用于无损材料检查的方法和系统与流程
本公开涉及材料检查，更具体地，涉及无损材料检查。
背景技术：
评价硬质点和/或其他合适的材料状态和不均匀性(例如，在管线钢或其他合适的材料中)以对管线、管道、钢板、焊接结构以及可包括但不限于环焊接部、角焊接部、搭接焊接部和对接焊接部的不同类型的焊接部进行无损检查的系统和方法在确定材料完整性(例如，管线完整性)方面是有价值的。例如，此类系统和方法可以无损地获得关于此类材料的焊接部和管线材料的信息。
当前，管线检查仪(pigs)以用作工具来执行无损管线检查，以检测管道中的异常和缺陷，诸如裂纹和硬质点。最常用的技术包括磁通量泄漏(mfl)、超声裂纹检测工具(ut)和将电磁能与机械波耦合的电磁声换能器(emat)。同样地，也使用包括磁粉探测、超声探测和涡流探测的技术对焊接部进行无损检查。这些检查技术基于这样的原理，即，异常和缺陷具有某些材料特性，这些材料特性可检测地不同于体材料的特性，例如，由于磁导率的不同而引起的泄漏的磁通量或者由于机械振动行为的不同而引起的反射的超声波。
存在有用但被忽略的材料特性，该材料特性可用于检测管线、管道、钢板、焊接结构以及可包括但不限于环焊接部、角焊接部、搭接焊接部和对接焊接部的不同类型的焊接部中的异常和缺陷。这是铁磁材料中磁响应的非线性性质。非线性磁响应提供了使用探测磁通量泄漏或线性响应函数的当前方法无法获得的信息和准确度。由于材料完整性以及材料和焊接质量的重要性，存在通过改进检查系统和方法来进一步改进无损材料检查技术的技术水平的持续的需要。本公开提供了用于这种需要的解决方案。
技术实现要素：
根据本公开的至少一个方面，一种用于确定由至少一种磁滞铁磁材料和/或至少一种非磁滞材料构成的样品的一种或多种材料状态的方法。该方法可包括用输入时变磁场询问(interrogate)样品，以及从磁滞铁磁材料和/或至少一种非磁滞材料中检测随时间的磁响应或声响应。该方法还可包括确定所接收的磁场或声响应的时间依赖的非线性特性，以及使所接收的磁响应或声响应的时间依赖的非线性特性与材料的一种或多种材料状态相关。
确定时间依赖的非线性特性可包括执行频域分析，例如对接收到的磁场或声学响应进行功率谱密度分析，以创建功率谱密度数据。在某些实施例中，确定时间依赖的非线性特性可包括确定功率谱密度(psd)数据中的一个或多个谐波峰值。
确定一个或多个谐波峰值可包括确定谱密度数据的一个或多个谐波系数。例如，确定一个或多个谐波系数和/或峰值可包括确定谱密度数据的奇次谐波系数和/或峰值。
在某些实施例中，确定奇次谐波系数和/或峰值可包括确谱密度数据的3次和/或5次谐波。关联时间依赖的非线性特性可包括将3次谐波和/或5次谐波与被询问样品的一种或多种材料状态进行比较和关联。
被询问的样品(包括至少一种磁滞铁磁材料和/或至少一种非磁滞材料)可包括但不限于由具有一种或多种材料状态的至少一种材料相构成的测试材料。一种或多种材料状态可包括但不限于磁滞铁磁材料和/或非磁滞材料中的至少一种材料相的存在。在某些实施例中，磁滞铁磁材料可包括但不限于钢、镍、钴及其合金，例如各种碳钢。在某些实施例中，非磁滞材料可包括但不限于空气、铝、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和高锰钢。材料相可包括但不限于具有不同化学组成和/或晶体取向的奥氏体、马氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、板条贝氏体、针状铁素体和准多边形铁素体中的至少一种。样品的不均匀性可包括但不限于由一种以上的材料相组成的测试材料。不均匀性的非限制性示例是例如钢管中的硬质斑(spot)和/或裂纹/缺陷。
根据本公开的至少一个方面，非暂时性计算机可读介质可包括用于执行本文所述的任何合适的方法和/或其任何合适的部分的指令。例如，该方法可包括：生成时变磁场以及从磁传感器或声传感器检测随时间的磁响应或声响应信号，确定所接收的磁场或声响应的时间依赖的非线性特性，以及使所接收的磁响应或声响应的时间依赖的非线性特性与材料的一种或多种材料状态相关联。可以附加地或替代地包括如本文所述的方法的任何实施例中的任何其他合适的部分。
根据本公开的至少一个方面，一种用于检测由至少一种磁滞铁磁材料和/或至少一种非磁滞材料构成的被询问样品的一种或多种材料状态的装置可包括：磁发射器，其被配置为输出询问磁场；磁传感器或声传感器，其被配置为分别接收磁响应或声响应，以及将磁响应或声响应转换为磁信号或声响应信号；以及处理器，其被配置为执行本文所述的任何合适的方法和/或其任何合适的部分。在某些实施例中，装置可包括指示器，其被配置为向用户指示材料的一种或多种状态。在某些实施例中，输出装置可包括指示器，该指示器意味着向一个或多个附近用户通知适当的即时实时动作，并且用户可以直接观察该指示器。在一些其他实施例中，输出装置207还可包括用于与用户通信的装置，其还意味着向用户通知适当的即时实时动作，但是用户可以位于远程位置，并且通信可以通过有线或无线路由。在一些其他实施例中，输出装置207还可包括数据收集和存储装置，以用于后续检索和后处理，而不是用于即时实时动作。
根据以下结合附图的详细描述，对于本领域技术人员而言，主题公开的系统和方法的这些和其他特征将变得更加显而易见。
附图说明
为了使本主题公开所属领域的技术人员将容易地理解如何在不进行过度实验的情况下制造和使用本公开内容的装置和方法，下面将参照某些附图详细描述其实施例，其中：
图1是根据本公开的方法的实施例的流程图。
图2a是根据本发明的装置的实施例的示意图，该装置被示出为具有位于材料的同一侧上的发射线圈和拾取线圈。
图2b-2d是分别在空气、马氏体和铁素体上使用的图2a的实施例的功率谱密度图。
图3a是根据本公开的装置的实施例的示意图，该装置被示出为具有位于材料的相对侧上的发射线圈和拾取线圈。
图3b-3d是分别在空气、马氏体和铁素体上使用的图3a的实施例的功率谱密度图。
图4a和4b示出了关于具有相同侧配置(例如，图2a的配置)的模型材料的非线性磁检测的模拟结果。
图5a和5b示出了用于在强外部磁场下测试模型材料的非线性磁响应的设置的示意性实施例。
图6a-6c示出了在不同频率下的2次谐波psd测试结果。
图7a-7c示出了钢管上的马蹄形磁体的轴向对称模拟。
图8a示出了用于非线性磁声检测的设置的实施例。
图8b示出了用于非线性磁声检测的psd结果。
图9是示例布置，其包括在每个磁发射器周围和/或与每个磁发射器配对的位于不同位置处的磁传感器和/或声传感器的四个副本。
图10是示例布置，其包括在每个磁发射器周围和/或与每个磁发射器配对的不同位置的磁传感器和/或声传感器的8个副本(copy)。
图11a-11f示出了对在焊接部中具有硬质相的真实管道(图11a、11b、11d和11e)和在焊接部中不具有硬质相的管道部分(图11c和11f)进行的非线性磁检测的数据。
图12a-12c示出了在具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料和非磁滞材料之间进行的检测和区分的实施例。
图13a-13e示出了本公开的装置在检测真实管线钢中的异常中的应用。图13a和13b是从装置的两种配置相对于样品生成的数据图。图13c是具有来自图13a和13b两者并且位于任何特定位置处的组合数据集的数据图。图13c仅使用图13a和13b之间的归一化(normalized)的3次谐波的较低值。图13e是样本照片上的维氏硬度(vhn)测量的叠加。图13d是来自图13e的数据的摘录。
图14a-14c是分别在空气、马氏体和铁素体上使用的功率谱密度图。
图15a-15b示出了本公开的装置在检测碳钢板中的异常中的应用。
图16a-16b示出了本公开的装置在检测碳钢板中的异常中的应用。
具体实施方式
通过“大约”或“近似”所指示的值来修改本文的具体实施方式和权利要求中的所有数值，并且该所有数值考虑到本领域普通技术人员所期望的实验误差和变化。本发明涉及检测由至少一种磁滞铁磁材料组成的样品的非线性磁响应的方法和装置。磁材料的线性响应函数由下式给出
b(x)＝μ0(h(x)+m(x))＝f(h(x))
其中，h(x)是施加的场磁场强度(单位为安培/米)，其可以随空间中的位置(x)变化，m(x)是磁化(单位为安培/米)，其依赖于位置(x)以及材料的初始磁化状态，μ0是磁导率常数(单位为亨利/米)，b(x)是磁通量密度(单位为特斯拉)，其可以随空间中的位置(x)变化，以及f(h(x))是依赖于h(x)的函数。之后，将b(x),h(x),m(x)和f(h(x))分别称为b,h,m和f(h)和/或(如果对应参数随时间变化)b(t),h(t),m(t)和f(h(t))。这种线性依赖关系是在静磁场中看到的响应类型。当前的检查工具，例如磁通量泄漏(mfl)和电磁声换能器(emat)工具，被配置为响应于主要线性依赖于h的函数。应注意的是，对于铁磁材料，这种依赖关系可能是复杂的。当施加的磁场是随时间变化的时，线性算子不再描述施加的磁场与磁化之间的关系。随施加的时变磁场h(t)的铁磁材料中的磁通量密度b(t)可以由线性算子以及一系列非线性函数的时间积分来近似：
函数f2引起二阶非线性响应，函数f3引起三阶非线性响应，以及函数fn引起n阶非线性响应。时间积分
本发明利用这些非线性响应来提供表征材料状态和铁磁材料中的不均匀性的更好的方法。如果施加的磁场h(t)是正弦曲线的并随频率ω呈正弦变化，则二阶响应随2ω变化、三阶响应会随3ω变化、n阶响应随nω变化。如果所施加的场具有任意的时间依赖关系，则可以从对信号的时间依赖关系的分析中提取非线性响应，该信号可由磁化和磁通量密度(式子1中的b(t))引起。在一些情况下，这可以通过对由磁化和磁通量密度(式子1中的b(t))引起的信号的时间依赖关系进行傅立叶分析来完成。在一些实例中，非线性响应可以直接从由磁化和磁通量密度((式子1中的b(t))引起的信号的时间依赖关系来表征。
现在将参考附图，其中类似的附图标记标识本公开的类似的结构特征或方面。为了解释和说明而非限制的目的，根据本公开的方法的实施例的示意图在图1中示出，并且个该方法总体上由附图标记100表示。本公开的其他实施例和/或方面在图2a-22b中示出。本文描述的系统和方法可用于确定材料的材料状态(例如，材料相和/或金属管线中的不完美性)。
下面提供对磁滞铁磁材料中的非线性磁响应的一般理解。下述实施例提供了一种快速、简单且通用的方法来检测所研究样品的材料状态和不均匀性。不均匀性的非限制性示例为例如钢管中的硬质斑和/或裂纹/缺陷。本文描述的某些实施例不需要内置的铁磁芯，并且因此可以在空气环境中被校准以提供精确的背景信号。该方法还允许除空气以外的环境中的校准(例如，将样品浸入油中)。
在所施加的时变磁场中的磁通量密度(式子1中的b(t))的非线性响应引起许多可以检测到的响应。这些响应跟踪由施加的时变磁场创建的磁通量密度的时间依赖关系，以及非线性响应由磁化和磁通量密度(式子1中的b(t))引起。从理论上和实验上都表明，对称的磁滞响应导致奇数次谐波，而非对称的磁滞响应导致偶数次谐波。对称的磁滞响应通常连接到但不限于铁磁材料，以及非对称的磁滞响应通常连接到但不限于磁滞材料中的剩余磁化状态，实施例也可以应用于检测磁滞材料的磁化状态。本发明的一个实施例包括用来自磁发射器的时变磁场询问样品，并用接近样品的磁传感器检测磁通量密度(式子1中的b(t))。该实施例的变型包括并入偏置磁化的dc磁场。另一变型包括对具有剩余磁化的样品的测量。又一变型包括对已消磁的样品的测量。一个不同的实施例包括用来自磁发射器的时变磁场询问样本，并检测磁通量密度(式子1中的b(t))和非线性磁声响应(例如，类似于emat)，但要看声学信号的非线性频谱。该实施例的变型包括并入偏置磁化的dc磁场。另一变型包括对具有剩余磁化的样品的测量。又一变型包括对已消磁的样品的测量。
非线性磁响应的一般原理依赖于对样本施加时变磁场h(t)并检测响应。将从时变磁场为具有空间变化的磁化场
根据法拉第定律
不同的铁磁材料具有不同的磁滞曲线和磁响应，并且在相同的磁调制下会导致不同的非线性谐波系数
1.非线性磁检测：总磁化场是非线性的并且可以由磁传感器在空气中的a点测量：
2.非线性磁声检测。在大的恒定dc磁场
最后考虑的是在正弦调制
现在参考图1，一种用于确定由至少一种磁滞铁磁材料构成的样品的一种或多种材料状态的方法100可包括通过施加时变磁场来询问(例如，在框101处)磁滞铁磁材料。可选地，在框101中，可施加附加的dc磁场。可选地，可以在框101中施加消磁磁场。可选地，框101中的样品可以具有剩余磁化。dc磁场是不随时间变化的磁场，消磁磁场是用于消除材料的剩余磁化的时变磁场。在框103中检测时变磁响应或声响应。方法100还可包括确定(例如，在框105处)所接收的磁场或声响应的时间依赖的非线性特性、以及使所接收到的磁响应或声响应的时间依赖的非线性特性与材料的一种或多种材料状态相关联(例如，在框107处)。
用输入时变磁场询问磁滞铁磁材料可包括但不限于利用生成时变磁场的至少一个磁发射器并将磁发射器放置在被询问样品的附近位置。例如，磁发射器的示例接近度(或附近位置)距被询问样品的表面1厘米；磁发射器的更优选的附近位置是距被询样品表面0.2cm或更小；磁发射器的一个更优选的附近位置是与被询问样品的表面直接接触。
时变磁场可包括但不限于正弦波、方波、三角波以及对称和非对称脉冲的组合。在某些实施例中，优选的时变磁场可包括正弦波，其峰值幅度范围从0.01毫特斯拉到1特斯拉之间，并且频率范围从1hz到1mhz。更优选的时变磁场可包括正弦波，其峰值幅度范围为从0.1毫特斯拉至10毫特斯拉，并且频率范围从100hz至100khz。为了检查4140碳钢材料以及通过热机械控制处理(tmcp)制成的例如x60和/或x65碳钢的其他碳钢材料，优选的时变磁场可包括正弦波，其峰值幅度范围从0.01毫特斯拉到1特斯拉，并且频率范围从1hz到1mhz；更优选的时变磁场可包括正弦波，其峰值幅度范围从0.1毫特斯拉至10毫特斯拉，并且频率范围从100hz至100khz；甚至更优选的时变磁场可包括正弦波，其峰值幅度范围从0.1毫特斯拉至10毫特斯拉，并且频率范围为8khz至100khz；甚至更优选的时变磁场可包括正弦波，其峰值幅度范围为0.5毫特斯拉至5毫特斯拉，并且频率范围为8khz至100khz。
与其他无损检查工具中的常见实践类似，熟悉该技术的人可以通过校准非线性磁响应和/或相对于频率范围、幅度范围和材料相的3次谐波的大小来优化时变磁场。
磁发射器可包括但不限于生成时变磁场的装置，例如发射线圈、平移/旋转磁体(例如钕磁体、陶瓷磁体、电磁体或超导磁体)。在某些实施例中，优选的磁发射器可包括外径在2mm至10cm之间、匝数在1至100,000之间以及电感在0.001mh至1000mh之间的发射线圈。在某些实施例中，更优选的磁发射器可包括外径在5mm至5cm之间、匝数在10至1000之间以及电感在0.01mh至100mh之间的发射线圈。在某些实施例中，更优选的磁发射器可包括具有1英寸(25.4mm)的外径、100匝以及l～0.25mh的电感的发射线圈。在某些实施例中，较小直径的磁发射器可用于生成具有较高横向空间分辨率的检查结果。在某些实施例中，甚至更优选的磁发射器可包括一个或多个直径小于1英寸的线圈，以改善检查结果的横向空间分辨率。
检测磁响应或声响应可包括但不限于利用被配置为分别接收磁响应或声响应并将磁响应或声响应转换成磁响应信号或声响应信号的至少一个磁传感器或声传感器。优选地，磁传感器位于磁发射器附近的区域中。在一个实施例中，磁传感器与磁发射器之间的距离小于50米，优选地小于10米、优选地小于1米、优选地小于10厘米、优选地小于1厘米、优选地小于1毫米、以及甚至更优选彼此直接接触。
磁响应可包括但不限于由于输入随时变磁场和任何附加磁场导致的由被询问材料产生的空间变化的磁场。磁传感器可包括但不限于如下装置，该装置从感测区域上的至少一个点或被平均的位置接收磁响应，并将磁响应转换为可由计算机或观测器解释的数字或模拟信号，该装置例如为拾取线圈、霍尔传感器、磁通门磁力计、铯原子磁力计或超导squid磁力计。在某些实施例中，优选的磁传感器可包括感测线圈，其外径在2mm至10cm之间、匝数在1至100,000之间以及电感在0.001mh至1000mh之间。在某些实施例中，更优选的磁发射器可包括发射线圈，其外径在5mm至5cm之间、匝数在10至1000之间以及电感在0.01mh至100mh之间。在某些实施例中，甚至更优选的磁传感器可包括感测线圈，其具有1英寸的外径、100匝以及l～0.25mh的电感。在某些实施例中，较小直径的磁传感器可用于生成具有较高横向空间分辨率的检查结果。在某些实施例中，更优选的磁传感器可包括一个或多个直径小于1英寸的线圈，以提高检查结果的横向空间分辨率。在一个实施例中，选择磁传感器使得它可以足够快地响应以记录至少由二阶非线性效应引起的信号，在一个更优选的实施例中，选择磁传感器使得它可以足够快地响应以记录至少由三阶非线性效应引起的信号，以及在甚至更优选的实施例中，选择磁传感器使得它可以足够快地响应以记录至少由五阶非线性效应引起的信号。
声响应可包括但不限于由于输入时变磁场和任何附加磁场导致的由被询问材料产生的机械运动。声传感器可包括但不限于如下装置，该装置从感测区域上的至少一个点或被平均的位置接收声响应，并将声响应转换为可由计算机或观测器解释的数字或模拟信号，该装置例如为压电声换能器、麦克风、地震仪或地震检波器。在某些实施例中，优选的声传感器可包括直径为1.2cm且谐振频率为500khz的陶瓷压电声换能器。在一个实施例中，选择声传感器使得它可以足够快地响应以记录至少由二阶非线性效应引起的信号，在一个更优选的实施例中，选择声传感器使得它可以足够快地响应以记录至少由三阶非线性效应引起的信号，以及在甚至更优选的实施例中，选择传感器使得它可以足够快地响应以至少记录由五阶非线性效应引起的信号。
确定时间依赖的非线性特性可包括执行频域分析，例如对接收到的磁响应或声响应的功率谱密度分析，以创建功率谱密度数据。在某些实施例中，确定时间依赖的非线性特性可包括确定功率谱密度数据中的一个或多个谐波峰值。
确定一个或多个谐波峰值可包括确定谱密度数据中的一个或多个谐波系数。例如，确定一个或多个谐波系数和/或峰值可包括确定谱密度数据中的奇数次谐波系数和/或峰值。
在某些实施例中，确定奇数次谐波系数和/或峰值可包括确定谱密度数据的3次和/或5次谐波。使时间依赖的非线性特性相关联可包括将3次谐波和/或5次谐波与被询问样品的一种或多种材料状态进行比较且相关联。在某些实施例中，归一化后的光谱密度数据的范围在10-6及以上大的3次谐波与材料状态相关联，该材料状态包括但不限于在询问样品中存在铁素体或珠光体碳钢相；归一化后的光谱密度数据的范围从10-8到10-6的小的3次谐波与材料状态相关联，该材料状态包括但不限于在被询问的样品中存在例如马氏体或板条贝氏体碳钢相的硬钢相或例如气隙的非磁滞材料。
所询问的样品可包括但不限于由具有一种或多种材料状态的至少一种材料相组成的测试材料。一种或多种材料状态可包括但不限于磁滞铁磁材料或非磁滞材料中的至少一种材料相。在某些实施例中，磁滞铁磁材料可包括但不限于钢、镍、钴及其合金，例如各种碳钢。在某些实施例中，非磁滞材料可包括但不限于空气、铝、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和高锰钢。材料相可包括但不限于具有不同化学组成和/或晶体取向的奥氏体、马氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、板条贝氏体、针状铁素体和准多边形铁素体中的至少一种。样品的不均匀性可包括但不限于由一种以上的材料相组成的测试材料。不均匀性的非限制性示例是例如钢管中的硬质斑和/或裂纹/缺陷。
根据本公开的至少一个方面，非暂时性计算机可读介质可包括用于执行本文所述的任何合适的方法和/或其任何合适的部分的指令。例如，该方法可包括：生成时变磁场以及从拾取线圈检测随时间的磁响应或声响应信号，确定所接收的磁场或声响应的时间依赖的非线性特性，以及使所接收的磁响应或声响应的时间依赖的非线性特性与材料的一种或多种材料状态相关联。可以附加地或替代地包括如本文所述的方法的任何实施例中的任何其他合适的部分。
另外参考图2a，根据本公开的至少一个方面，用于检测磁滞铁磁材料(例如，包括磁滞铁磁材料的样品221)的一种或多种材料状态的装置200可包括被配置为输出询问磁场的发射线圈201、被配置为分别接收磁响应或声响应并将磁响应或声响应转换为磁信号或声响应信号的拾取线圈203或声换能器(例如，如下文更详细所述)。装置200可包括处理器205，该处理器205被配置为执行任何合适的方法，例如，如上所述的和/或其任何合适的部分。
在某些实施例中，装置200可包括输出装置207，其被配置为向用户指示材料的一种或多种状态。系统200可包括如本领域的普通技术人员理解的任何其他合适的信号处理组件(例如，一个或多个数字转换器、电流计、信号发生器、一个或多个带通滤波器、一个或多个前置放大器或放大器等)。输出装置207可包括但不限于指示器，该指示器意味着向一个或多个附近的用户通知适当的即时实时动作，并且用户可以直接观察该指示器。输出装置207还可包括但不限于用于与用户通信的装置，其还意味着向用户通知适当的即时实时操作，但是用户可以处于远程位置，并且通信可以通过有线或无线路由。输出装置207还可包括数据收集和存储装置，以用于后续检索以及后处理和分析。
碳钢是管线和石油&天然气行业中的关键材料。通常，所有碳钢都由多种材料相组成。铁素体(碳钢的软相)是碳钢中的关键材料相。当钢从高温(例如从900℃)快速淬火至室温时，会在钢中形成诸如马氏体或板条贝氏体等硬质相，这可能在钢厂板(steelmillplate)制造或电阻缝焊接过程期间发生。例如马氏体或板条贝氏体相的硬质钢相的存在可能会特别不稳定，因为与软质铁素体相相比，硬质钢相更易于故障和破裂。结果，本文测试了由铁素体和马氏体组成的碳钢样品，因为在管线上的应用是可以使用此类装置的一个很好的示例。本文考虑任何其他合适的材料和应用。
在所示的实施例中，可以通过信号发生器209生成电压或电流信号(例如，频率为f的正弦波)。随着电流的流过，发射线圈201用作磁发射器以生成调制磁场。用于在下面产生数据的发射线圈201包括大约1英寸的外径、100匝以及l～0.25mh的电感。发射线圈的电阻抗为zcoil＝rinternal+iωl。典型地，线圈的内部电阻rinternal相对较小(对于我们测试的线圈，<1ω)，而虚感应项(imaginaryinductiveterm)随频率成比例增加。可以使用具有任何合适特性的任何其他合适的线圈。
为了使电感器的阻抗效应最小化并使输出电流最大化，电容器c211用于将总阻抗更改为
为了检测来自附近材料的磁响应，可以使用诸如拾取线圈203的磁传感器来测量时变磁信号。通过拾取线圈203生成的电压为
发射线圈201、拾取线圈203和被询问的材料可以以任何合适的配置来布置。在2a和3a中示出了两个具体示例。在图2a中，发射线圈201和拾取线圈203被放置在被询问材料(例如铁磁板)的同一侧，并且该配置可以容易地应用于常规pig以进行无损管线检查。在图3a中，示出了一种替代配置，其中发射线圈201和拾取线圈203放置在被询问材料的相对侧上。
因此，如图2a所示，系统200可以被配置为在被询问材料的单侧上使用。如上所述，在某些实施例中，待确定的材料的一种或多种状态例如可包括材料相。在下表1和图2b-2d中示出了用于确定样品221中的位置处的空气(作为基线)、马氏体(作为第一相)和铁素体(作为第二相)的材料相的示例结果。
作为一个控制实验，在半米之内没有任何导电/磁性材料的空气中以10khz频率测试装置200。发射电流和拾取电压的功率谱密度(psd)显示为实曲线和虚曲线。高次谐波(2次、3次、4次和5次等)的峰值比主频率10khz低至少七个数量级。这些小的谐波值是由于电子处理和系统噪声引起的，应将其校准为材料测试的基准。
表格1
参照图3a，在某些实施例中，系统200可以被配置为在被询问材料的相对侧上使用。在下表2和图3b-3d中示出了用于确定关于空气(作为基线)、马氏体(作为第一相)和铁素体(作为第二相)的材料相的示例结果。
表2
在两个示例中都可以看到，奇次谐波显示出不同材料类型之间的数量级差异，例如，从而允许识别不同的材料。一旦将马氏体或铁素体的试样(coupon)(样品221)(例如，38.1mm(l)x25.4mm(w)x4.7mm(h))放置在线圈的末端，非线性响应就会发生急剧变化。偶数次谐波没有显著变化，而奇数次谐波的峰值急剧增加，其中最显著的增加来自30khz和50khz处的3次和5次谐波(例如，图2c和2d)。特别地，在3次谐波的峰值马氏体试样(图2c)中增加一个数量级，而在铁素体试样(图2d)中增加三个数量级。在所示数据中，主谐波峰值用作标准校准，并相对于主峰值对所有更高阶谐波系数进行归一化。
另外，最显著的特征是3次谐波和5次谐波。在相同侧的构造(例如，图2a)或相对侧的构造(例如，图3a)中观察到相同的现象。在两种配置中，跨空气(～1x10-8)、马氏体(～1x10-7至5x10-7)和铁素体(～1x10-5至5x1-5)的3次谐波的显著对比提供独特的非线性磁特征，该独特的非线性磁特征可以例如直接用于检测构成管线钢中的硬质点的例如马氏体相的硬质相。
原理上，发射线圈的自感随附近的铁磁材料而变化，并且由于磁滞响应，这种变化自然应该是非线性的。我们已经观察到跨空气、马氏体和铁素体样品的发射电流(图2b-3d中的实曲线)的psd相对较小的增加。虽然仅通过分析来自单个发射线圈的电压和电流就可以区分铁磁材料，但与从拾取线圈测量的响应相比，不同材料的特征却不那么可区分。就这一点而言，在某些实施例中，发射线圈和拾取线圈可以是相同的线圈。
参考表3，在某些实施例中，系统200可以被配置为在被询问材料的单侧上使用，并且发射线圈和拾取线圈可以被放置在优选的附近位置，该位置距被询问样本的表面有限的距离。被询问的样本与两个线圈之间的距离和/或间隔称为提离(lift-off)距离。而表1和图2c-2d表现出在两个线圈直接与被询问样品的表面接触时的独特的非线性磁特征，这里的表3示出即使在存在0.8mm或2.0mm的提离距离时也观察到了类似的独特非线性磁特征。对于铁素体或马氏体，归一化的3次谐波随提离距离的量的增加而略有降低，但是铁素体情况下的3次谐波的总峰值比马氏体的情况大大约两个数量级，不考虑0、0.8mm或2.0mm的提离距离。马氏体(～1x10-7至5x10-7)和铁素体(～1x10-5至5x10-5)的3次谐波的稳健(robust)而显著的对比提供了独特非线性磁特征，该独特非线性特征可以即使在应用期间存在恒定或随时间变化的提离距离时用于检测例如马氏体相的特定材料相。
表3
参照图4a和4b，执行了计算机模拟以合并磁滞响应并理解实验观察到的铁素体和马氏体相的3次谐波。这里使用的磁滞模型最初是由jiles和atherton开发的，被称为j-a模型。j-a模型中有五个参数来描述特定材料的磁滞响应，并且在模拟中，这五个参数是通过将j-a磁滞曲线与文献中的实验测量最佳匹配而获得的。对于铁素体相和马氏体相，获得了两个不同参数组，并且完整的磁滞曲线如图4a所示(铁素体相的实曲线和马氏体相的虚曲线)。然后，使用comsol多物理计算机软件包在与图2a-3d相同的实验条件和参数下模拟磁响应。
该模拟将五个j-a参数与完整的麦克斯韦(maxwell)方程求解器结合，以解决非线性磁滞磁导率。随着模拟从零剩余磁化开始，结果(图4b)显示仅在铁素体和马氏体情况下存在奇数次谐波，这与对称b-h曲线的理论描述是一致的。此外，在模拟结果中，铁素体的3次谐波和5次谐波比马氏体的谐波大约1.5个数量级(～40倍)，这也与上述实验结果一致。使用可靠的模拟工具，已经阐明了谐波的生成与磁滞曲线之间的定量联系，此外，还可以设计ac磁调制的特定幅度和频率，以优化特定应用中的硬质相的检测。
图4a示出了铁素体(实曲线)和马氏体(虚曲线)的完整磁滞曲线。通过将磁滞曲线与文献中的实验测量值相匹配，可获得五个j-a参数。图4b示出了用于在图2a的配置中对马氏体(虚曲线)和铁素体(实曲线)进行非线性磁检测的模拟功率谱密度(psd)结果。可以看出，由于对称磁化，仅出现奇次谐波。对于3次和5次谐波，铁素体和马氏体之间的约1.5个数量级的差异与上述实验观察一致。
在下一个示例中，执行其他实验测试以更好地了解所测的非线性特征。由于铁磁材料的磁滞回线是高度非线性的且历史依赖的，因此我们预计这些材料的非线性磁响应依赖于其磁化状态。因此，非线性磁响应的测量原理上可以是测试材料的磁化状态的指示器并且可以在检测磁异常时提供其他信息。
基于理论描述，局部对称的磁滞回线将仅导致奇数次谐波，并且这将在两种情况下发生：1)与饱和磁化相比，该材料具有较小的剩余磁化，这适用于图2a-3d中的情况，或2)材料在垂直于小ac磁调制的方向上被外部磁化。
在图5a中测试了后一种情况。使用放置在试样221的端部的两个钕永磁体223a、223b跨试样221的长边缘使相同的试样221(铁素体或马氏体，38.1mm(l)x25.4mm(w)x4.7mm(h))磁化。磁体223a中的一个的北极朝上，而另一磁体223b则处于相反的取向。大碳钢板225附接到底部以完成磁通量回路。发射线圈和拾取线圈201、203的束(bundle)的横截面尺寸为1英寸乘2英寸，并且将线圈束的较短侧(1英寸)与试样221的较长侧(1.5英寸)对齐以避免对端部附近的边缘场的干扰，如图5a所示。在这种情况下，在试样221的中心处的磁化处于水平方向，而来自线圈的小的ac磁调制处于垂直方向。实验结果示于表4中，并且对于铁素体和马氏体的情况，在该垂直磁化之前和之后，所有的谐波峰值都经历很小的变化。此外，偶数次谐波非常小且与基线空气情况(表中的第一行)中的噪声水平类似，这与我们的理论描述是一致的。
如果磁化方向不垂直于ac调制的方向，则磁滞回线中的这种对称性可能被破坏。如果如图5b所示将线圈束水平旋转90度并将其较长侧(～2英寸)与钢试样的较长侧对齐，则由发射线圈201生成的ac磁调制会强烈干扰钢试样的端部处的边缘场，从而打破磁滞回线的对称性并将允许偶数次谐波。与相同配置中没有磁化的钢试样相比，在表4-5中，我们确实在实验上观察到2次谐波的增加，这与我们的理论是一致的。另外，奇数次谐波的峰值减少了至少一个数量级。
图5a和5b示出了用于测试在强外部磁场下的模型材料的非线性磁响应的设置的实施例。在图5a的实施例中，当线圈束的较短侧与钢试样的较长侧对齐时，磁调制大部分垂直于钢试样中的外部磁化。因此，外部磁化不会改变非线性响应，实验结果总结在下表4中。
表4
在图5b的实施例中，当线圈束的较长侧与钢试样的较长侧对齐时，磁调制强烈地干扰钢中的边缘场并且它们几乎彼此不垂直。对称破坏导致2次谐波的增加和奇数次谐波的出人意料的降低，如下表5总结的。
表5
为了看到更明显的对称破坏效果，铁磁材料可以被强磁化，并且随后可以去除外部磁化。使用具有超过饱和磁化值一半的剩磁或剩余磁化的低碳钢样品执行了测试，该样品是模型材料。在图6a-6c中，在磁化之前和之后对该碳钢样品进行了一系列测试。在低碳钢板被强磁化之前，如图6b所示，与表1和2中的先前数据类似，检测到奇数次谐波的显著增加。然后，用1.27cm立方的0.8特斯拉的钕永磁体围绕特定点“b”使大碳钢板局部磁化。在从板上去除永磁体之后，在碳钢板上“b”点附近的剩余磁化应超过0.4特斯拉。与磁化之前的碳钢psd(图6b)相比，在磁化区域“b”附近的非线性磁检测在图6c中显示出偶数次谐波的强烈增加。现在很清楚，除了通过奇数次谐波的钢相检测之外，偶数次谐波的检测还可以提供其他材料信息，例如材料的磁化状态，其包括材料的预先存在的剩余磁化。
图6a-6c示出了如在图2a配置中所测量的对于空气(图6a)、低碳钢板(图6b)和在磁化之后的低碳钢板(图6c)的非线性磁检测的功率谱密度(psd)结果。虚曲线和实曲线分别是拾取电压和发射电流的psd。
表6总结了用于跨这里的所有样品的拾取电压的归一化谐波系数。
表6
在图6a-6c中，对拾取电路进行了轻微修改，以增强3次谐波附近的信噪比(使用共振频率为30khz的rlc带通滤波器)，因此，空气环境中的基准校准经历来自电子噪声的较强谐波，而样品之间的高次谐波的比率不变。
除了操纵钢的磁化外，还以从1khz至100khz的不同频率测试了样品。在表7中示出了具有1khz和10khz的低碳钢的一些示例，并且稍后在图9d-f中示出了具有100khz的示例。表7示出了在1khz和10khz处关于空气和碳钢的非线性磁检测的归一化谐波系数。
表7
在导电材料的频率依赖的趋肤深度
根据本公开的至少一个方面，实施例包括但不限于使用外部磁场来调节非线性磁声检测。执行计算机模拟以证明这些实施例的功能。尽管对称破坏效应会导致偶数次谐波的生成，这可能对探测钢的剩余磁化有用，但对奇数次谐波的影响可能相对复杂。已观察到如图6b和6d中的3次谐波的增强和如图5b中的3次谐波的减弱。参考图7a-7c，其描述了但不限于调节钢管中的磁化以实现测量的一致性并避免这种潜在的复杂性的方法的实施例。该方法的实施例涉及由马蹄形磁铁施加的外部磁场，该马蹄形磁铁其具有105a/m的磁化和图7a的图例中指定的尺寸。例如，当马蹄形磁铁沿管道壁以0.5m/s的速度垂直移动时，comsol多物理计算机软件包可用于模拟磁场强度。图7b和7c示出了空间变化的感应磁场。
图7a示出了在钢管701上移动的马蹄形磁体700的实施例。区域703和705是宽度为3cm的正方形。区域707的垂直长度为4cm。区域709具有2cm的内径和5cm的外径。该管道是轴向对称的，其半径为15cm、厚度为8mm。除了半径为3mm的圆形区域711之外，该管道由铁素体相组成。磁体以0.5m/s的速度垂直向上移动。图7b示出了马蹄形磁铁和管道壁中的磁通量密度的垂直z分量。图7c示出了马蹄形磁体和管道壁中的磁通量密度的水平r分量的实施例。
马蹄的腿之间的钢管中的磁场几乎沿垂直的z方向(|bz|～-0.2到0.4t)，其中由于小的硬质相缺陷和材料的磁滞特性，水平方向上有|br|～高达0.8*10-2t的较小扰动。结果，这种外部磁调节可以有效地修改和对齐钢管沿图7a中圆形区域711附近的垂直轴的磁化，并且基于此配置的小的垂直ac磁调制将是管线应用的优选的实现方式中的一种，因为它导致了独特且可理解的3次谐波特征，如图5a所示。
现在参考图8a和8b，与非线性磁检测一起，本文的实施例包括基于相同原理的非线性磁声检测。图8a示出了用于非线性磁声检测的装置800的实施例。例如，可以用两个钕永磁体803a、803b磁化大碳钢板801(6英寸×2英寸×0.5英寸)。碳钢棒805(或任何其他合适的材料棒)可以附到永磁体803a、803b的相对侧以完成磁通量回路。声换能器807可以被附到(例如，胶合到)碳钢板801的6×2英寸表面的前部中心，并且电流发射线圈(未示出)可以被附到碳钢板801的相对表面的后部中心。
当用如图8a附接的两个钕永磁体磁化大碳钢板时，碳钢板内部存在强dc磁场
图8b示出了用于非线性磁声检测的实验psd结果。虚曲线和实曲线分别是接收到的声信号和发射电流的psd。由于用于模拟的换能器具有500khz的谐振频率，因此对于10khz的磁调制，机械运动几乎是不可测量的。替代地，使用100khz磁调制，并且观察到声信号的psd(图8b中的虚曲线)中的强3次谐波生成。如上所述，由于自感的变化，较弱的3次谐波也在发射电流的psd(图8b中的实曲线)中出现。
本文所述的无损材料检查系统的实施或设计可包括但不限于位于被询问材料的优选附近位置处的磁发射器、磁传感器、声传感器和马蹄形磁体的多个副本。在某些实施例中，这种实现方式包括但不限于与一个磁发射器配对的磁传感器和/或声传感器的一个或多个副本。在某些实施例中，优选的布置包括位于每个磁发射器901周围和/或与每个磁发射器901配对的不同位置处的磁传感器和/或声传感器900的4个副本(如图9所示)。更优选的布置可包括位于每个磁发射器1001周围和/或与每个磁发射器1001配对的不同位置处的磁传感器和/或声传感器1000的8个副本(在图10中示出)。甚至更优选的布置可包括位于每个磁发射器周围和/或与每个磁发射器配对的不同位置处且具有不同尺寸的磁传感器和/或声传感器的最大副本。在某些实施例中，这种实施方式包括但不限于至少一个马蹄形磁铁，其两个腿接触被询问材料的表面。在某些实施例中，这样的实施方式包括但不限于至少一个磁发射器以及位于马蹄形磁体中心的磁传感器或声传感器中的至少一个。在某些实施例中，这种实施方式包括但不限于可选的磁体或电磁体，以调节被询问的材料中的磁化。在某些实施例中，这样的实施方式包括但不限于可选的磁体或电磁体以提供dc磁场。
根据本公开的至少一个方面，可以不受限制地使用实施例来检测焊接部中具有硬质相的真实管道。参照图11a-11f，例如，可以将实施例应用于检测真实管线钢中的异常。测试长约10cm、半径为21cm和厚度为0.5cm的圆柱形管道段，该段取自70年代以前的老式管线。管道的大部分具有铁素体/珠光体相，而管道中的接缝焊接部是通过电阻焊接接合而未经热处理，因此包含贝氏体或马氏体硬钢相。在测量期间，线圈束的长边与圆周方向对齐。在10khz磁调制下，从管道段的内部和外部测量了在不同角度位置处的非线性磁响应，并且归一化的3次谐波系数被示出在图11a和11b中。
图11a示出了在10khz磁调制的情况下的圆柱形管道段周围的归一化3次谐波系数的数据。虚曲线表示从管道外部的测量，实曲线表示从管道内部的测量。图11b示出了相对于距接缝焊接部的圆周距离绘制的与图11a中的相同数据。图11c示出了在10khz磁调制的情况下的归一化3次谐波系数的数据，该数据是在单独的实验中跨管线材料的在接缝缝焊中没有硬质钢相的弧形段测量的。虚曲线表示从管道外部的测量，实曲线表示从管道内部的测量。
在图11a中，从管道外部的测量(虚曲线)示出在铁素体/铁素体珠光体区域中在1x10-5附近波动的3次谐波、在包含贝氏体或马氏体硬钢相的接缝附近急剧下降到几乎1x10-7。硬质点的角位置被标识为虚曲线中在294.5度的最小点，该点在实际硬微结构点的1度以内。
在将线圈放置在管道内部的实施例中，圆柱体内的磁通线可以完全不同并且可以被高度压缩，这可以改变非线性测量。从管道内部的实验测量确实示出了3次谐波响应的不同模式(图11a中的实曲线)和焊接部附近的双最小(double-minimal)。从对称性考虑，双最小的中点(293.2度)可以最好地描述所测量异常的位置，该位置也在实际硬马氏体点的1度以内。实曲线中的四重图案可来自材料的剩余磁化，而双最小特征和显著更低的谐波响应则可能来自完整圆柱管道内部的特定em共振模式。
相比之下，在图11c中，我们测试了管线材料的弧形段，该弧形段在接缝焊接部中没有例如马氏体或贝氏体相的硬质相。在图11c中，从管道段的外部和内部的测量分别以虚曲线和实曲线示出。由于该切割段是弧形而不是完整的圆柱形状，因此内部和外部的结果类似。尽管两个数据都示出在实际焊接部瘤(flash)周围(49毫米至63毫米之间)的3次谐波的某个降低程度，但这些异常(系数～1x10-6)仍不显著足以表明存在例如马氏体或贝氏体的硬质相，其具有接近1x10-7的显著特征。替代地，观察到在焊接部瘤的外表面处的深度约为1mm的小裂纹，结果，图11c中的3次谐波的变化可以用来表明在焊接部周围存在气隙、裂纹或不同的应力状态。
这些相同的管道段也用100khz的ac磁调制进行测试，关于圆柱形管道段的数据被示出在图11d-11e中，而关于弧形管道段的数据被示出在图11f中。图11d-11f示出了与图11a-11c类似的测量，但使用100khz磁调制并且只能从管道材料的外部测量。对于圆柱形管道段，从焊接部外部的测量示出了包含例如马氏体或贝氏体相的硬质相的焊接部周围的明显特征(图11d和11e)。相比之下，对于弧形管道段，非线性磁响应的测量曲线相当平坦，因为焊接部仅包含具有小裂纹的铁素体或铁素体-珠光体相。
图12a-12c示出了在非磁滞材料和具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料之间的检测和区分的实施例。在图12a-12c的测试中，系统200可以被配置为在图12b所示的被询问材料的单侧上使用。如上所述，在某些实施例中，待确定材料的一种或多种状态例如可包括一个或多个特定材料相。用于确定在非磁滞材料和具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料之间的材料相的示例结果被示出在图12a-12c中。
作为图12a中的控制实验，在半米之内没有任何导电/磁性材料的空气中以10khz的频率测试装置200。这里使用的电流低于在图2b-d和图3b-d中使用的电流，以降低电子噪声基底(noisefloor)。示出了拾取电压的功率谱密度(psd)。高次谐波(2次、3次和4次等)的峰值比10khz的主频率低至少9个数量级。这些小的谐波值是由于电子处理和系统噪声引起的，应将其校准为特定材料测试的基线。
如在来自图12a-12c的这些示例中可以看到的，偶数和奇数次谐波都示出了非磁滞材料(图12b)和具有磁滞铁磁材料(图12c)的不均匀性的非磁滞材料之间的数量级差异，例如，从而允许识别不同的材料。非磁滞材料的非限制性示例包括奥氏体不锈钢、双相不锈钢和高锰钢。具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料的非限制性示例包括具有ε马氏体夹杂物的高锰钢。图12a-12b示出了当将线圈的端部放置在非磁滞材料的板(例如，200mm(l)×200mm(w)×20mm(h))上时，非线性磁响应不会急剧改变。这与非磁滞材料是具有恒定磁导率的线性磁性材料并且因此其不会示出任何非线性磁响应这一事实是一致的。图12a和12c示出了当将线圈的端部放置在具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料板(例如，200mm(l)×200mm(w)×20mm(h)和材料重量分数中的5％以上的不均匀性)时，非线性响应急剧变化。奇数和偶数次谐波的峰值都急剧增加。特别地，与图12b中的非磁滞材料相比，在具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料的情况下，图12c中的3次谐波的峰值增加了两个数量级，从而提供了可以直接用于检测具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料的独特的非线性磁性特征。
与其他无损检查工具中的常见实践类似，熟悉该技术的人可以相对于非磁滞铁磁材料中的具有磁滞铁磁材料的不均匀性的不同分数校准非线性磁响应和/或3次谐波的峰值。这样，通过适当的校准，本公开的方法和系统可以用于测量具有两种或更多种材料相的样品的材料相分数，该样品例如为具有磁滞铁磁材料的不均匀性的非磁滞材料。
根据本公开的至少一个方面，实施例可以不受限制的用于检测真实tmcp钢板和/或管道的表面和/或主体中的不期望的相。参照图13a-13e，实施例可以应用于例如检测真实管线钢中的异常。从tmcp管(内径(id)为28”、厚约3/4英寸)切出弯曲的管道段，并测试管道段的约4”乘4”区域。管道的大部分具有铁素体/珠光体和/或较软的颗粒贝氏体相，而id表面的一部分包含在钢厂的tmcp制造期间自然形成的板条贝氏体或马氏体硬钢相。
当包括磁传感器/声传感器1300和磁发射器1301的线圈束的较长侧与如图13a所示的水平方向(也就是管道的圆周方向)对齐时，归一化的3次谐波的数据图被示出在图13a中。当同一线圈束的长边与如图13b所示的垂直方向(也就是管道的纵向)对齐时，归一化的3次谐波的数据图被示出在图13b中。图13c是具有来自图13a和13b的组合数据集的数据图，以及在任何特定位置处，图13c仅使用图13a和13b之间的归一化的3次谐波的较低值。
在同一管道段上，出现两个不同的异常区域，其具有两个不同的发送器-传感器取向，图13a左上周围的白色至浅灰色区和图13b右下周围为白色至浅灰色区域。为了验证来自不同发射器-传感器取向的两个区域是与实际材料硬度特性一致，切割tmcp管道段并从管道段的不同部分制作了十个横截面的材料样品。然后，对那些样品进行金相抛光，并通过印压(indentation)在表面以下100μm处以100克载荷在横截面上执行维氏硬度(vhn)测量。例如，从图13e中的盒子13d的位置切出横截面样品种的一个，并且图13d中的一维测量条和简单的数据图中示出了特定样品的对应维氏硬度(vhn)测量。图13e展示了十个vhn结果的集合。硬度测量条放置在切割横截面样品的位置。
与维氏硬度测量一致，在特定的归一化的3次谐波数据图(图13a-13c)中的非线性磁响应能够捕获左上和右下硬质区域，如图13e中验证的。具体地，图13a和图13b中具有发射器-传感器取向的数据能够分别捕获图13e中的左上和右下硬质区域。数据各向异性来自制造过程(例如热轧过程)生成的碳钢的固有织构各向异性，以及为了获得更好更完整的检查结果，优选的发射器-传感器布置可能包括位于每个磁发射器周围和/或每个磁发射器配对的不同位置处传感器的许多副本。
在所示的实施例中，用于产生以下数据的发射线圈201和拾取线圈203包括最大外径约为3/4英寸且电感为l～7mh的线圈。对于图14a至图14c所示的数据，发射线圈201和拾取线圈203被放置在被询问材料(例如铁磁板)的同一侧。
直径较小的线圈以与先前公开的如图2b-d和图3b-d所示的1英寸线圈类似的方式工作。作为控制实验，在半米之内没有任何导电/磁性材料的空气中以10khz频率测试装置200。拾取电压的功率谱密度(psd)被示出在图14a-14c中。在空气的情况(图14a)下，高次谐波(2次、3次、4次和5次等)的峰值10khz的主频率低至少8个数量级。这些小的谐波值是由于电子处理和系统噪声引起的，应将其校准为材料测试的基线。
来自图2b-d至图3b-d的公开类似，奇次谐波示出了不同材料类型之间的数量级差异，例如，从而允许识别不同的材料。一但将马氏体或铁素体试样(例如，38.1mm(l)x25.4mm(w)x4.7mm(h))放在较小的线圈的端部，非线性响应急剧变化。偶数次谐波不经历显著变化，而奇数次谐波的峰值急剧增加，其中最显著的增加来自30khz和50khz处的3次和5次谐波(例如，图14b和14c)。特别地，在马氏体试样(图14b)中，3次谐波的峰值增加了三个数量级以上；在铁素体试样(图14c)中，3次谐波的峰值增加了五个数量级以上，例如，从而提供了可以直接用于检测构成管线钢中的硬质点的诸如马氏体相的硬质相的独特的非线性磁特征。
根据本公开的至少一个方面，较小直径的磁发射器和传感器可以用于生成具有较高横向空间分辨率的检查结果。在所示的实施例中，用于产生以下数据的发射线圈201和拾取线圈203包括如在图15a-15b中使用的3/4英寸直径的线圈。发射线圈和拾取线圈都安装在二维自动扫描仪的滑架(carriage)上。二维自动扫描仪能够在任一维度在平坦的水平面中以小于0.1mm的最小步长移动滑架，并且通过计算机程序代码控制和监视滑架和/或线圈的二维空间运动和位置。
根据本公开的至少一个方面，实施例可被不受限制地用于对其中在表面和/或主体中具有空间变化的硬质相的真实的管道和板上进行检测。参考图15a-15b，例如，可以将实施例应用于检测碳钢板中的异常。如图15a右图所示，测试了平坦的4140碳钢板(例如，12”(l)x6”(w)x11/4(h))。板的大部分具有铁素体/珠光体相，而有七个硬质相区域或硬质区的水平条纹。这些模拟的硬质区是通过在真空环境中使用电子束进行的局部表面加热，然后以钢体为散热器(heatsink)进行快速的自淬火而制成的。在hz1至hz7中使用的加热参数是不同，因此这七个硬质区具有不同的局部硬度和宽度，并且它们包含不同体积分数的板条贝氏体或马氏体硬质钢相。
在使用二维自动扫描仪的测量期间，将发射线圈和拾取线圈放置在距被询样品表面0.1cm内，并且线圈束的较长边与板方向的较长方向(12”)对齐。跨整个钢板的不同二维位置处的非线性磁响应是在10khz磁调制下测量的，以及从这些测量中，归一化的3次谐波系数的数据图如图15a左图所示。如图15a左图所示，较深的灰色表示归一化的3次谐波的较高值(材料特性较软)，而白色表示归一化的3次谐波的较低值(材料特性较硬)。通过非线性磁响应测量来检测所有七个硬质相区域(hz1至hz7)，它们之间具有不同的3次谐波水平。
为验证非线性磁响应测量和所得数据图与材料硬度特性一致，沿如图15a右图的虚线15b切割了4140碳钢板。沿着虚线15b，制作出七个横截面的材料样品并对其进行金相抛光，并通过印压在表面以下100μm处以100克载荷在横截面上执行维氏硬度(vhn)测量。沿虚线15b的跨hz1至hz5的硬度测量被示出在图15b右图中。对于hz6和hz7，当在表面以下100μm处测量时，硬度测量未捕获到任何升高的硬度，这表明hz6和hz7在100μm或更深处均没有升高的硬质区。根据维氏硬度测量，沿着同一点划线15b绘制了在特定归一化的3次谐波中的非线性磁响应，结果被示出在图15b右图中，归一化的3次谐波的数据能够捕获所有hz1到hz7，其具有与结果的高度和宽度的一致相关性。具体地，对于3次谐波响应和硬度测量，对于所有测得的硬质区，都标记了fwhm(半最大处的全宽)宽度。从3次谐波响应测得的宽度与从硬度测量测得的宽度相差1mm到2mm之间，而硬度测量通常被认为是基本事实。在所示的实施例中，非线性磁响应能够检测具有2mm或更大的横向空间分辨率的表面硬质区。
参照图16a至图16b，例如，可以将实施例应用于检测碳钢板中的异常。参照图16a的左图，测试了平坦的tmcp碳钢板(例如，9”(l)×5”(w)×1”(h))。该板的大部分具有铁素体/珠光体相和/或软颗粒贝氏体相，而存在具有硬质相区域或硬质区有四个垂直条纹，其中心在板上被十字标记标记。这些模拟的硬质区是通过在真空环境中使用电子束进行的局部表面加热，然后以钢体为散热器进行快速的自淬火而制成的。这里使用的加热参数与先前板(图a14)中用于hz2至hz5的参数相同，因此这四个硬质区具有不同的局部硬度和宽度，并且它们包含不同体积分数的板条贝氏体或马氏体硬钢相。在相同的加热参数下，由于基础钢板的化学性质不同，4140碳钢和tmcp碳钢之间的hz2至hz5中的硬度也不同。
使用相同的二维自动扫描仪，根据非线性磁响应测量，在图16a的右图中示出了归一化的3次谐波系数的数据图。如图16a的右图所示，黑色到深灰色表示归一化的3次谐波的较高值(材料特性较软)，白色到浅灰色表示归一化的3次谐波的较低值(材料特性较硬)。通过非线性磁响应测量来检测所有四个硬质相区域(hz2至hz5)，它们之间具有不同的3次谐波水平。
为了验证和测试非线性磁响应测量的灵敏度与材料硬度特性一致，沿如图16a的左图所示的虚线16b切割tmcp碳钢板。沿着虚线16b，制作一个横截面的材料样品并对其金相抛光，以及通过印压在表面以下100μm处以100克载荷对横截面进行维氏硬度测量。作为示例，在图16b的顶部图中示出了跨hz3的横截面硬度图。在横截面中，升高的硬质区具有半椭圆形，其宽度约为8.0mm、深度为1.1mm，其中硬质区内的维氏硬度平均增加40(vhn大于250)。如扫描电子显微镜图像(图16b左下方)所示，体区域(vhn小于250)中的材料微观结构是颗粒贝氏体和针状铁素体的混合，而如图16b右下方所示，升高的硬质区(vhn大于250)中的材料微观结构是粒状贝氏体和板条贝氏体的混合。根据维氏硬度测量，来自3次谐波响应的用于hz3的fwhm宽度被确定为跨同一虚线16b约为10.0mm，这与具有2mm空间分辨率的硬度测量一致。
与其他无损检查工具中的常见实践类似，熟悉该技术的人可以相对于样品中硬质冶金相的不同水平的维氏硬度(vhn)、表面面积大小和深度来校准非线性磁响应和/或3次谐波的峰值。这样，通过适当的校准，本公开的方法和系统可以用于测量维氏硬度值以及具有两个或更多个材料相的样品的材料相分数，例如具有硬质冶金相的不均匀性的磁滞材料。
前述方法可以扩展到包括但不限于螺栓、锻件、铸件等的其他钢组件的检查。
根据本公开的至少一个方面，可以不受限制地使用实施例来检测非磁滞材料中的磁滞磁性材料相。非磁滞材料可包括但不限于铝、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和高锰钢。磁滞磁性材料相的示例包括但不限于马氏体、ε马氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、板条贝氏体、针状铁素体和准多边形铁素体中的至少一种。检测非磁滞材料中的磁滞磁性材料相的第一个示例应用包括确定双相不锈钢(dss)中磁性铁素体含量的量，该量可用于对dss进行分级或用作质量控制措施。更具体地，可以确定铁素体-奥氏体dss中的δ铁素体的量，并将其用于对铁素体-奥氏体dss进行分级或者用作质量控制以确定δ铁素体的量是否落在期望的范围内。
在又一个示例中，当将奥氏体不锈钢(例如，等级304、308、316等)焊件(weldment)和奥氏体不锈钢焊接部暴露于高温时，例如，当例如管道、容器、反应器和堆焊层(weldoverlay)的精炼操作装置暴露于加氢处理条件或加氢加工条件时，可将非磁滞材料中的磁滞磁性材料相的检测用于质量控制。在这种条件下，可形成(例如，铁素体的)σ相(磁滞磁性材料相)，这会使材料变脆。本文所述的方法和装置可用于测量精炼操作装置的全部或部分中的脆性σ相的量或检测其存在或不存在。在加氢处理中，典型地，精炼操作装置及其焊接部包含奥氏体不锈钢。在加氢加工中，典型地，反应器下游的精炼操作装置包含奥氏体不锈钢，而反应器上游、之中和下游的精炼操作装置中的焊接部包含奥氏体不锈钢。加氢加工中的反应器通常由具有奥氏体钢堆焊层的cr-mo材料组成。在一些实施例中，本文所述的方法和装置还可用于测量用于制造d/s中的加氢加工反应器中的重型壁式cr-mo反应器的奥氏体不锈钢管道、容器和堆焊层的环焊接部和接缝焊接部中铁素体含量的量或检测其存在或不存在。为了防止不锈钢焊件中的焊接部凝固裂纹，铁素体含量需要满足期望的量。
在检测非磁滞材料中的磁滞磁性材料相的上述每个示例中，可以使用非磁滞材料中不同量的磁滞磁性材料相制备校准样品，以将非线性磁响应信号与磁滞磁性材料相的量或含量相关联。
根据本公开的至少一个方面，可以不受限制地使用实施例来表征焊接部的硬度。类似于关于图13a-e的公开，不同焊接部材料的vhn或布氏硬度值(bhn)可以与本文所述的非线性磁响应信号相关联。在应用表征焊接部硬度的第一个示例中，手持装置可用于测量关于焊接部(新的、旧的或已修复的)或其部分的非线性磁响应信号，然后可将其与vhn和/或bhn相关联。
应用表征焊接部硬度的另一个示例是识别电阻焊(erw)的类型(例如，低频热处理的erw、低频未热处理的erw、高频热处理的erw和高频未热处理的erw)。在该示例中，与erw的非线性磁响应信号相比，非线性磁响应信号基础管道可以与erw的类型相关联。可以通过标准校准测量来确定这种相关性。这样的方法的实现可以使用在线管线检查仪、自动或手动拉动的管线检查工具、钢厂检查工具、沟(ditch)内检查工具、手持检查装置等。在应用表征焊接部硬度的又一个示例中，是使用沟内检查来识别基础管道的硬度和管道等级。在该示例中，非线性磁响应信号可以被校准并且与基础管道的材料的硬度、拉伸和/或屈服强度相关。这种相关性可用于使用沟内检查来确定管道等级。
在应用表征焊接部硬度的又一个示例中，为修复后的焊接部(例如，接缝焊接部和/或环焊接部)的硬度。在一个示例中，修复的焊接部可以与在加氢处理和加氢加工反应器中使用的压力容器(例如，由cr-mo1/2cr钢组成)相关。修复过程可包括去除焊接部和焊接部周围的金属部分并更换/修补该区域。新形成的焊接部可选地被热处理。检查过程可包括确定修复后的焊接部(进行或不进行焊后热处理)是否满足行业标准和/或公司对焊接部硬度和/或确定焊接部中的硬质点的规定。
另一个类似的示例包括测量与21/4cr-v钢容器有关的焊接部的硬度。检查过程可包括确定制造焊接部和/或修复后的焊接部(进行或不进行焊后热处理)是否满足行业标准和/或公司对焊接部硬度和/或确定焊接部中的硬质点的规定。
另一个类似的示例包括随着时间的对焊接部硬度的管理。也就是，可以随时间检查容器、管道等，从而监视硬度和/或硬质点的位置和大小。可以使用任何合适的装置(可包括手持装置和自动履带)执行检查。检查过程可以在制造焊接部和/或修复焊接部(进行或不进行焊后热处理)上执行。
在使用与焊接部中的焊接部硬度和/或硬质点相关的非线性磁响应信号的另一实施例中，具体地，可以检查和分析焊接根和/或焊帽。在优选的例子中，该应用可以应用于立管(riser)和酸性(sour)服务管线的现场焊接。可选地，通过本文所述的非线性磁响应信号方法/装置对根焊接部的检查可以结合激光根仿形(profiling)来进行。根焊接部(例如，环焊接部根)中硬度的增加可能源于不正确的焊接程序(例如，使用cu冷却靴靠近焊接部根)中的高冷却速率和/或来自诸如cu冷却鞋的装置的焊接金属中的溶解的铜污染。
在使用与焊接部中的焊接硬度和/或硬质点相关的非线性磁响应信号的又一个示例中，可以评价背面焊接部的质量。背面焊接部是对手工进行的环焊接部的内部修复。确定背面焊接部中的硬度和/或硬质点的位置和大小可以验证背面焊接部是否符合关于硬度的行业标准和/或公司规格，或者可以确定是否需要进一步修复。此类方法的实现可以使用在线管道检查仪、自动或手动拉动的管道检查工具、手持式检查装置等。
在使用与焊接部中的焊接硬度和/或硬质点相关的非线性磁响应信号的另一个示例中，本文描述的方法和装置可以与用于检查环焊接部的用于产生环焊接部和/或超声测试缺陷的焊接缺陷结合使用。缺陷是一种自动机械，其可在管道的周围移动以产生环焊接部和/或检查环焊接部。本文所述的装置可以与缺陷结合在一起以测量在环焊接部形成后的环焊接部的非线性磁响应信号(即，使用焊接缺陷)，或者还可以测量环焊接部的超声响应(即，使用超声波测试缺陷)。
根据本公开的至少一个方面，可以不受限制地使用实施方式来表征用于生产或内管道或类似结构的材料的硬度、拉伸强度和/或屈服强度。类似于关于图13a-e的公开，用于生产或内管道或类似结构的不同材料的硬度(例如，vhn或bhn)、拉伸强度和/或屈服强度可以与本文所述的非线性磁响应信号相关。一旦确定了硬度、拉伸强度和/或屈服强度，就可以得出管道等级。这样的方法的实现可以使用在线管线检查仪、自动或手动拉动的管线检查工具、钢厂检查工具、沟内检查工具、手持检查装置等。
根据本公开的至少一个方面，实施例可以不受限制地用于检测和定位会引起应力腐蚀破裂的硬质区域(例如，冷加工区域或压痕(dents))，其降低管线和类似结构的完整性。应力腐蚀破裂是在腐蚀性环境中裂纹的形成或增长。在奥氏体不锈钢和铝合金中，氯化物(例如，nacl、kcl和mgcl2)可能是应力腐蚀破裂的源。应力腐蚀破裂通常始于表面的小裂痕(flaw)，该裂痕在断裂力学预测不应发生故障的条件下传播。能够使用无损材料检查方法或工具检测应力腐蚀破裂和/或可能导致应力腐蚀破裂的局部硬加工区(硬质区)的区域，可以减轻管线或其他结构的故障。此类方法的实现可以使用在线管道检查仪、自动或手动拉动的管道检查工具、手持式检查装置等。
如本领域技术人员将理解的，本公开的方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开的各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或结合了本文中通常可以全部被称为“电路”、“模块”或“系统”的软件和硬件方面的实施例的形式。此外，本公开的各方面可以采取在其上体现有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质中体现的计算机程序产品的形式。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子、磁性、光学，电磁、红外或半导体系统、装置或装置、或前述的任何适当组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非详尽列表)将包括以下内容：具有一根或多根电线的电气连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光学存储装置、磁存储装置或上述的任意合适组合。在本文中，计算机可读存储介质可能是任何有形介质，可以包含或存储供指令执行系统、装置或装置使用或与之结合使用的程序。
计算机可读信号介质可以包括在其中体现计算机可读程序代码的传播数据信号，例如以基带或作为载波的一部分。这种传播信号可以采用多种形式中的任何一种，包括但不限于：电磁、光学或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是不作为计算机可读存储介质的任何计算机可读介质，并且可以通信、传播或传输供指令执行系统、装置或装置使用或与其结合使用的程序。
在计算机可读介质上体现的程序代码可以使用任何适当的介质来传输，该介质包括但不限于无线、有线线、光缆、rf等或者上述的任意适当的组合。
可以以包括诸如java、smalltalk、c++等的面向对象的编程语言以及诸如“c”编程语言或类似的编程语言的常规过程编程语言、以及诸如labview、igor或类似的编程语言的可视化编程语言的一种或多种编程语言的任何组合来编写用于执行本公开各方面的操作的计算机程序代码。程序代码可以完全在用户计算机上执行、部分可以在用户计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户计算机上以及部分在远程计算机上执行、或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(lan)或广域网(wan)、或可以与外部计算机建立连接(例如，使用互联网服务提供商通过互联网进行连接)。在某些实施例中，例如在当前的管线检查仪(pig)技术中，pig上的机载计算机和处理器通过管线发送，在此期间，计算机使用预加载的指令和程序代码来控制机载发射器和传感器、执行初始分析并存储测量结果。在管道出口，用户检索pig并下载存储的数据，这些数据可以在另一台具有不同程序代码的计算机上进行被进一步分析和后处理。
上面参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。将理解，流程图的每个框图和/或框图以及流程图中的框图和/或框图的组合可以通过计算机程序指令来实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机的处理器或其他可编程数据处理装置以产生机器，从而使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个框或多个框中指定的功能/动作的装置。
这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他装置以特定方式运行，从而使存储在计算机可读介质中的指令产生制造品，包括实现流程图和/或框图的一个方框或多个方框中指定的功能/动作的指令。
计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他装置上，以使得在计算机、其他可编程装置或其他装置上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现本文指定的功能/动作的过程。
通过实验室实验和计算机模拟，已经公开了用于检测和区分具有不同磁滞曲线的铁磁材料(例如，将硬马氏体斑与软铁素体相区分开)的非线性磁性和磁声系统和方法。磁滞材料的示例包括铁磁材料(例如，钢、镍、钴等)及其某些合金，例如各种碳钢。还已经观察到，非线性磁响应依赖于材料的初始/残余磁化，并且为了避免这种复杂性，实施例包括调节材料内部磁化的有效方法。在上面的如图7a、7b和7c的讨论中，没有限制地提供了这种有效方法的示例，其中材料在垂直于小ac磁调制的方向上被外部磁化。
此外，基于基本电磁，非线性磁响应的自然导数是非线性电涡流生成。一旦与大的永久磁场耦合，该涡电流就会产生非线性机械波，从而与已评价的磁滞材料产生磁声响应。为了改善对磁异常的检测(例如，在管线检查中)，可以将非线性磁实施例结合到常规pig系统内的mfl设置中，并且可以将非线性磁声检测实施例应用于现有的emat传感器，本领域技术人员理解的。
实施例提供了前所未有的非线性磁和磁声检测，以例如识别管道中的缺陷和硬质点/区域。实施例提供了高度可区分的特征，以通过对非线性磁响应的深入理解来区分各种磁滞材料(例如，软铁素体钢/区域和硬马氏体钢/区域)。特别地，已经研究了偶数和奇数次谐波响应，并且发现了它们与材料的磁特性和状态之间的关系。另外，实施例对于现场应用是高度有利的，因为该方法可以在宽频带(例如，100hz至1mhz)上使用，这对于高速检查和深度扫描可能是非常有利的，并且实施例在低电流和无金属芯的低磁场下操作，因此相对节能。
无损管线检查的改进显著降低了管线故障和泄漏的风险。实施例为管线检查提供了方法库中的一种新工具。
如上所述并且如附图所示，本公开的方法和系统提供了具有优良性能的无损材料检查。在一个应用中，方法和系统可以用作线内检查(in-line-inspection)的无损评价工具，以识别材料相并评估来自管道内部的具有较高硬度、金属损失或裂纹的区域。在另一应用中，该方法和系统可以用作无损评价工具，以通过识别材料相并评估来自金属板表面的具有较高硬度、金属损失或裂纹的区域来筛选金属板。在又一个应用中，该方法和系统可以用作手持装置，以通过识别材料相并评估来自金属对象表面的具有较高硬度、金属损失或裂纹的区域来筛选金属管道、板、表面、焊接部和接合件。在又一个应用中，该方法和系统可以用作无损评价工具，以识别在电阻焊(erw)情况下的管线焊接部中的钢相、焊接类型和/或管线的热处理状态。另外，在另一应用中，该方法和系统可以用作无损评价工具，以通过识别材料相并评估关于立管和酸性服务管线的具有较高硬度、金属损失或裂纹的区域来检查环焊接根。
在上述应用中，材料相可包括但不限于奥氏体、马氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、板条贝氏体、针状铁素体和准多边形铁素体中的至少一种。在某些实施例中，该系统可以被结合到无损评价工具上以使用输入时变磁场询问材料以及使所接收的磁响应或声响应的时间依赖的非线性特性与材料的一种或多种材料状态相关联。无损评价工具的非限制性示例包括线内(in-line)管线检查仪、自动或手动拉动的管线检查工具、钢厂检查工具以及手持检查装置。
在某些实施例中，本申请可包括但不限于位于被询问材料的优选的附近位置处的磁发射器、磁传感器、声传感器和马蹄形磁体的多个副本。在某些实施例中，本申请包括但不限于与一个磁发射器配对的磁传感器和/或声传感器的一个或多个副本。在某些实施例中，优选的布置包括位于每个磁发射器周围和/或与每个磁发射器配对的不同位置处的磁传感器和/或声传感器的四个副本(如图9所示)。更优选的布置可包括位于每个磁发射器周围和/或与每个磁发射器配对的不同位置处的磁传感器和/或声传感器的8个副本(如图10所示)。甚至更优选的布置可包括具有不同大小且位于每个磁发射器周围和/或与每个磁发射器配对的不同位置处的磁传感器和/或声传感器的最大副本。在某些实施例中，本申请包括但不限于至少一个马蹄形磁铁，其两个腿接触被询问材料的表面。在某些实施例中，本申请包括但不限于至少一个磁发射器以及位于马蹄形磁体中心的磁传感器或声传感器中的至少一个。在某些实施例中，本申请包括但不限于可选的磁体或电磁体，以调节被询问材料中的磁化。在某些实施例中，该应用包括但不限于提供用于磁声响应的dc磁场的可选磁体或电磁体。
在某些实施例中，该应用可包括但不限于计算机控制的自动移动平台，以移动磁发射器、磁传感器和声传感器以检测不同空间位置处的磁响应或声响应。在某些实施例中，该应用可包括但不限于手动控制的平移和旋转平台，以移动磁发射器、磁传感器和声传感器以检测不同空间位置处的磁响应或声响应。在某些实施例中，该应用可包括但不限于包含至少一个磁发射器和一个磁传感器的手持装置。在某些实施方案中，本申请中的询问样品可包括但不限于低频热处理erw管道、低频未被热处理的erw管道、高频热处理的erw管道和高频未被热处理的erw管道。
示例实施例
本发明的第一实施例是一种用于确定至少一种磁滞铁磁材料和/或至少一种非磁滞材料的材料状态的方法，其中该方法包括：用输入时变磁场询问磁滞铁磁材料和/或非磁滞材料；从磁滞铁磁材料和/或非磁滞材料检测随时间的磁响应和/或声响应；确定所接收的磁响应和/或声响应的时间依赖的非线性特性；使所接收的磁响应和/或声响应的时间依赖的非线性特性与材料一种或多种材料状态相关联。可选地，该示例实施例可包括以下项中的一项或多项：元素1：其中询问磁场包括附加磁场；元素2：元素1以及其中附加磁场包括恒定dc磁场；元素3：其中，询问磁场包括消磁磁场；元素4：其中材料的一种或多种材料状态是材料相，以及其中该材料包括磁滞铁磁材料；元素5：其中材料的一种或多种材料状态是材料相，以及其中该材料包括至少一个非磁滞材料；元素6：其中，材料的一种或多种材料状态是非磁滞材料的存在，以及其中该材料包括至少一种磁滞材料；元素7：其中确定时间依赖的非线性特性包括执行频域分析以创建功率谱密度数据，该频域分析包括对接收到的磁响应和/或声响应的功率谱密度分析；元素8：元素7以及其中确定时间依赖的非线性特性包括确定功率谱密度数据中的一个或多个谐波峰值；以及元素9：元素8以及其中确定一个或多个谐波峰值包括确定谱密度数据中的一个或多个谐波系数；元素10：元素9以及其中确定一个或多个谐波系数和/或峰值包括确定谱密度数据中的奇数次谐波系数和/或峰值；元素11：元素10以及其中确定奇次谐波系数和/或峰值包括确定谱密度数据中的3次和/或5次谐波；元素12：元素11以及其中使时间依赖的非线性特性相关联包括将3次和/或5次谐波与一种或多种材料状态进行比较和相关联；元素13：元素9以及其中确定一个或多个谐波系数和/或峰值包括确定谱密度数据中的偶次谐波系数和/或峰值；元素14：元素13以及其中确定偶次谐波系数和/或峰值包括确定谱密度数据中的2次谐波；元素15：元素14以及其中使时间依赖的非线性特性相关联的步骤包括将2次谐波与附加材料信息进行比较和相关，该附加材料信息包括材料的磁化状态和材料的预先存在的剩余磁化。元素16：其中一种或多种材料状态包括磁滞铁磁材料和/或非磁滞材料的至少一种材料相的存在；元素17：其中磁滞铁磁材料包括钢，以及其中材料相包括奥氏体、马氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、板条贝氏体、针状铁素体、准多边形铁素体中的至少一种；元素18：该方法进一步包括：其中，材料的一种或多种材料状态是该材料的一种或多种第一材料状态；以不同的配置使用输入时变磁场重复询问、检测、确定以及相关联的步骤，以产生材料的一种或多种材料第二材料状态；以及组合材料的一种或多种第一材料状态和一种或多种材料第二状态以产生表示所述一种或多种材料状态的组合数据集；组合的示例包括但不限于组合元素1和3以及可选地进一步与元素2组合；组合元素4-6中的两个或更多个；元素7、8、10(可选地与元素11和12中的一个或两个)、元素13(可选地与元素14-15中的一个或两个)组合；元素16与元素4-6中的一个或多个组合，以及可选地进一步与元素17组合；元素16和17组合；元素18与元素1-17中的一个或多个组合；及其任何组合。
本发明的另一个实施例包括一种非暂时性计算机可读介质，其包括用于执行可选地具有元素1-18中的一个或多个的第一实施例的方法的指令。
本发明的又一个实施例包括一种用于检测至少一种磁滞铁磁材料和/或至少一种非磁滞材料的材料状态的装置，其中，该装置包括：至少一个磁发射器，其被配置为输出询问时变磁场；至少一个磁传感器和/或声传感器，其被配置为接收磁响应和/或声响应并将磁响应和/或声响应转换成磁响应信号和/或声响应信号；以及被配置为执行一种方法的处理器，该方法包括：从至少一个磁传感器和/或声传感器检测随时间的磁信号和/或声响应信号；确定磁信号和/或声信号的时间依赖的非线性特性；以及使磁信号和/或声信号的时间依赖的非线性特性与材料的一种或多种材料状态相关联。可选地，该实施例可以包括以下中的一项或多项：元素1；元素2；元素3；元素4；元素5；元素6；元素7；元素8；元素9；元素10；元素11；元素12；元素13；元素14；元素15；元素16；元素17；元素18；要素19：其中，该装置包括输出装置，其被配置为向用户指示材料的一种或多种状态；元素20：元素19以及其中，该装置包括指示器，该指示器表面向一个或多个附近的用户通知适当的即时实时动作，并且用户可以直接观察该指示器；元素21：元素19以及其中，该装置包括用于与用户通信的装置，这也表明向用户通知适当的即时实时操作，但是用户可能位于远程位置，并且该通信可以通过有线或无线路由进行；元素22：元素19以及其中该装置包括数据收集和存储装置，以用于稍后的检索和后处理，而不用于即时实时动作；元素23：其中，过程包括利用机载计算机实时地确定和关联磁信号和/或声信号的时间依赖的非线性特性；元素24：其中将磁信号和/或声信号存储到计算机可读存储介质以用于后处理步骤，该后处理步骤包括确定和关联磁信号和/或声信号的时间依赖的非线性特性；元素25：其中，至少一个磁传感器和/或声传感器是位于至少一个磁发射器中的每一个周围和/或与至少一个磁发射器中的每一个配对的不同位置处的磁传感器和/或声传感器的4个副本；元素26：其中至少一个磁传感器和/或声传感器是位于至少一个磁发射器中的每一个周围和/或与至少一个磁发射器中的每一个配对的不同位置处的磁传感器和/或声传感器的8个副本。组合的示例包括但不限于：元素1和3组合，以及可选地进一步与元素2组合；元素4-6中的两个或更多个组合；元素7、元素8、元素10(可选地与元素11和12中的一个或两个)、元素13(可选地与元素14-15中的一个或两个)组合；元素16与元素4-6中的一个或多个组合，以及可选地进一步与元素17组合；元素16和17组合；元素18与元素1-17中的一个或多个组合；元素1-18中的一个或多个与元素19-26中的一个或多个组合；元素19与元素20-22中的两个或更多个以及可选地元素23-24中的一个或两个组合；元素25和26组合(例如，例如在工具中一起实现的装置的两个或多个配置)；元素25和/或元素26与元素1-24中的一个或多个组合；及其任何组合。
虽然已经参考实施例示出和描述了本主题公开的装置和方法，但是本领域技术人员将容易理解，可以在不脱离本主题公开的精神和范围的情况下可对其进行修改和/或变型。
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