的反演方法即PIP：

按照SAP步驟采集得到檢測線圈兩端的感應電壓后，如何由檢測信號反演出被檢構件上檢測點Q_j處壁厚d_j的變化是壁厚腐蝕脈沖渦流檢測中信號處理的關鍵，當激勵線圈中通入脈沖激勵電流i(t)時，檢測線圈兩端的感應電壓時域表達式：

u(t)=i′(t)*32πσdb2Σi=1+∞CdCpλi2J02(bλi)Σk=1+∞ξk2Γkie-tτki---(1)]]>

π取值為3.14；

e為自然對數的底，取值為2.72；

σ為被檢鐵磁構件的電導率，單位為S/m；

d為被檢鐵磁構件上檢測點Q的壁厚，單位為m；

μ₀為真空磁導率，取值為4π×10^-7H/m；

μ_r為被檢鐵磁構件的相對磁導率；

b為鐵磁平板渦流場模型的截斷邊界，單位為m；

λ_i表示一階貝塞爾函數J₁(bλ_i)＝0的第i個正根；

J₀(x)表示第一類0階貝塞爾函數；

ξ_k是超越方程(tanξ+2ξμrλid)(cotξ-2ξμrλid)=0]]>的第k個正根；

系數Γki=4ξk2+2μrλid+(μrλid)2;]]>

時間常量τki=μ0μrσ(2ξk/d)2+λi2;]]>

i(t)為脈沖激勵電流，單位為A；

i′(t)表示脈沖激勵電流對時間的導數；

“*”表示卷積運算f1(t)*f2(t)=∫0tf1(τ)f2(t-τ)dτ;]]>

C_d為激勵線圈的線圈系數，C_p為檢測線圈的線圈系數；

基于上述鐵磁平板脈沖渦流檢測模型感應電壓的時域解析解，建立感應電壓時域信號測量值與理論計算值之間的最小二乘問題，對檢測點Q_j處的壁厚、電導率和磁導率參數進行反演，具體步驟如下：

步驟PIP-1,將被檢鐵磁構件檢測點Q_j處的壁厚d_j和相對磁導率μ_r設為未知參數，即有待反演的參數向量x＝(d,μ_r)^T；

步驟PIP-2,按照SAP步驟，在被檢構件上檢測點Q_j處，數據采集卡采集得到的檢測線圈兩端的時域感應電壓測量數據為(t₁,u₁),(t₂,u₂),…,(t_m,u_m)，將其與式(1)計算的感應電壓理論值u(x,t)比較，令感應電壓信號測量值與計算值之間的誤差平方和最小來反演參數x，即建立最小二乘問題：

minx∈R2f(x)def‾‾Σi=1m(ui-u(x,ti))2s.t.x1>0,x2>0---(2)]]>

記殘量函數并記殘量函數向量r(x)＝(r₁(x),r₂(x),...,r_m(x))^T；

步驟PIP-3,在計算機中，利用迭代算法，求解出最小二乘問題(2)的最優解x^*，迭代算法的計算步驟為：

(1)給定初始點x(1)=(d(1),μr(1))T,]]>其中d⁽¹⁾＝1～30mm，μr(1)=20~500,]]>允許誤差ε＞0，一般取ε＝10^-3，置k＝1；

(2)將第k步的參數向量代入計算式(1)中，計算出每個時間點t_i的感應電壓理論值u(x^(k),t_i)，然后與感應電壓的測量值u_i作差，計算出殘量函數值

r_i(x^(k))＝u_i-u(x^(k),t_i),i＝1,2,…,m，

并得到殘量函數向量r^(k)；然后進一步由式(1)計算出感應電壓理論曲線對壁厚d的一階偏導數

ai1=-∂u(x(k),ti)∂d,i=1,2,···,m,]]>

以及感應電壓理論曲線對相對磁導率μ_r的一階偏導數

ai2=-∂u(x(k),ti)∂μr,i=1,2,···,m,]]>

得到m×2的矩陣A_k＝(a_ij)_m×2；

(3)求解方程組

AkTAkb=-AkTr(k),]]>

求得方向向量b^(k)；

(4)從參數向量x^(k)出發，沿b^(k)作一維搜索，求出步長α_k，使得

f(x(k)+αkb(k))=minαf(x(k)+αb(k)),]]>

并令

x^(k+1)＝x^(k)+α_kb^(k)；

(5)若||x^(k+1)-x^(k)||≤ε，則停止計算，得到最小二乘問題(2)的最優解x^*＝x^(k+1)；否則，置k:＝k+1，返回步驟(2)；

由上述迭代算法求解出最小二乘問題(2)的最優解后，即得到被檢構件上檢測點Q_j處壁厚的反演結果相對磁導率的反演結果將壁厚反演結果與檢測點Q_j的位置信息對應起來，保存到計算機中；

步驟三：利用壁厚的反演結果，測量被檢鐵磁構件上不同檢測點處壁厚相對變化量：

對鐵磁構件實施脈沖渦流檢測的目的是通過感應電壓時域信號的衰減過程，來評估壁厚的腐蝕程度，因此，通過檢測信號的反演結果，來確定被檢鐵磁構件壁厚的變化，是脈沖渦流檢測的最終目的；被檢鐵磁構件的電導率σ很難直接測得，而且其容易受構件溫度、材料微觀組織因素的影響，也很難用標準試件對其進行標定，從被檢鐵磁構件上任意找兩個檢測點，通過將兩個檢測點處壁厚反演結果作比，來消除被檢構件電導率的影響，從而測量出被檢鐵磁構件不同檢測點壁厚的相對變化，具體實施步驟為：

步驟1：將空心圓柱線圈探頭置于被檢鐵磁構件上檢測點Q_j處，檢測點Q_j的壁厚記為d_j；

步驟2：按照SAP步驟，對檢測點Q_j實施脈沖渦流檢測，并將采集得到的檢測線圈兩端感應電壓時域信號數據(t₁,u₁),(t₂,u₂),…,(t_m,u_m)u(t)存儲于計算機中；

步驟3：按照PIP步驟，利用檢測點Q_j處檢測信號建立最小二乘問題，并反演出檢測點Q_j的壁厚和相對磁導率，為檢測點Q_j處壁厚的反演結果，為檢測點Q_j處相對磁導率的反演結果，最后將這兩個反演結果與檢測點Q_j的位置信息對應起來，存儲于計算機中；

步驟4：將空心線圈探頭移至被檢鐵磁構件的下一檢測點Q_j+1，重復步驟2和步驟3，得到下一檢測點Q_j+1的壁厚和相對磁導率反演結果，為檢測點Q_j+1處壁厚的反演結果，為檢測點Q_j+1處相對磁導率的反演結果，最后將這兩個反演結果與檢測點Q_j+1的位置信息對應起來，存儲于計算機中；

步驟5：將檢測點Q_j處壁厚反演結果與下一檢測點Q_j+1處壁厚反演結果作比，得到前后兩個檢測點壁厚反演結果的比值檢測點Q_j處壁厚d_j與下一檢測點Q_j+1處壁厚d_j+1的比值，與所述之間存在的關系為由此能夠計算出被檢鐵磁構件壁厚的相對變化量，即得到壁厚的腐蝕情況；

由此計算出后一檢測點Q_j+1處的壁厚相對于前一檢測點Q_j處壁厚的相對變化量后，將檢測結果與檢測點的位置信息對應起來，保存到計算機中，直至描繪出整個被檢鐵磁構件壁厚相對于前一檢測點Q_j的壁厚的相對變化情況，從而找出被檢鐵磁構件壁厚腐蝕減薄的位置，并對壁厚腐蝕程度進行定量評估。