[發明專利]一種電磁超聲監測傳感器安裝點的管道表面缺陷檢測方法

在審

• 申請號: 201811347686.6
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109507282A
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 解社娟;段志榮;陳振茂;田明明;仝宗飛;蔡文路
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N27/90
• 分類號: G01N27/90;G01N29/04;G01N29/24;G01N29/44
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種電磁超聲監測傳感器安裝點的管道表面缺陷檢測方法，其特征在于：

首先，在螺旋形線圈(6)正上方放置永磁體(5)制作由永磁體(5)和螺旋形線圈(6)組成的電磁超聲監測傳感器(4)，螺旋形線圈(6)為自激自檢線圈，永磁體(5)產生恒定磁場；在管道試件(1)表面某處打磨干凈后形成表面打磨處(7)，將電磁超聲監測傳感器(4)安裝固定于表面打磨處(7)；所述管道試件(1)含有管道內壁減薄缺陷(2)和管道表面裂紋/腐蝕缺陷(3)，管道表面裂紋/腐蝕缺陷(3)位于電磁超聲監測傳感器(4)安裝部位正下方的管道試件(1)表面；其次，通過脈沖渦流信號發生器對電磁超聲監測傳感器(4)的螺旋形線圈(6)通入脈沖激勵電流，由于電磁感應，在管道試件(1)表面會產生渦流，定義為脈沖渦流；同時，脈沖渦流在永磁體(5)的恒定磁場作用下會產生洛倫茲力，從而引發試件質點振動，質點振動會向下傳播，遇到界面會產生回波，質點振動會切割磁場線而產生新的渦流，定義為電磁超聲渦流，螺旋形線圈(6)兩端電壓會發生相應的變化；如此，螺旋形線圈(6)會同時檢出脈沖渦流信號和電磁超聲信號，即復合檢出信號；最后，采用濾波器對復合信號進行分離，從而從復合信號中分離出脈沖渦流信號和電磁超聲信號；其中電磁超聲信號對管道試件(1)的管道內壁減薄缺陷(2)狀態進行實時監測，實現電磁超聲監測傳感器(4)的在線監測功能；脈沖渦流信號對管道試件(1)的管道表面裂紋/腐蝕缺陷(3)進行檢測，實現對電磁超聲監測傳感器(4)安裝部位的表面缺陷狀況的檢測功能；因此，只要能夠利用電磁超聲中的渦流信號，不但對管道內壁減薄缺陷(2)狀態進行實時監測，還能有效地檢測出傳感器安裝部位材料表面是否出現裂紋或腐蝕缺陷。

2.根據權利要求1所述的一種電磁超聲監測傳感器安裝點的管道表面缺陷檢測方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

步驟1：加工管道試件(1)的管道內壁減薄缺陷(2)和管道表面裂紋/腐蝕缺陷(3)；制作電磁超聲監測傳感器(4)并安裝于管道表面裂紋/腐蝕缺陷(3)正上方的表面打磨處(7)，電磁超聲監測傳感器(4)中永磁體(5)提供恒定磁場源，螺旋形線圈(6)實現信號的自激勵和自檢出功能；

步驟2：搭建脈沖渦流和電磁超聲復合無損檢測實驗系統，主要包括相連接的六部分：由脈沖信號發生器和功率放大器組成的激勵信號發生裝置、電磁超聲監測傳感器、雙工器、信號放大器、濾波器以及由示波器和數據采集系統組成的數據采集裝置；雙工器輸入端連接激勵信號發生裝置、電磁超聲監測傳感器，雙工器輸出端連接信號放大器，信號放大器連接濾波器，濾波器再連接數據采集系統；首先激勵信號發生裝置中的脈沖信號發生器產生脈沖激勵信號，脈沖激勵信號經過激勵信號發生裝置中的功率放大器放大后傳遞給雙工器，雙工器又將放大后的激勵信號發送給電磁超聲監測傳感器(4)，其次電磁超聲監測傳感器(4)接收到復合檢出信號，復合檢出信號經雙工器篩選處理后發送給信號放大器將其放大，然后放大后的復合檢出信號經過濾波器濾波處理，將脈沖渦流信號和電磁超聲信號分離，最后將分離出的脈沖渦流信號和電磁超聲信號顯示于數據采集裝置中的示波器，并通過數據采集裝置中的數據采集系統進行采集以供分析，即得到試件的缺陷信息；

步驟3：計算永磁體(5)產生的強靜磁場空間分布：

對于永磁體(5)，設磁化沿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關系：

其中：μ₀為真空磁導率；e_z是永磁體z軸方向單位矢量；B_r為剩余磁場強度，對于理想永磁體，剩余磁場強度B_r為常數；當永磁體內各點磁化強度M相同時，磁化電流只分布在永磁體的表面，面電流密度j＝M×e_n，e_n是永磁體表面法向單位矢量；將永磁體等效為n匝線圈的通電螺線管，則取線圈的等效電流I₀＝jh/n,其中h為永磁體的高度；最后根據畢奧-薩伐爾定律確定空間任意一點的磁感應強度B

其中：r為空間任意一點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生的強靜磁場空間分布；

步驟4：結合步驟3得到的強靜磁場空間分布，基于退化磁矢量位法A_r及Crank-Nicholson時域積分法計算出檢出信號的結果；

對于導電介質，在準靜態情況下，忽略位移電流，描述電磁場的偏微分方程為：

式中：為拉普拉斯算子；A表示磁矢位；為磁標勢；μ為磁導率；σ為電導率；J_s為源電流密度；采用棱邊有限元法將上式離散為：

由式(1-4)根據Crank-Nicholson直接積分法得：

[(1-θ)_Δt[P]+[Q]]{A}_t+Δt＝Δt{R}_t+Δt+[[Q]-θ_Δt[P]]{A}_t (1-5)式中：

Δt為時間步長；θ為0～1的常數；[P]、[Q]表示系數矩陣；[R]為與時間和脈沖激勵電流源相關的數值矩陣，維度與P、Q相同；{A}表示與時間相關的向量，在計算得到磁矢位A后，導體中脈沖渦流J_e、磁場分布B_t以及由脈沖渦流J_e產生的檢出線圈電壓信號V_pulse,t的分布由下式計算：

在磁場和渦流相互作用下產生洛侖玆力為：

f_v＝J_e×B (1-7)

在洛侖玆力f_v的作用下，導體中會產生超聲波，根據均勻各向同性介質中波動方程有:

式中：λ和μ是材料彈性常數；ρ是材料的密度；γ是材料的阻尼系數；u是質點位移矢量；帶入有限元離散再用中心差分方法得積分形式為：

[L]{U}_t+Δt＝[R]{U}_t+[D]{U}_t-Δt+2({Fs}_t+{Fv}_t)_Δt² (1-9)式中：

[L]＝2[M]+[C]Δt；

[S]＝4[M]-2[K]Δt 2；

[D]＝[C]Δt-2[M]；

[U]、[M]、[C]和[K]分別為位移矩陣、試件的質量、阻尼和剛度矩陣；

{Fs}和{Fv}分別為試件所受的表面力和體積力向量；

通過逐步積分計算即得到任意時刻超聲波傳播所引起的節點的位移和速度，在超聲波傳播過程中，導體會切割磁感線，導體內部會產生感應電動勢ε：

v為節點的速度，導體內部的感應電流密度J為：

J＝σ(v×B) (1-11)

根據聶以曼公式得到螺旋形線圈(6)內的感應磁通Φ為：

其中：R為線圈半徑，dV為速度微分，根據法拉第電磁感應定律得知由于超聲渦流產生的螺旋形線圈(6)電壓信號V_ultrasonic,t為：

根據式(1-6)和式(1-13)即得到最終的螺旋形線圈(6)混合電壓信號V_total,t為：

V_total,t＝V_pulse,t+V_ultrasonic,t (1-14)

步驟5：結合步驟4得到的螺旋形線圈(6)中的混合檢出信號，對混合檢出信號進行濾波處理分離提取，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：

首先對混合檢出信號進行頻譜分析即作傅里葉變換，

周期為2l的函數的傅里葉級數展開與其系數的計算公式如下：

其中：

其中n＝1,2,3…

得到不同頻率的幅值，即

然后設定濾波頻率區間[T1,T2]，令

其中：T1為高通濾波頻率；T2為低通濾波頻率；

之后用式(1-15)將混合檢出信號作傅里葉級數疊加，即得到濾波后的時域信號；

根據不同的脈沖激勵頻率通過數值模擬的結果求出對脈沖渦流信號和電磁超聲信號進行分離的最優濾波頻率，然后將濾波器調制到該濾波范圍，將檢出信號線接入濾波器，濾波結果輸出到數據采集裝置，數據采集裝置通過分析信號就能夠對不同類型缺陷進行定量的檢測，同時也能夠對掃描路徑進行平面掃描，進行成像顯示；數據采集裝置通過分析信號對不同的缺陷進行的定量檢測，是定點的檢測，只能檢測傳感器所在區域的截面上缺陷的二維形狀，因此通過定制掃描路徑能夠確定多個二維截面，這樣就能夠得到缺陷的三維形狀。