一种ACFM单轴磁信号评估方法与流程

本发明涉及电磁场无损检测技术领域，特别涉及一种acfm单轴磁信号评估方法。

背景技术：

acfm(alternatingcurrentfieldmeasurement，交流电磁场检测)是一种利用电磁场进行无损检测的技术，被广泛应用于航空、石油化工、铁路运输、核电等工业领域。acfm主要应用于金属表面和次表面的裂纹缺陷测量，具有非接触、不需耦合剂、无需处理表面涂层或覆盖层等优点。该技术是利用激励线圈在金属表面激发出匀强的感应电流，感应电流在经过裂纹时会发生扰动，进而引起裂纹上方的磁场畸变，通过测量畸变的磁场以对裂纹的长度和深度进行反推量化，从而得到裂纹的长度和深度。

在acfm领域，通常是先通过磁传感器采集金属表面的两轴磁场异常信号bz曲线和bx曲线，然后通过磁场异常信号bz曲线用来确定裂纹缺陷的长度，通过磁场异常信号bx曲线确定裂纹缺陷的深度，最终达到无损检测的目的。目前，对两轴磁场异常信号的采集，一种方案是通过搭载多个单轴磁传感器组成多轴磁传感器单元实现，另一种方案是通过多轴磁传感器实现。通过搭载多个单轴磁传感器组成多轴磁传感器方案需要设计复杂的电路，并且由于单磁传感器体积的限制不可能实现同点测量，增大了测量误差；多轴磁传感器方案在微机电系统加工过程中，多轴磁传感器感应单元薄膜不可能完全正交放置，也会增大测量误差。

技术实现要素：

针对现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种acfm单轴磁信号评估方法。

本发明提供的一种acfm单轴磁信号评估方法，包括：

确定acfm数值仿真模型裂纹参数以及裂纹参数的取值范围，所述裂纹参数包括：裂纹长度、裂纹深度和裂纹宽度；

根据确定的acfm数值仿真模型裂纹参数以及裂纹参数的取值范围，建立acfm数值仿真模型；

基于建立的acfm数值仿真模型，采用数值仿真方法得到不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线，并提取裂纹磁通密度特征曲线的峰值；

根据裂纹长度、裂纹深度以及裂纹磁通密度特征曲线的峰值，采用多项式拟合构建acfm单轴磁信号的特征方程和特征曲面；

使用携有单轴磁传感器的acfm探头测量金属表面裂纹，得到裂纹磁通密度特征曲线，提取裂纹磁通密度特征曲线的峰值，并计算金属表面裂纹长度；

将提取的裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及计算出的金属表面裂纹长度，代入构建的acfm单轴磁信号的特征方程中，计算得到金属表面裂纹深度。

进一步地，acfm数值仿真模型裂纹参数的取值范围的确定方法包括：

确定裂纹长度的取值范围，选择间隔值，根据选择的间隔值从0mm开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括10个间隔点的裂纹长度序列；

确定裂纹深度的取值范围，选择间隔值，根据选择的间隔值从0mm开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括10个间隔点的裂纹深度序列；

裂纹的宽度，取值小于等于0.6mm。

进一步地，所述建立acfm数值仿真模型，包括：

根据确定的acfm数值仿真模型裂纹参数以及裂纹参数的取值范围，采用有限元分析软件建立acfm数值仿真模型。

进一步地，所述采用数值仿真方法得到不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线，包括：

基于建立的acfm数值仿真模型，在裂纹长度和裂纹深度取值范围内选取不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹；

根据选取的不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹，采用数值仿真方法得到不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线。

进一步地，所述采用多项式拟合构建acfm单轴磁信号的特征方程和特征曲面包括：

根据裂纹长度、裂纹深度以及裂纹磁通密度特征曲线的峰值，采用多项式拟合构建裂纹磁通密度特征曲线的峰值关于裂纹长度和裂纹深度的acfm单轴磁信号的特征方程，根据得到的特征方程绘制acfm单轴磁信号的特征曲面。

进一步地，构建的acfm单轴磁信号的特征方程的最高项次数由裂纹磁通密度特征曲线的峰值和多项式拟合后裂纹磁通密度特征曲线的峰值之间的误差决定。

进一步地，所述使用携有单轴磁传感器的acfm探头测量金属表面裂纹，得到裂纹磁通密度特征曲线，包括：

使用携有单轴磁传感器的acfm探头沿着金属表面进行多次多方向的扫描，得到多条裂纹磁通密度特征曲线；

比较并计算得到的多条裂纹磁通密度曲线峰谷之间的水平距离；

选取峰谷之间最大水平距离的磁通密度特征曲线作为裂纹磁通密度特征曲线。

进一步地，所述计算金属表面裂纹长度，包括：

根据得到的裂纹磁通密度特征曲线，提取裂纹磁通密度特征曲线的峰值，计算裂纹磁通密度曲线峰谷之间的水平距离，从而得到金属表面裂纹长度。

进一步地，所述计算得到金属表面裂纹深度，包括：

根据得到的裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及计算出的金属表面裂纹长度，将裂纹磁通密度特征曲线的峰值和裂纹长度代入特征方程中，求得裂纹深度所有解；

将裂纹深度所有解与得到的裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及裂纹长度在特征曲面中确定的裂纹深度作比较，计算得到最终的金属表面裂纹深度。

本发明的技术效果或优点：

(1)本发明提供了一种acfm单轴磁信号评估方法，首先通过建立acfm数值仿真模型得到不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线，并提取裂纹磁通特征曲线的峰值；然后根据裂纹长度、裂纹深度以及裂纹磁通密度特征曲线，采用多项式拟合构建acfm单轴磁信号的特征方程和特征曲面；使用携有单轴传感器的acfm探头测量金属表面裂纹，得到金属表面裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及金属表面裂纹的长度；最后，将得到的裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及计算出的金属表面裂纹的长度代入特征方程中，计算得到金属表面裂纹的深度。本发明使用一个单轴磁传感器测量金属表面的裂纹，实现了利用单轴磁信号对金属表面裂纹长度和深度的量化，避免了构建复杂电路以及量化结果受多个传感器互相干扰的影响，减少了测量误差，提高了测量的精度。

(2)本发明通过使用携有单轴传感器的acfm探头测量金属表面裂纹，电路简单，体积小，成本低，解决了通过多个单轴传感器搭建复杂电路或通过多轴传感器电路测量裂纹存在的弊端，实现了同点测量。

附图说明

图1为本发明提供的acfm单轴磁信号评估方法实施例一的流程图；

图2为本发明提供的acfm单轴磁信号评估方法实施例二的流程图。

图3为本发明提供的acfm单轴磁信号评估方法实施例二的流程图。

图4为本发明提供的acfm单轴磁信号评估方法实施例二的流程图。

图5为本发明提供的acfm单轴磁信号评估方法实施例二的流程图。

图6为本发明实施例提供的所述建立的acfm数值仿真模型。

图7为本发明实施例提供的根据所述数值仿真方法得到的bz^max-d图。

图8为本发明实施例提供的根据所述多项式拟合得到的acfm单轴磁信号特征曲面图。

图9为本发明实施例提供的所述携有单轴磁传感器的acfm探头原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的acfm单轴磁信号评估方法实施例一的流程图。如图1所示，本发明实施例提供了一种acfm单轴磁信号评估方法，包括以下内容。

该方法首先确定了acfm数值仿真模型裂纹参数以及裂纹参数的取值范围，并根据确定的acfm数值仿真模型裂纹参数以及裂纹参数的取值范围，建立了acfm数值仿真模型；根据建立的acfm数值仿真模型，采用数值仿真方法得到不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线，并提取裂纹磁通特征曲线的峰值，根据裂纹长度、裂纹深度以及裂纹磁通密度特征曲线的峰值，采用多项式拟合构建acfm单轴磁信号的特征方程和特征曲面；然后，使用携有单轴磁传感器的acfm探头测量金属表面裂纹，得到裂纹磁通密度特征曲线，提取裂纹磁通密度特征曲线的峰值，并计算金属表面裂纹长度；最后，将提取的裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及计算出的金属表面裂纹长度，代入构建的acfm单轴磁信号的特征方程中，计算得到金属表面裂纹深度。

本发明实施例由于使用携有单轴磁传感器的acfm探头测量金属表面裂纹，无需搭建复杂电路，因此，本发明实施例可以在不需要搭建复杂电路的情况下，通过利用单轴磁信号便可实现金属表面裂纹长度和深度的量化。

图2、图3、图4和图5分别为本发明提供的acfm单轴磁信号评估方法实施例二的流程图。本发明实施例提供了acfm单轴磁信号评估方法的一个具体实施例，可以如图2、图3、图4以及图5所示。该实施例具体可以包括：

步骤111：确定acfm数值仿真模型裂纹参数，所述裂纹参数包括：裂纹长度、裂纹深度和裂纹宽度。

步骤112：acfm数值仿真模型裂纹参数取值范围的确定及确定方法。

acfm数值仿真模型裂纹参数取值范围的确定主要依据如下方法：

确定裂纹长度的取值范围，选择间隔值，根据选择的间隔值从0mm开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括10个间隔点的裂纹长度序列；

确定裂纹深度的取值范围，选择间隔值，根据选择的间隔值从0mm开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括10个间隔点的裂纹深度序列；

裂纹的宽度，取值小于等于0.6mm。

依据上述确定方法，确定适合建立acfm数值仿真模型的裂纹参数的取值范围。

需要说明的是，本发明实施例中确定的acfm数值仿真模型裂纹参数以及裂纹参数的取值范围是为了采用有限元分析软件建立acfm数值仿真模型，实际中，与裂纹的长度和裂纹的深度相比，裂纹的宽度很小，几乎可以不计取为零，但如果将裂纹宽度取为零，有限元分析软件无法进行处理，所以，只能将裂纹的宽度取得尽量的小，裂纹的宽度取值小于0.6mm，并且在这个取值范围内，裂纹宽度取任何值，对仿真的结果几乎没有影响。

步骤113：采用有限元分析软件建立acfm数值仿真模型。

具体的，根据确定的acfm数值仿真模型裂纹参数以及裂纹参数的取值范围，采用有限元分析软件将裂纹处理成三维空气薄层。

根据建立的acfm数值仿真模型，需要构建acfm单轴磁信号的特征方程和特征曲面，具体包括：

步骤221：基于建立的acfm数值仿真模型，在裂纹长度和裂纹深度取值范围内选取不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹。

需要说明的是，选取裂纹的裂纹长度和裂纹深度需要同时满足在裂纹长度和裂纹深度的取值范围内。

步骤222：根据选取的不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹，采用数值仿真方法得到不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线，并提取裂纹磁通密度特征曲线的峰值。

具体的，基于建立的acfm数值仿真模型，在裂纹长度和裂纹深度取值范围内，输入不同的裂纹长度和裂纹深度，采用数值仿真方法，能够得到不同裂纹长度和裂纹深度裂纹上方的z轴方向上的磁通密度特征曲线(bz曲线)，并提取得到的所有磁通密度特征曲线的峰值(bz^max)。

步骤223：根据裂纹长度、裂纹深度以及提取的裂纹磁通密度特征曲线的峰值，采用多项式拟合构建裂纹磁通密度特征曲线的峰值关于裂纹长度和裂纹深度的acfm单轴磁信号的特征方程，根据得到的特征方程绘制acfm单轴磁信号的特征曲面。

需要说明的是，采用多项式拟合构建的acfm单轴磁信号的特征方程所需的裂纹长度、裂纹深度以及裂纹磁通密度特征曲线的峰值，其中，裂纹长度和裂纹深度是在裂纹长度和裂纹深度取值范围内选取的，裂纹磁通密度特征曲线的峰值是根据选取的裂纹长度和裂纹深度得到的。

进一步地，构建的acfm单轴磁信号的特征方程的最高项次数由裂纹磁通密度特征曲线的峰值和多项式拟合后裂纹磁通密度特征曲线的峰值之间的误差决定。acfm单轴磁信号的特征方程的最高项次数取值为3～5次。具体的，分别构建最高项次数为3、4和5次acfm单轴磁信号的特征方程，将不同裂纹长度和裂纹深度分别代入不同最高项次数的特征方程中，得到多项式拟合后裂纹磁通密度特征曲线的峰值，计算裂纹磁通密度特征曲线的峰值与相应多项式拟合后的裂纹磁通密度特征曲线的峰值的误差，比较所有得到的误差的大小，选取最小的误差对应的最高项次数，根据选取的最高项次数构建acfm单轴磁信号的特征方程，根据得到的特征方程绘制acfm单轴磁信号的特征曲面。

根据构建的acfm单轴磁信号的特征方程和特征曲面，需要使用acfm探头测量金属表面裂纹，具体包括：

步骤331：使用携有单轴磁传感器的acfm探头沿着金属表面进行多次多方向的扫描，得到多条裂纹磁通密度特征曲线。

步骤332：比较并计算得到的多条裂纹磁通密度曲线峰谷之间的水平距离。

步骤333：选取峰谷之间最大水平距离的磁通密度特征曲线作为裂纹磁通密度特征曲线，并提取裂纹磁通密度特征曲线的峰值。

需要说明的是，由于实际裂纹的长度方向未知，所以进行多次多个方向扫描，为了得到完整的裂纹磁通密度特征曲线，而裂纹磁通密度特征曲线的峰谷之间的水平距离代表金属表面裂纹的长度，所以，从多条裂纹磁通密度特征曲线中选取峰谷之间最大水平距离的磁通密度特征曲线作为裂纹磁通密度特征曲线，峰谷之间最大水平距离则代表着实际测量金属表面裂纹的长度。

根据计算得到的金属表面裂纹的长度以及提取的裂纹磁通密度特征曲线的峰值，通过构建的特征方程和特征曲面，计算得到金属表面裂纹的深度，具体包括：

步骤441：根据得到的裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及裂纹长度，将裂纹磁通密度特征曲线的峰值和裂纹长度代入特征方程中，求得裂纹深度所有解。

需要说明的是，因为构建的特征方程的最高项次数为3～5次，所以，最终求得裂纹深度的解会有多个。

步骤442：将裂纹深度所有解与得到的裂纹磁通密度特征曲线的峰值以及裂纹长度在特征曲面中确定的裂纹深度作比较，计算得到最终的金属表面裂纹深度。

具体的，确定的裂纹磁通密度特征曲线的峰值和裂纹长度在特征曲面中会确定唯一的裂纹深度，将得到的金属裂纹磁通密度特征曲线的峰值和裂纹长度代入绘制的特征曲面中，产生唯一的裂纹深度解，将求得的裂纹深度所有解与此解作比较，得最终的裂纹深度。

本发明实施例中，具体描述了acfm单轴磁信号评估方法，通过使用携有单轴磁传感器的acfm探头测量金属表面裂纹，无需搭建复杂电路，通过利用单轴磁信号便可实现金属表面裂纹长度和深度的量化，避免了构建复杂电路以及量化结果受多个传感器互相干扰的影响，减少了测量误差，提高了测量的精度。

图6～图9举例说明了根据一个或多个实施例的用于量化金属表面裂纹的长度和深度的过程。

图6为本发明实施例提供的所述建立的acfm数值仿真模型。本发明实施例中确定的acfm数值仿真模型裂纹参数包括：裂纹长度，裂纹深度以及裂纹宽度。

进一步地，确定裂纹参数的取值范围，其中，裂纹长度的取值范围为0～50mm，间隔值为5mm；裂纹深度的取值范围为0～11mm，间隔值为1mm；裂纹宽度的取值为0.6mm。

进一步地，根据确定的acfm数值仿真模型的裂纹参数以及裂纹参数的取值范围，采用有限元分析软件建立acfm数值仿真模型。

图7为本发明实施例提供的根据所述数值仿真方法得到的bz^max-d图。在图6建立的acfm数值仿真模型的基础上，进一步地，在裂纹长度和裂纹深度取值范围内输入不同的裂纹长度(l)和裂纹深度(d)，得到不同的裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线(bz曲线)，并提取所有得到磁通密度曲线的峰值(bz^max)。具体的，分别在d＝1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，l＝5，10，15，20，25，30，35，40，45，50情况下，将所取的裂纹长度(l)分别结合所取的裂纹深度(d)，并采用数值仿真的方法得到所有不同裂纹长度和裂纹深度结合情况下的裂纹磁通密度特征曲线(bz曲线)，并提取所有得到磁通密度曲线的峰值(bz^max)，建立相应的bz^max-d图。

图8为本发明实施例提供的根据所述多项式拟合得到的acfm单轴磁信号特征曲面图。在图7得到的不同裂纹长度和裂纹深度的裂纹磁通密度特征曲线的峰值基础上，进一步地，构建了裂纹磁通密度特征曲线的峰值关于裂纹长度和裂纹深度的acfm单轴磁信号的特征方程，根据acfm单轴磁信号的特征方程的最高项次数的确定方法，最终确定特征方程的最高项次数为3次，所建立的特征方程为：

根据构建的特征方程，绘制相应的acfm单轴磁信号的特征曲面。

图9为本发明实施例提供的所述携有单轴磁传感器的acfm探头原理图。在图8构建acfm单轴磁信号的特征方程和特征曲面的基础上，进一步地，描述了携有单轴磁传感器的acfm探头的组成，acfm探头包括单轴磁传感器、线圈、搭载线圈轭及pcb电路板。使用携有单轴磁传感器的acfm探头沿着金属表面，从多个方向进行多次的扫描，得到多条裂纹磁通密度特征曲线，选取峰谷之间最大水平距离的磁通密度特征曲线作为裂纹磁通密度特征曲线，其中得到的峰谷之间最大水平距离为28.5mm，即测量的金属表面裂纹长度，提取的裂纹磁通密度特征曲线的峰值为50.2mv。

进一步地，根据得到的金属表面的裂纹长度和裂纹磁通密度特征曲线的峰值代入特征方程(1)中，求得的所有金属表面裂纹深度的解，将得到的所有解与得到的裂纹磁通密度特征曲线的峰值50.2mv以及裂纹长度28.5mm在特征曲面中确定的裂纹深度作比较，最终得到金属表面裂纹深度为3.9mm，与实际的误差为2.5％，满足实验生产的需求。

本发明提供的实施例通过使用单轴磁传感器测量金属表面的裂纹，利用单轴磁信号量化处理得到金属表面裂纹长度和裂纹深度，减少了测量误差，提高了测量的精度，并且电路简单，体积小，成本低，解决了通过多个单轴传感器搭建复杂电路或通过多轴传感器电路测量裂纹存在的弊端，实现了同点测量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。