一种三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测方法和系统与流程

1.本发明涉及管道裂纹无损检测技术领域，尤其涉及一种三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测方法和系统。


背景技术：

2.随着现代工业技术的发展，金属管道在各领域起着举足轻重的地位，人们的日常生活已经离不开各种各样金属管道。由于长期使用或者设备老化等原因，金属材质表面往往会受到不同程度的损坏而产生失效,严重影响了设备的使用性能，进而可能引发危险品泄漏、爆炸等恶劣安全事故。因此，对金属管道进行全方位检查以确保其完整性具有重要意义。无损检测技术通过对材料物理特征改变而引起的变化进行处理与分析以获取被测物品质相关的状态特性。涡流检测是目前在线无损检测应用中最为普遍成熟的检测手段，利用其检测缺陷并检查样品的状况，如管道的表面裂纹、亚表面裂纹和退化相关缺陷。然而，涡流检测本身存在较大的局限性，如干扰因素多，提离效应大。探伤时难以判断缺陷的种类和形状，且难以对缺陷进行当量分析。此外，涡流技术传统上依赖拾取线圈阻抗的变化。线圈阻抗是有限区间内磁场变化以及其他影响因素的综合作用结果,其提供的是一维信息,无法对缺陷的有效识别,并且检测误差较大,不能实现材料表面缺陷的精确评价。因此，直接测量磁场是有利的，而不是测量磁场的时间变化率。随着对产品质量要求的不断提升，迫切需要探索缺陷对磁场信号的响应分析，提取更多有用的特征信息，以建立缺陷儿何尺寸与周围磁场的定量关系。因此，研究空间磁场检测、分析方法和更多特征量的提取是提高检测精度和涡流检测发展的趋势。


技术实现要素：

3.为此，需要提供一种三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测方法和系统，解决目前电磁检测存在的缺点，提高检测精度和智能化评估水平。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测方法，包括如下步骤：
5.在待检测的金属管道上放置检测探头，所述检测探头用于产生涡流磁场的激励信号并且测量待检测的金属管道表面磁场的大小变化，所述检测探头包括激励线圈和多个绕圆周面排布的磁场传感器；
6.通过激励线圈产生交变电流从而在金属管道表面产生感应电流，并通过磁场传感器获取待检测的金属管道表面当前区域的磁感应强度，根据磁感应强度和磁场传感器的位置生成磁感应强度云图；
7.对生成的磁感应强度云图进行图像预处理，去除所述磁感应强度云图中的噪声。
8.进一步地，还包括步骤：
9.移动所述检测探头与支撑板上方电路板的位置，记录其在金属管道表面的位置。
10.进一步地，所述激励线圈包括外线圈和内线圈，外线圈为与待检测的金属管道同轴的圆弧线圈，内线圈为一个矩形线圈。
11.进一步地，所述磁感应强度云图中不同磁感应强度对应不同的颜色。
12.进一步地，还包括步骤：将预设的管道不同缺陷裂纹的磁感应强度云图输入到深度学习模型进行深度学习，调用深度学习后的深度学习模型对去除噪声后的磁感应强度云图进行特征匹配，识别待检测的金属管道的表面缺陷。
13.进一步地，所述预处理包括采用二维最大嫡值分割法进行处理、去雾、对比度增强或者无损放大。
14.本发明提供一种三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测系统，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例任意一项所述方法的步骤。
15.区别于现有技术，上述技术方案采用探头双线圈产生激励电流后，从而产生变化磁场，通过磁场传感器获取由管道表面缺陷所引发的扰动涡流磁场以及最终生成磁感应强度云图。这样通过磁感应强度云图的图像，可以实现管道裂纹缺陷的直观可视化，提高管道缺陷精确评价。
附图说明
16.图1为本发明的探头结构示意图；
17.图2为不同方位裂纹下管道表面磁感应强度模云图；
18.图3为不同长度裂纹下管道表面磁感应强度模云图；
19.图4为不同深度裂纹下管道表面磁感应强度模云图；
20.图5为不同深度裂纹下管道y方向磁感应强度云图。
具体实施方式
21.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
22.请参阅图1到图5，本实施例提供一种三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测方法和系统。在实施过程中，金属管道上方放置一个双线圈无接触检测探头，用于产生涡流磁场的激励信号并且测量被测物体表面磁场的大小变化。图1所示为探头的结构原理图，其由两个激励线圈、检测传感器与待检测的金属管道组成。探头外线圈为一个与管道同轴的圆弧线圈，内线圈为一个矩形线圈。圆弧形线圈上下圆弧半径分别为24mm和35mm，宽度40mm，厚度1mm；探头内矩形线圈长度38mm，宽度30mm，高度17mm，厚度1mm。圆弧形线圈的内表面与矩形线圈外表面恰好贴合。金属管道的内外半径分别为10mm和15mm。两个线圈匝数均为200匝且线圈导线电导率均为6
×
107s/m，截面积为1
×
10-6
m2，激励电流均为10a，频率均为200hz。由于实际测量时采集的是管道表面的磁场数值大小,因此在圆弧线圈与管道之间设计一个与管道同轴的圆柱形支撑板，用于采集该三维圆柱截面上的磁感应强度分布。圆柱形支撑板上方为设计的电路板,此电路板可以在圆柱形支撑板上按照圆周方向转动，也可以在支撑板上方沿着轴向方向移动。可以通过一个可固定在待测金属管道表面的机械手臂连接到支撑板实现圆柱形支撑板的自动移动，通过记录机械手臂的运动位置实现圆柱
形支撑板在金属管道表面上的位置的记录。电路板上并列依次安装多个磁场传感器，用于检测磁场的变化情况并将其转换为电信号。电路板上同时设计了信号接口电路，用于传感器、电源与外部器件的连接。电路板安装在圆柱形支撑板上面，可以提供与管道表面固定、稳定不变的提离高度。
23.通过分析缺陷附近圆柱形表面感应涡流磁场的分布情况，并采取适当的图像处理手段，即可实现管道表面裂纹的精确评估。基于三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测方法可分为以下几个步骤:
24.1、检测探头的放置
25.按照被测管道半径的大小，合理选择相匹配的检测探头，确保圆弧线圈与管道保持同轴。圆弧线圈和矩形线圈分别在管道表面产生方向不同、均匀分布的感应电流。测量过程中，保持探头激励线圈静止，待探头所覆盖区域磁场采集完毕后，再移动至下一个检测区域。检测探头按照预定路径采集管道外表面磁场，检测路径可以先沿着管道轴向采集，然后通过探头旋转再次沿着管道轴向采集。当然,也可以采取先圆周方向采集,然后再轴线方向换一下位置进行圆周方向采集。
26.2、建立表面磁感应强度与空间位置关联
27.探头下方圆柱形支撑板是与管道同轴放置，其与线圈保持相对静止状态。在圆柱形支撑板和线圈之间设计一可移动的细长形电路板﹐在电路板的上面均匀分布了多个磁场传感器阵列，磁场传感器按照轴线方向制作在电路板上面。电路板的一侧设计一排接口电路，用于传感器与外部电路的连接。测量过程中，当探头线圈到达某一个区域并保持不动时，电路板将首先沿着圆周方向双向扫描。当圆周方向扫描结束后，电路板再沿着轴线方向移动到下一个位置，以避免相邻两个磁场传感器之间的检测死区。然后，电路板再沿着圆周方向双向扫描。通过重复以上步骤，直至将探头一个位置所覆盖区域全部扫描结束。
28.每次扫描后，通过后续放大、滤波等信号处理，测量得到管道表面磁感应强度。仅仅采集管道周围空间磁场还不足以分析缺陷的位置及方位等信息。辅助探头电路板的运动装置必须同时记录下磁场传感器的实际位置，建立磁感应强度与空间位置的相互关系。传感器阵列中每个传感器的实际位置是由线圈移动转动位置,支撑板上方电路板移动转动位置和每个传感器在阵列中排放位置来共同决定的。
29.3、磁感应强度云图的构建
30.电路板上一个磁场传感器对应一个小部分区域的磁场分布,将所有传感器采集得到的磁场拼接在一张图上就得到一次扫描该区域的磁场分布。将大小不同的磁感应强度用对应颜色表示，可以建立管道表面云图。不同大小等级的磁感应强度选择的显示颜色，以及每个等级之间的颜色如何配置都是非常的重要。选择合适的颜色对比，有助于提高磁感应强度云图的缺陷分辨率。本实施例中，如可以选择磁感应强度由大到小依次采用红色渐变到黄色渐变到绿色再渐变到蓝色来进行表示。管道周围磁感应强度云图可以由不同区域的多张图形组成,同一位置也可以由三个轴方向以及磁感应强度模共四张云图所组成。该步骤可以借助软件实现，将测量结果输入到软件中，通过预定的算法和传感器阵列分布规律，得到所需要的磁感应强度云图。
31.4、图像预处理
32.直接获取得到的磁感应强度云图还不足以用来实现裂纹等缺陷的检测和状态评
估，必须对图像进行适当的处理。为了便于后续处理，有必要首先去除环境等因素所产生的噪声。对应管道表面裂纹的检测,可以采用一定的方法提取边缘点，然后设定一定的阈值，如二维最大嫡值分割法，从而建立新的二值图像。后续通过一定的细化，得到较为清晰的裂纹特征。此外，可以采用深度学习技术，对质量不太理想的云图进行去雾、对比度增强、无损放大等多种优化处理，重新构建更为清晰的图像。
33.5、管道缺陷的评估
34.最后，对缺陷深度、面积和位置等信息的快速反演，真正实现管道缺陷的精确化、自动化和智能化无损检测。深度学习在特征提取和定位上具体非常好的效果。基于深度学习，建立卷积网络并利用网络去自动寻找数据的特征，让网络按一定规律不断自我调整以实现管道表面缺陷的识别，避免人工提取特征的缺点，提高管道缺陷评估的准确性。可以将预设的管道不同缺陷裂纹的磁感应强度云图输入到深度学习模型进行深度学习，调用深度学习后的深度学习模型对去除噪声后的磁感应强度云图进行特征匹配，识别待检测的金属管道的表面缺陷。
35.以下对不同的裂纹缺陷情况进行说明。根据电磁感应原理，当向管道上方靠近一个通有交变电流的激励线圈时，管道表面就会产生感应涡流。感应涡流的大小除了与激励电流有关外，与管道的状态参数也存在必然的关联。当管道表面存在一个裂纹，原本均匀分布的电流被裂纹所破环，感应电流会改变原有的路径而重新选择路径通过。涡电流方向和大小的改变，将会引起其周围空间磁场的改变。因此，通过测量管道周围空间涡流磁场的变化情况，就可以推断出管道内部涡流的变化，进而可以评估管道表面及近表面的状况。
36.管道外的磁场实际等于激励电流产生的源场与感应电流产生的涡流场的矢量合。涡流场的改变会导致磁场的改变,因此根据裂纹周围某一点的磁场变化一定程度上可以推测管道的缺陷。但是实际中测量点具有一定的随意性，若选取不合适，就会出现漏检或者误检。当然，也可以选择一条或几条特殊的直线作为检测路径，但对于管道这样的圆柱形曲面，仍存在许多的不足之处。此外，另一个主要因素是实际缺陷形态各异，具有不规则性，仅仅通过个别点和线的测量无法呈现缺陷的完整信息。因此，对于管道缺陷的精确、全面的定量评估，选择一个合适的检测面就显得尤为重要。本方法采取与管道外表面同轴的圆柱面作为研究对象，该区域内三维磁场可以全面的反映管道任意方向缺陷所引起的变化。若能够将磁感应强度值转换成可以直观显示的图像，就将更方便、直接地判断管道是否存在缺陷，并获取缺陷的精确信息。
37.(1)不同方位裂纹的评估
38.双线圈激励下，通过comsol软件计算得到管道上方三维圆柱面上磁感应强度模如图2所示，其中图2中(a)-(d)分别表示管道表面不存在裂纹、存在横向裂纹、存在纵向裂纹以及45
°
斜裂纹时圆柱面上磁感应强度模所形成的云图。纵向裂纹尺寸为12mm
×
1mm
×
1mm(长
×
宽
×
深)，横向裂纹尺寸为40
°×
1mm
×
1mm(圆心角
×
宽
×
深)。云图的不同颜色代表大小值不同的磁感应强度。通过测量该区域磁感应强度分布规律,得到磁感应强度模云图以及三维方向磁感应强度分量云图，并从图像中分析管道裂纹的位置信息，实现裂纹的可视化。
39.技术效果：无裂纹情况，磁感应强度模云图分布较为均匀，并没有明显“阴影”产生，如图2(a)所示。由于双线圈激励,并且两个线圈的激励参数存在不一致,所以得到的磁
感应强度云图整体分布处于倾斜状态,与实际管道存在一个夹角。此时,磁感应强度云图呈对称分布.云图两侧为蓝色区域,表示该区域为磁感应强度最低,由于图片颜色为黑白,所以显示为深色；沿着蓝色区域向内,存在两个接近平行的浅色区域,两个浅色区域内磁感应强度较大；再往云图内部则为红色区域,表示该部分磁感应强度最高,由于图片颜色为黑白,所以显示为较深颜色.管道表面裂纹就存在此区域,此时其对磁场的扰动程度最大,检测效果也就越明显。当管道上存在裂纹时，其磁感应强度模云图上原本有规律的磁场分布被破环，在裂纹对应位置将产生非常明显的“阴影”，并且在图中体现出来的“阴影”和裂纹的位置基本吻合，如图2(b)-(d)所示。此现象证明了双线圈共同激励时，通过检测管道上方圆柱面上磁感应强度云图中是否存在“阴影”来判断管道是否存在裂纹，并且可以精确得到裂纹位置及方位等信息。此外，无论裂纹是纵向还是倾斜都可以直接将线圈放置在管道上方进行测量，无需旋转线圈或者反复调整线圈以确保感应电流方向和裂纹方向垂直等限制条件。云图中“阴影”就是管道裂纹的直观体现，实现裂纹的“可视化”。
40.(2)不同长度裂纹的评估
41.双线圈激励下，改变裂纹长度，其管道外圆柱形表面磁感应强度模云图如图3所示，其中图3(a)-(d)表示纵向裂纹长度分别为10mm、12mm、15mm和l8mm。技术效果为：根据得到的四组磁感应强度模,可以得到以下结论:
①
管道表面裂纹的变化，并不改变圆柱面上磁感应强度的整体分布规律，图3(a)-(d)所示云图整体分布保持一致。
②
随着管道表面裂纹长度的变化,管道表面涡电流受影响区域发生改变，裂纹所对应的“阴影”也随之变化，且变化趋势与实际裂纹变化相一致。
③
对比图形右侧长度单位，可以发现云图中“阴影”长度实际就是管道裂纹的长度，因此根据云图中“阴影”长度变化规律可以精确评价管道表面裂纹及缺陷的长度信息。同理也可以通过云图中“阴影”宽度变化规律得到裂纹的宽度信息。
42.(3)不同深度裂纹的评估
43.裂纹深度是另一个值得关注的缺陷信息。双线圈激励下，其他条件不变，仅改变裂纹深度，其对应磁感应强度云图如图4所示，其中图4(a)-(d)表示纵向裂纹深度分别为1mm、2mm、3mm和3.5mm。
44.技术效果：分析图4可知，裂纹深度的变化，不仅反应在裂纹所对应的“阴影”部分，同时对其周围的磁感应强度也有一定的影响。随着裂纹深度的增加，周围磁感应强度明显减弱。裂纹周围磁感应强度减弱对裂纹检测效果会带来不利，此时“阴影”出现一定的模糊，与周围的界限并不明显。虽然裂纹所对应“阴影”已并不是非常明显，但依然可以根据“阴影”的变化规律实现裂纹深度的评估。随着裂纹深度的增加，裂纹区域范围内磁感应强度模的大小明显减小。此区域磁感应强度减小的原因，仍可以用涡流场的原理来解释。由于裂纹深度的增加，导致管道周围空间涡流磁场的增加，从而引起综合磁场的减小，因此出现了图4(a)-(d)所示的现象。
45.随着裂纹深度的增加，裂纹所对应的“阴影”变得较为模糊，这对实际检测是不利的，可以利用其他手段进行辅助分析。图5为不同深度裂纹作用下的y方向磁感应强度云图,其中图5(a)-(d)同样表示纵向裂纹深度分别为1mm、2mm、3mm和3.5mm。分析图5所示云图，可以看到y方向磁感应强度云图并不能出现图3所示裂纹“阴影”，因此并不能主要利用其对裂纹进行评估。但是，随着裂纹深度的增加，其图像也出现一定规律的变化。图5(a)中两块“蓝色区域”(两个类似浅色圆环区域的中心位置，圆环外为红色)的位置是左高右低，从图5(b)
开始，两块“蓝色区域”的相对位置发生变化。裂纹深度越深，云图中右边的“蓝色区域”则相对越高。图5(d)所示两块“蓝色区域”已经变化为左低右高。此外，随着裂纹深度的增加，两块“蓝色区域”之间的横向距离也变得越来越宽。因此,可以通过磁感应强度模云图判断裂纹深度，再结合y方向磁感应强度云图补充分析。
46.本发明提供一种三维感应涡流磁场云图的管道裂纹可视化检测系统，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。本实施例的存储介质可以是设置在电子设备中的存储介质，电子设备可以读取存储介质的内容并实现本发明的效果。存储介质还可以是单独的存储介质，将该存储介质与电子设备连接，电子设备就可以读取存储介质里的内容并实现本发明的方法步骤。本系统采用探头双线圈产生激励电流后，从而产生变化磁场，通过磁场传感器获取由管道表面缺陷所引发的扰动涡流磁场以及最终生成磁感应强度云图。这样通过磁感应强度云图的图像，可以实现管道裂纹缺陷的直观可视化，提高管道缺陷精确评价。
47.需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。