一種基于脈沖渦流和電磁超聲復合的體缺陷無損檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及基于電磁和超聲方法的缺陷定量無損檢測技術領域，具體涉及一種基 于脈沖渦流和電磁超聲復合的體缺陷無損檢測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著近年來我國對核電事業的大力投入，核電站數量和裝機容量持續增加。然而， 2011年發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注。 在核電站安全管理中，定期無損檢測是確保系統安全運行的重要手段。核電站的一些關鍵 部件由于生產、使用時產生的拉應力狀態及輕水堆核電站水環境影響，易萌生應力腐蝕裂 紋，同時在彎管和節流孔處經長期沖蝕也可能出現局部減薄缺陷。這些缺陷對核電結構的 安全可靠構成了現實威脅。
[0003] 電磁超聲檢測與傳統壓電超聲檢測同屬于超聲檢測范疇。與傳統的壓電超聲檢測 相比，電磁超聲檢測由于無需媒介及與被測物體接觸，具有可靈活產生各類波形，對檢測工 件表面質量要求不高和檢測速度快等特點，可提高檢測效率，且可擴展到高溫、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，即 當缺陷近表面時，回波信號會與激勵信號幾乎重疊很難區分。
[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 法準確地對更深的地方進行測量。
[0005] 經過分析研究發現，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，有望實現電磁超聲、脈沖渦流的復合無損檢測。兩種信 號的復合提取分析，可以優缺互補，提尚檢測性能和效率。
[0006] 鑒于此，本發明提出了脈沖渦流和電磁超聲復合無損檢測方法，利用產生強靜磁 場的永磁體、圓形探頭、信號發生器、濾波器、電磁超聲數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行分離提取的算法，實現對導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。

【發明內容】

[0007] 為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于脈沖渦流和 電磁超聲復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 行分離提取，然后對分離出的檢測信號進行分別評估檢測；再附加電磁超聲數值模擬算法 以及基于頻譜分析、濾波等策略對混合檢出信號進行分離提取的算法，針對導電平板材料 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點。
[0008] 為達到以上目的，本發明采用如下技術方案：
[0009] 一種基于脈沖渦流和電磁超聲復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，該圓形線圈實現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/脈沖渦流復合探頭；
[0012] 步驟3 :搭建脈沖渦流和電磁超聲復合無損檢測實驗系統，主要包括五部分：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/脈沖渦流復合探頭、雙 工器、濾波器和數據采集裝置；雙工器輸入端連接激勵信號發生裝置、電磁超聲/脈沖渦流 復合探頭，雙工器輸出端連接濾波器，濾波器再連接數據采集裝置；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，功率放大器用來放大脈沖激勵信號并傳遞給電磁 超聲/脈沖渦流復合探頭，然后電磁超聲/脈沖渦流復合探頭在試件表面發出放大后的脈 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、再經過濾波器 濾波處理，最后通過數據采集裝置對檢出信號進行分離提取并分析，即得到試件的缺陷信 息；
[0013] 步驟4 :計算永磁體產生的強靜磁場空間分布：
[0014] 對于永磁體，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：
[0016] 其中：μ。為真空磁導率；ez是磁體z軸方向單位矢量^為剩余磁場強度，對于理 想永磁體，剩余磁場強度民為常數；當磁體內各點磁化強度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；最后根據畢奧-薩 伐爾定律確定空間任意一點的磁感應強度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 得到永磁體產生的強靜磁場空間分布；
[0019] 步驟5 :結合步驟4得到的強靜磁場空間分布，基于退化磁矢量位法4及 Crank-Nicholson時域積分法計算出速度位移場分布、感應磁場引發的禍流場分布以及檢 出信號的結果；
[0020] 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：
[0022] 式中：▽為拉普拉斯算子;A表示磁矢位；伊:為磁標勢；μ為磁導率；σ為電導率； 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；[P]、[Q]表不系數矩陣；[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，導體中脈沖渦流丄、磁場分布匕以及由脈沖渦流Je產生的檢出線圈電壓 信號Vpull^t的分布由下式計算：
[0028] 在磁場和渦流相互作用下產生洛侖玆力為：
[0029] fv= JeXB (1-7)
[0030] 在洛侖玆力fv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：
[0032] 式中：λ和μ是材料彈性常數；p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：
[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 :
[0041] ε jvXB · dl (1-10)
[0042] v為節點的速度，導體內部的感應電流密度J為：
[0043] J= σ (vXB) (1-11)
[0044] 根據聶以曼公式可得到檢出線圈內的感應磁通Φ為：
[0046] 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由于超聲渦流產 生的檢出線圈電壓信號 ^ultrasonic, * CN 105181791 A 說明書 4/8 頁
[0048] 根據式（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] 首先對檢出信號進行頻譜分析即作傅里葉變換，
[0052] 周期為21的函數的傅里葉級數展開與其系數的計算公式如下：
[0056] 得到不同頻率#的幅值，即如X
[0057] 然后設定濾波頻率區間[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疊加，即得到濾波后的時域信 號；
[00