一种适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法与流程

本发明属于缺陷检测
技术领域：
，更为具体地讲，涉及一种适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法。
背景技术：
：在汽车、核能、航空、铁路、造船等行业中，设备和零部件在制造和使用过程中，都可能产生裂纹。这些裂纹是非损伤产生的，称之为自然裂纹，例如，压力容器焊缝中的未融合、未焊透、疲劳形成的裂纹和应力腐蚀形成的裂纹，以及钢轨的滚动接触疲劳形成的裂纹(鱼鳞状剥离裂纹和斜线状裂纹)。自然裂纹存在着巨大的安全隐患，焊缝中的裂纹可能影响压力容器的致密性，造成重大事故；钢轨上疲劳形成的裂纹扩展到一定程度后，可能在火车运行过程中产生严重的脱轨事故。因此，对自然裂纹的分析和检测尤为重要。脉冲涡流热成像缺陷检测属于主动式红外热成像缺陷检测，它使用高频交变电流在被检试件表面产生涡流，根据焦耳定律，部分涡流会转化为焦耳热，在试件表面及内部传播，试件表面的温度就会发生变化。当试件中存在缺陷时，涡流会发生绕行，焦耳热分布也会产生异常，通过红外热像仪可以检测到温度的异常，进而达到缺陷检测的目的。脉冲涡流热成像缺陷检测可以捕捉到被测试件上缺陷引起的涡流场和热场的异常，进而判断出缺陷的位置和大小。检测灵敏度与感应器产生的磁场和涡流场的分布有关，比如磁场和涡流场的激励范围决定了检测系统的单次可检测面积，试件表面产生的涡流密度大小影响检测能力等。焊缝、钢轨等试件由于表面粗糙，属于复杂结构。在制造和服役过程中因为交变应力和腐蚀等作用产生的裂纹(自然裂纹)较难检测。缺陷检测中存在以下难点：一方面复杂表面会产生相应涡流场变化和温度异常，干扰被检缺陷信号，使被检缺陷信号难以提取；另一方面自然裂纹缺陷处存在粘连，其电导率并不严格为0，使得缺陷不容易被检出。如果能对试件进行均匀加热，缺陷信号可以不被噪声信号掩盖，同时微弱的缺陷信号也能被有效提取出来。因此自然裂纹检测对加热均匀性要求较高。提高加热均匀性的途径主要有两种：一是改进传感架构，二是优化激励参数。目前学者在这两个方面已经有了较大研究进展。传感架构改进方面。常见的传感架构有直导线线圈、螺旋形线圈、亥姆霍兹线圈、磁芯环绕线圈等。直导线线圈在试件表面形成一条高温带，此高温带涡流较为均匀，在垂直于线圈方向涡流场会减弱，脉冲涡流热成像缺陷检测中经常用到直导线线圈。bingao在对涡轮机进行疲劳评估时用到直导线线圈；xiaoqingli将直导线用于表面裂纹的定量检测，研究了裂纹各向尺寸对检测结果的影响。螺旋形线圈在试件表面产生辐射状磁场和环形涡流场，可用来检测不同角度缺陷。m.s.benmoussat使用螺旋形线圈检测金属材料表面缺陷。亥姆霍兹线圈通过设置合适的线圈半径和间距，在两个线圈中间区域能够产生均匀磁场，适用于小型试件检测。oswald-tranta使用亥姆霍兹线圈对金属表面缺陷进行检测，并使用相位差评估缺陷深度信息；jianpingpeng使用亥姆霍兹线圈检测钢轨滚动接触疲劳裂纹。磁芯环绕线圈在螺旋形线圈中加入了磁芯，可以使试件中产生更多的磁能。相比于单独的螺旋形线圈，能在试件表面形成更大的涡流场。jianzhao建立了磁芯环结构的理论模型，解释了其在电磁热成像检测中的优势，也用仿真和实验验证了其检测范围大、可以检测各种角度裂纹等特点。激励参数优化方面。lahiri使用低频激励检测隐藏缺陷[18]；h.shen研究了提离、激励电流、激励频率线圈匝数对于历史温度曲线的影响[19]。在用脉冲涡流热成像缺陷检测对复杂结构的自然裂纹进行检测时，由于复杂结构表面噪声信号大，且自然裂纹存在不连续性及内部粘连现象，缺陷检测结果的信噪比较低。但压力容器、钢轨等的自然裂纹危害巨大，如果不能及时准确有效地检出，不仅会造成经济损失，也可能导致人员伤亡。因此，如何进一步通过优化激励参数和传感架构，提高自然裂纹的检出率，是检测中重点考虑因素。技术实现要素：本发明针对复杂表面强噪声信号、自然裂纹不连续以及内部粘连的特点，提供一种适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法，在缺陷(自然裂纹)处在兼顾涡流密度的同时，激励出更为均匀的涡流场和温度场，以提高检测有效性和效率。为实现上述发明目的，本发明适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、采用直导线作为激励线圈，直导线与试件表面平行，且缺陷(自然裂纹)位于直导线垂直下方一侧的试件上，直导线中心到试件表面的竖直距离(提离距离)为h，直导线中心垂直下方到缺陷(自然裂纹)靠直导线一端的水平距离为m；(2)，将含缺陷区域设为目标区域，将与目标区域沿直导线一侧相邻的面积相等的非缺陷区域设为背景区域，目标区域与背景区域合并在一起构成场景区域，场景区域沿直导线前后延伸形成的区域为区间涡流热成像区域；(3)、定义评价指标：热对比度δt其中，nt、nb、ns分别表示目标区域、背景区域和场景区域的像素点个数，ns＝nt+nb，σt2、σb2分别表示目标区域内、背景区域内温度(像素值)的方差、μt、μb分别表示目标区域内、背景区域内温度(像素值)的均值；(4)、输入激励电流(高频交变电流)到直导线，用红外热像仪对区间涡流热成像区域进行温度采集，得到热图像，然后，根据热对比度δt最大的原则，确定直导线提离距离和水平距离，得到最终的缺陷检测热图像。本发明的发明目的是这样实现的：本发明适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法，对复杂表面强噪声信号、自然裂纹不连续以及内部粘连的特点，从改进传感架构入手，以新定义的评价指标即热对比度为最大原则，确定直导线提离距离和水平距离，从而确定区间涡流热成像区域。由于本发明中的热对比度考虑了目标区域和背景区域像素点的温度变化，也考虑了目标区域和背景区域的平均温度，兼顾了涡流密度以及涡流场的均匀性，对于背景噪声信号复杂的自然裂纹的检出非常有用，提高了检测的效性和效率。附图说明图1是本发明适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法一种具体实施方式流程图；图2是传感架构设置示意图；图3是图2所示传感架构设置的俯视图；图4是试件表面涡流分布曲线图；图5是不同提离距离时试件表面涡流密度分布曲线图；图6是试件表面三个具有不同涡流密度分布特点的区域示意图；图7是涡流在缺陷处绕行示意图，(a)直导线激励，(b)理想均匀激励；图8是不同提离距离的传感架构设置示意图；图9是不同水平距离的传感架构设置示意图；图10不同提离距离下表面缺陷检测的等温线图，其中，(a)h＝1+3.5mm，b)h＝2+3.5mm，(c)h＝3+3.5mm，(d)h＝4+3.5mm，(e)h＝5+3.5mm，(f)h＝10+3.5mm，(g)h＝20+3.5mm；图11是不同提离距离的表面自然裂纹检测数据曲线图；图12是不同水平距离表面缺陷检测的等温线图，其中，(a)m＝2mm，(b)m＝3mm，(c)m＝3.5mm，(d)m＝4mm，(e)m＝4.5mm，(f)m＝5mm，(g)m＝6mm；图13是不同水平距离的表面自然裂纹检测数据曲线图；图14是不同提离距离下亚表面缺陷检测的等温线图，其中，(a)h＝1+3.5mm，(b)h＝2+3.5mm，(c)h＝3+3.5mm，(d)h＝4+3.5mm，(e)h＝5+3.5mm，(f)h＝10+3.5mm，(g)h＝4+3.5mm；图15是不同水平距离亚表面缺陷检测的等温线图，(a)m＝2mm，(b)m＝3mm，(c)m＝3.5mm，(d)m＝4mm，(e)m＝4.5mm，(f)m＝5mm，(g)m＝6mm；图16是不同提离距离的亚表面自然裂纹检测数据曲线图；图17是不同水平距离的亚表面自然裂纹检测数据曲线图；图18是实验装置图；图19是焊缝的模型图；图20是焊缝中缺陷的示意图；图21是焊缝缺陷的渗透检测结果；图22是缺陷1的真实照片和放大结果，其中，(a)原始照片，(b)60倍放大结果；图23是缺陷1和缺陷2不同提离距离下的实验结果，其中，(a)h＝2mm，(b)h＝4mm，(c)h＝6mm，(d)h＝7mm，(e)h＝8mm，(f)h＝10mm；图24是缺陷3不同提离距离下的实验结果，其中，(a)h＝2mm，(b)h＝4mm，(c)h＝6mm，(d)h＝9mm；图25是缺陷1不同水平距离下的实验结果，其中，(a)m＝2.5mm，(b)m＝3.5mm，(c)m＝4.5mm，(d)m＝5.5mm，(e)m＝6.5mm；图26是缺陷4不同水平距离下的实验结果，其中，(a)m＝3.5mm，(b)m＝4.5mm，(c)m＝5.5mm，(d)m＝6.5mm。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。图1是本发明适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法一种具体实施方式流程图。在本实施例中，如图1所示，本发明适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法包括以下步骤：步骤s1：设置传感架构采用直导线作为激励线圈，直导线与试件表面平行，且缺陷(自然裂纹)位于直导线垂直下方一侧的试件上，直导线中心到试件表面的竖直距离(提离距离)为h，直导线中心垂直下方到缺陷(自然裂纹)靠直导线一端的水平距离为m。在本实施例中，传感架构设置如图2、3所示，其中，区域a为含缺陷区域即目标区域，其面积为2×1mm2，区域b为与a相邻，面积相等的非缺陷区域，即背景区域。在本实施例中，自然裂纹的形态和位置如图2、3所示，自然裂纹走向与线圈(激励线圈即直导线)垂直，因为垂直走向的自然裂纹产生的扰动较大，最容易被检出。直导线中心到试件表面的竖直距离(提离距离)为h，直导线中心垂直下方到缺陷(自然裂纹)靠直导线一端的水平距离为m。w和l分别表示自然裂纹的长度和宽度。步骤s2：选择区间涡流热成像区域将含缺陷区域设为目标区域，将与目标区域沿直导线一侧相邻的面积相等的非缺陷区域设为背景区域，目标区域与背景区域合并在一起构成场景区域，场景区域沿直导线前后延伸形成的区域为区间涡流热成像区域。johannesvrana针对激励线圈为直导线、被测试件足够大(可以近似为半无限体)的简单模型，研究了被测试件表面涡流的分布情况。结果表明在与直导线(作为激励线圈)垂直的方向上直导线两侧涡流密度的值呈现洛伦兹曲线，感应涡流的最大值在直导线正下方，如图4所示。由图4可以看出，随着试件表面某点距直导线中心距离h的增大，该点处的涡流密度逐渐减小，由开始的急剧减小变为缓慢减小。也就是说，在距离增大的过程中，涡流密度的值在减小，其减小的速率逐渐变慢。导致涡流如此分布的效应称为邻近效应。对于有限宽度的试件，由于边缘效应存在，涡流密度会在边缘处再次上升。所谓边缘效应，指的是交变电流产生交变磁场，根据电磁感应定律，会感应与电流反向的电场阻碍电流的流动，因此交变电流场的中间电流的阻力较大，而边缘电流的阻力较小，故交变电流场的中间密度较小，边缘的密度较大。本发明针对的是直导线附近涡流密度的分布，故未画出整个试件的涡流分布情况。另一方面，在一定实验条件下，绘制了不同提离距离(从上到下依次为1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，10mm，20mm的涡流密度分布曲线)的试件表面涡流密度分布曲线，如图5所示。图5中标示的提离距离为直导线中心到试件表面的垂直距离。可以看出，随着提离距离的增大，试件表面感应的涡流密度峰值在减小，涡流密度从中间向两侧的减小逐渐趋于平缓，即均匀性在增强。取试件表面一点p，图4说明了p点距离直导线的水平距离由近及远时，p点的涡流密度值减小，均匀性却在增加。图5说明了p点距离直导线的竖直提离距离由近及远时，p点的涡流密度值也在减小，均匀性在增加。改变p点和直导线的水平距离和提离距离，p点的涡流分布特点具有相似性。以上分析表明，在试件表面有三个区域，具有不同的涡流分布特点，如图6所示。a区域涡流密度较高，但均匀性较差，b区域涡流密度足够且均匀性较好，c区域虽然涡流密度均匀，但其值太小，不足以产生充足热量检测缺陷。各区间的大小受到直导线与试件竖直提离距离的影响。本发明将b区域即场景区域沿直导线前后延伸形成的区域为区间涡流热成像区域。步骤s3：定义评价指标即热对比度δt其中，nt、nb、ns分别表示目标区域、背景区域和场景区域的像素点个数，ns＝nt+nb，σt2、σb2分别表示目标区域内、背景区域内温度(像素值)的方差、μt、μb分别表示目标区域内、背景区域内温度(像素值)的均值。现有热对比度中，面积加权平均温差由目标和背景区域的平均温度计算得出，它忽略了目标和背景区域像素点的温度变化，相当于σt2＝σb2＝0；均方根温差考虑了目标区域像素点的温度，但忽略了背景的温度特性和目标区域的平均温度，即a/mm2。为了解决传统热对比度定义存在的问题，本发明提出了一种新的热对比度δt的定义方法。相比于传统的热对比度定义，本发明热对比度δt包含了目标区域和背景区域的像素点个数，以及每个像素点的温度值的均值和方差。它的定义如下：δt＝σt|s-σb|s(1)其中σt|s和σb|s分别表示在平均场景温度下的目标像素温度标准差和背景像素温度标准差。目标区域、背景区域和场景区域温度的平均值和方差定义如下：其中，pit,pib,pis分别表示目标区域、背景区域和场景的像素点的温度值，nt,nb,ns分别表示像素点个数。其中ns＝nt+nb。σt|s2和σb|s2可如下计算：式(1)中的δt可以重新表示为本发明中新的热对比度δt的定义，考虑了目标区域和背景区域像素点的温度变化，也考虑了目标区域和背景区域的平均温度兼顾了涡流密度以及涡流场的均匀性，对于背景噪声信号复杂的自然裂纹的检出非常有用，提高了检测的效性和效率。步骤s4：确定提离距离和水平距离，得到最终的缺陷检测热图像输入激励电流(高频交变电流)到直导线，用红外热像仪对区间涡流热成像区域进行温度采集，得到热图像，然后，根据热对比度δt最大的原则，确定直导线提离距离和水平距离，得到最终的缺陷检测热图像。在脉冲涡流热成像中，如果试件表面存在缺陷，由于电导率和磁导率的变化，涡流会在缺陷附近绕行。图7对比了直导线(激励线圈简称线圈)激励与理想的均匀激励两种情况下，涡流绕行的情况。带水平箭头的线表示涡流，其粗细表示涡流密度的大小。图7(a)中，缺陷的两端由于距直导线距离不同，周围区域涡流密度的值不同，产生的扰动也不同。而图7(b)中，缺陷两端周围区域涡流密度值相同，产生的扰动也在同一个数量级。如果缺陷尺寸较大，由于缺陷引起的扰动很强，采用直导线激励时，即使距离直导线较近，缺陷处也会有明显的温度异常，可以通过热像仪进行捕捉。但对于自然裂纹(缺陷)而言，由于缺陷尺寸小，引起的涡流场扰动小，因此采用直导线激励时，涡流密度的不均匀性带来的影响不能忽略。缺陷距离直导线较近的一侧(简称近侧)周围区域涡流密度大，但由于变化剧烈，其产生的扰动不容易被捕捉。而缺陷距离直导线较远的一侧(简称远侧)周围区域涡流密度小，但分布较为均匀，在涡流密度值足够检测的情况下，扰动可以被捕捉到，从而识别出缺陷。涡流的强度和涡流分布的均匀性共同决定缺陷能否被检测，对于自然裂纹的检测而言，不仅要保证涡流强度，还要尽可能使涡流的分布较为均匀。均匀的涡流场产生均匀的热场，有助于缺陷检测和评估。尤其针对自然裂纹，对微弱信号的提取具有重要意义。根据以上分析，选择一个涡流密度足够且分布均匀的区域，可以有效减少涡流边界的不均匀性对裂纹(尤其是自然裂纹)检测的影响，即图6中的b区域。以上研究也表明，与缺陷的相对位置对检测结果有不可忽视的影响，当缺陷位置已知时，可以直接根据上述原则，选择合适的直导线摆放位置。当缺陷位置未知时，可以使直导线在试件表面低速扫描，则直导线经过的区域必然覆盖最佳检测区域即区间涡流热成像区域。一、仿真实验(1)、仿真实验设置为进一步研究试件表面某点距直导线中心的水平和竖直距离对该点涡流密度的影响，采用comsol软件对表面和亚表面的微小缺陷进行了仿真。仿真采用的激励线圈为直导线，其半径为3.5mm，长度200mm。激励频率为256khz，激励电流300a，初始温度为293.15k，加热时间300ms。试件的电磁参数如表1所示。参数值电导率(s/m)1.370e7相对磁导率1密度(kg/m3)8030比热容(j/(kgk))502热导率(w/(mk))12.1表1激励时间的选择依据：单位时间单位体积激励源产生的涡流能量恒定，随着激励的进行，试件表面的温度升高。由于热扩散的存在，在加热阶段结束时，试件中产生的热量逐渐趋于稳定。若不停止激励，试件上的温度会缓慢上升，温度的变化率较低，对检测效果的提升没有意义。最佳加热时间的选取取决于涡流与热扩散作用达到平衡的时间，同时还与相机分辨率及试件的耐热度有关。本仿真中选择了较小的激励时间300ms。激励电流的选择依据：试件表面的温升与激励电流大小成正比。激励电流越大，热扩散也越剧烈。那么在不影响材料的情况下，缺陷处与非缺陷处的热对比度、热模式、信噪比都会增强，所以在本仿真中，激励电流应该偏大选择。本仿真中设定激励电流为300a。自然裂纹的尺寸很小，通常在微米数量级，因此仿真中设定自然裂纹的尺寸为长度1mm×宽度0.2mm×深度0.3mm。所述根据热对比度δt最大的原则，确定直导线提离距离和水平距离为：固定直导线提离距离，改变水平距离，热对比度δt最大时，确定水平距离或固定直导线水平距离，改变提离距离，热对比度δt最大时，确定提离距离。改变提离距离h和水平距离m，即可研究直导线到裂纹的不同竖直距离和不同水平距离的情况，如图8和图9所示。(2)、表面缺陷不同提离距离仿真实验为了研究提离距离对涡流场和热场分布的影响，对直导线和表面缺陷不同提离距离的情况(提离距离h为1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，10mm，20mm)进行仿真，得到的等温线图如图10所示。图10中，白色点划线表示直导线中心线，从图10(a)到图10(g)提离距离逐渐增大。可以明显看到，随着提离距离的增大，图10中最高温度从293.43℃(图10(a))降到了293.15℃(图10(g))。图10(a)中温度变化也较大，从直导线到两侧迅速减小，等温线图按照温度值分为了9层，图10(b)(c)中等温线图的层数相当，图10(e)中分为了5层，图10(f)中只有3层，而图10(g)温度相等。另一方面，缺陷距直导线较近的一端处的热点由最开始的被淹没变为逐渐分离出来，图10(a)中热点几乎完全被淹没，图10(c)开始逐渐从周围的高温区域分离出来，直到最后成为一个热点(图10(g))。为了对比不同提离距离下自然裂纹的检测效果，计算了每种提离距离下无缺陷试件表面涡流密度的均值、方差，其中均值表示涡流场的强弱，方差表示涡流场的均匀性。并计算了有缺陷试件中缺陷区域与非缺陷区域的热对比度(本发明中新提出的δt)，其数值如表2所示，并将不同提离距离下的变化绘制在图11中。表2是不同提离距离的表面自然裂纹检测数据.提离距离(mm)涡流均值(a/mm2)涡流方差δt116.88890.48980.0723214.21650.38090.0759312.18840.31760.0766410.58060.28490.072659.22330.25630.0682105.37280.16290.0464202.06220.06620.0187表2图11是不同提离距离的表面自然裂纹检测数据曲线图。由表2和图10可知，随着提离距离的增大，涡流密度均值下降，其值由16.8889a/mm2下降至2.0622a/mm2。且在1mm到10mm阶段涡流密度下降较快，在10mm以后下降变慢。整体来看，涡流场在减弱。另一方面，随着提离距离的增大，涡流密度的方差由0.4898下降到了0.0662，整体在减小，即涡流场的均匀性在增强。提离距离增大的过程中，缺陷与非缺陷区域的热对比度由0.0723上升到了0.766，随后又下降到了0.0187，即δt先增大后减小，在3mm处达到峰值。涡流强度大和涡流分布均匀是对缺陷检测有利的，在提离距离增大的过程中，两者相互竞争。在提离距离由1mm增至3mm时，涡流密度的值在减小，涡流分布均匀性在增强，而最终的热对比度是增大的，说明这个阶段涡流密度均匀性成为决定热对比度的主要因素，使得热对比度增大，其影响大于涡流强度的影响。在提离大于3mm后，涡流密度的值减小，均匀性仍在增强，最终的热对比度是减小的，表明这个阶段，强度成为决定热对比度的主要因素，使得热对比度较低，其影响大于均匀性。(3)、表面缺陷不同水平距离仿真实验涡流密度和涡流场均匀性共同影响热对比度，由于不同水平距离下涡流密度和均匀性的变化也不是一致的，故对不同水平距离的情况进行仿真。由图5的分析可知，如果提离太小，涡流降低太快，均匀性带来的影响容易被忽略，因此应该选择较大的提离，以平衡涡流密度和均匀性，所以此处固定提离距离为5mm。由于激励电流越大，试件中感应到的涡流密度值越大，故激励电流选择为900a。得到的等温线图如图12所示。从图12可以看出，缺陷下端由于扰动产生了高温区域，在水平距离为2mm到3.5mm时，其被直导线产生的热淹没。在水平距离为3mm和4.5mm时，缺陷下端的热点从噪声中分离出来。继续增大水平距离时，由于感应的涡流密度较小，不能在缺陷处产生足够的扰动，缺陷下端不能观察到热点。对不同水平距离下，无缺陷试件表面的涡流密度均值和方差，以及有缺陷试件的热对比度进行计算，计算结果如表3所示，表3为不同水平距离的表面自然裂纹检测数据，并将不同水平距离下的变化绘制在图13中。表3从表3和图13中可以发现，随着水平距离的增大，涡流密度值由24.3034a/mm2减小至16.4531a/mm2，在水平距离从2mm到5mm时减小较快，在5mm以后减小变慢。整体上涡流密度减小，涡流场在减弱。随着水平距离的增大，在3mm以内，涡流密度方差变化不大，事实上由于本发明所说的水平距离是从直导线中心线开始算的，而直导线的半径为3.5mm，根据交变电流场的边缘效应，直导线上的电流也集中在直导线的外侧。此处的3mm就是直导线半径内区域在试件表面的映射。在3mm以后，涡流密度的方差由2.2642减小至1.7500，均匀性在增强。在水平距离增大的过程中，最终的缺陷热对比度δt不是单调变化的，这和之前提离距离变化的分析类似，是由于涡流密度和均匀性共同作用，有时前者起主要作用，使得热对比度上升，有时后者起主要作用，使得热对比度降低。以上仿真结果表明，当增加直导线与自然裂纹的竖直提离距离和水平距离时，涡流密度减小，涡流分布的均匀性增强。在这个过程中，涡流密度和均匀性共同影响检测结果。通常先是均匀性影响检测结果(自然裂纹由于扰动小对于均匀性的要求较高)，随后涡流密度不足影响检测结果。因此，检测的关键在于选取合适的区域，使其具有相对较高的涡流分布均匀性和足够的涡流密度值。在上述表面缺陷的仿真中，可以得到如下结论：1、固定较小的水平距离时，最优的竖直提离距离为3mm；2、固定竖直提离距离为5mm时，最优的水平距离为4mm。(4)、亚表面缺陷不同提离距离和不同水平距离的仿真实验为了研究上述结论对于亚表面缺陷是否成立，进行了隐藏深度为0.01mm的亚表面缺陷的仿真。不同提离距离和不同水平距离下的等温线图分别如图14和15所示。无缺陷试件的涡流密度均值和涡流分布方差以及有缺陷试件的热对比度数据绘制在图16和图17中。从等温线图14和检测数据曲线图16中可以看到，随着直导线与亚表面缺陷竖直提离距离的增大，激励的最高温度值降低，温度的范围层级由多变少，与表面缺陷不同提离情况下的结论相同。另一方面，涡流密度的值减小，涡流分布的均匀性逐渐增强且趋于稳定。当提离距离从1mm增至10mm时，涡流密度的值下降，均匀性先增强后稳定，而最终的热对比度先是忽高忽低，而后略有上升，说明均匀性在起主要作用；当提离距离大于10mm时，涡流密度的值降低，涡流分布均匀性增强，最终的热对比度减小，说明涡流密度开始影响检测结果。从等温线图15和检测数据曲线图17中看出，当水平距离增大时，涡流密度减小，涡流分布的均匀性不是单调变化的，热对比度在水平距离为3.5mm处最高。热对比度的峰值点是在涡流密度方差曲线的极小值，这反映了在涡流密度峰值减小、均匀性非单调变化情况下，较均匀的区域更利于缺陷的检测。上述分析表明，亚表面缺陷同样满足区间涡流理论，即随着直导线与缺陷竖直距离和水平距离的增大，无缺陷试件表面涡流场减弱，涡流分布均匀性整体增强。两者共同影响含缺陷试件中缺陷与非缺陷区域的热对比度，当涡流场强，均匀性差时，涡流边界处的变化较大，缺陷信号可能被涡流场自身的变化淹没；当均匀性好，涡流场弱时，缺陷信号产生的扰动太小，也难以从直导线产生的热信号中分离，只有涡流场够强且较为均匀时，能够以较高的热对比度检出缺陷。这种现象对于自然裂纹检测尤为明显，由于自然裂纹尺寸小，既需要涡流密度较大以引起足够扰动，又需要涡流场均匀以减少涡流边界不均匀性对其微小扰动带来的影响。二、检测实验(1)、实验系统介绍在本实施例中，实验装置如图18所示，包括功率发生器、水冷、感应加热装置、红外热像仪和pc。热像仪的温度分辨率为0.08k，帧频选择200hz，因为最佳的自然裂纹检测与量化阶段的时间量级是10-4s，选择最大帧频200hz接近该时间量级，可以使自然裂纹检测结果最优。激励电流选择为480a，是实验室所用功率发生器的最大电流。改变激励时间会影响温度分布和加热效率，增加激励时间对检测产生作用不大，因为最佳观测时间在激励刚开始时，故激励时间选择300ms。热像仪为flir公司生产的sc655红外热像仪，该设备采用非制冷型成像传感器，设备的分辨率为640×120，帧频最大200hz，温度灵敏度≤50mk。电磁感应激励源采用美国ameritherm生产的easyheat0224，其功率为2.4kw，最大电流480a，激励频率范围150-400khz。触发器产生的两路脉冲可以同时控制热像仪和功率发生器。冷却装置采用水冷，参数为流量240l/h，功率1.6kw。实验中首先选择感应器直导线，设置好直导线与试件的相对位置；然后打开pc机、水冷和功率发生器，注意直导线是否拧紧，不能漏水；根据实验情况设置激励电流、激励时间；在热像仪上位软件设置文件保存位置、触发器触发方式、热像仪帧频及热像仪录制时间；开始激励，记录试件表面的温度信息。(2)、焊缝自然裂纹试件说明被测试件为压力容器焊缝。压力容器等特种设备的焊缝近表面积聚的应力会形成极为微小的自然裂纹，其宽度可小至微米量级并且数量未知，具有隐蔽性和危险性，在服役过程中由于长期受到机械载荷和环境影响，微纹容易加速生长，引发事故。所以对其进行检测非常具有意义。浅表层微纹存在闭合特性，角度未知，成簇出现，缝隙存在物质填充，为电磁热成像检测灵敏度带来挑战。图19为焊缝的模型图，扇形区域为焊缝区域，焊缝的余高为2mm，本实验中的提离h指的是直导线到母材的距离。由模型图可知，焊材部分的提离和母材部分不同，则感应得到的涡流密度有差别，加上焊缝表面焊波的纹路，都对检测增加了难度。焊缝中缺陷的示意图如图20所示。图21为缺陷的渗透检测结果，由于渗透检测结果将真实缺陷放大显示，真实的缺陷几乎是肉眼不可见的。缺陷1的照片及60倍显微放大结果见图22。真实缺陷的尺寸很小，在检测中对涡流场的均匀性要求很高。另外，从缺陷的放大结果可以看出缺陷是不连续的，且内部存在粘连，因此，缺陷处的电导率不严格为0，这也给缺陷检测增大了难度。同时，缺陷的热模式和人工裂纹有所不同，例如，人工裂纹在缺陷的尖端处点亮，存在热区和冷区。但不连续的自然裂纹在其连续点处及内部粘连处电导率较大，对应的，也会产生热点。本实施例对焊缝自然裂纹在不同提离距离和不同水平距离下进行了电磁热成像检测的实验，以验证区间涡流理论对于自然裂纹检测是否有效，并寻求提高自然裂纹检测效果的方法。(3)、焊缝自然裂纹不同提离高度下的实验为了验证不同提离距离对自然裂纹检测的影响，将直导线置于缺陷正上方，对缺陷1、缺陷2及缺陷3进行了不同提离距离下的实验。a.、缺陷1和缺陷2不同提离距离下的实验缺陷1和缺陷2在不同提离距离(2mm，4mm，6mm，7mm，8mm，10mm)下的实验结果如图23所示。不同于人工裂纹在缺陷尖端处点亮，这两个缺陷均是整个区域被点亮。在图23(a)中，提离距离太小，缺陷信号很微弱，被淹没在噪声中；在图23(b)和(c)中，缺陷1和缺陷2部分被噪声淹没；在图23(d)中，缺陷信号很强，可以从噪声中分离出来；在图23(e)和(f)中，缺陷信号和噪声信号都很微弱。因此，本组实验中，最优的提离距离为7mm。图23中黑色虚线区域是直导线激励在试件上产生的高温区，由于焊缝余高的存在，焊材处和母材处提离不同。本实施例中提离均指直导线到母材的提离，此提离较小时，焊材处和母材处高温区域不在一条线上(图23(c))，提离再增大时，余高的影响变小，焊材处和母材处的高温区域在一条直线上(图23(d)(e)(f))。图23(c)中缺陷信号被焊材上的高温区域所覆盖，难以从强噪声信号中提取出来，而图23(d)中缺陷信号在焊材上的高温区域外，和噪声信号分离。本实验中，检测到缺陷的关键在于使此带状高温区域不覆盖缺陷信号。在提离距离增大过程中，提离为2mm时，直导线紧贴焊缝表面，在焊缝表面产生高温区域，此时的涡流分布不够均匀，因此缺陷的扰动不如直导线产生的涡流场自身边界的变化，缺陷几乎被淹没；提离为4mm和6mm时，涡流分布仍不够均匀，缺陷温度信号被淹没；提离为7mm时，涡流分布较为均匀，缺陷温度信号强度增加，可以从强度相当的噪声信号中分离出来；提离为8mm和10mm时，涡流分布的均匀性更好，焊缝表面的噪声信号很弱，但是缺陷温度信号也因为涡流密度不够较弱。表4表4缺陷1和缺陷2不同提离距离下的热对比度。该组实验的热对比度计算结果如表4所示，从表4中可以发现，在提离距离增大的过程中，缺陷1和缺陷2的热对比度总体上先增大后减小，在提离为7mm时达到最大。这与上述对实验热图的分析是一致的。本组实验最佳的提离距离为7mm。b.缺陷3不同提离距离下的实验缺陷3在不同提离距离(2mm，4mm，6mm，9mm)下的实验结果如图24所示。在图24(a)中，缺陷3大部分被淹没在直导线产生的带状区域中，仅能看到缺陷的一个端点；图24(b)中，直导线未在试件上产生如图24(a)的带状区域，仅焊缝表面有一个椭圆形的高温区域，缺陷3可以被清晰地看到；图24(c)中，焊缝表面的高温区域形状为圆形，其信号较强，缺陷3可以检测出，但信号较为微弱；图24(d)中，由于焊缝表面的噪声信号太强，覆盖了缺陷3的信号，仅能看到缺陷3上的一个热点。也就是说，在提离距离由2mm增至9mm时，首先，涡流密度很大，缺陷3被直导线产生的强信号淹没(图24(a))；然后，涡流密度减弱使得噪声信号变弱，均匀性变好使得缺陷信号增强，此时缺陷信号和该噪声信号强度相当，缺陷可以被清晰地看到(图24(b))；最后，均匀性虽在增强，涡流密度太弱，使得缺陷周围仅有很小的扰动，此时缺陷信号强度弱于噪声信号，缺陷能够被微弱地检出(图24(c))，直至基本检不出(图24(d))。提离距离h＝2mmh＝4mmh＝6mmh＝9mm热对比度0.00870.09680.04260.0035表5表5缺陷3不同提离距离下的热对比度。该组实验的热对比度计算结果如表5所示。在提离为2mm及提离为9mm时，热对比度均很低。提离为4mm时的热对比度为0.0968，提离为6mm时热对比度为0.0426。所以，本组实验中最佳的提离距离为4mm。(4)、焊缝自然裂纹不同水平距离下的实验类似提离距离的实验，设置提离距离为2mm，即直导线紧贴焊缝表面，对缺陷1及缺陷4做了不同水平距离下的实验。a.缺陷1不同水平距离下的实验缺陷1在不同水平距离(2.5mm，3.5mm，4.5mm，5.5mm，6.5mm)情况下的实验结果如图25所示。在图25(a)和(b)中，涡流密度很大，直导线附近的温度信号很强，而由于均匀性较差，缺陷1的温度信号较弱，因此缺陷1被部分淹没；在图25(c)和(d)中，涡流密度的减小使得直导线附近温度信号减弱，同时涡流分布均匀性的增强使得缺陷1的温度信号增强，两者相当，可以看到缺陷1；图25(e)中，涡流密度的值太小，在缺陷1附近几乎观测不到直导线产生的温度信号，但缺陷1温度信号也太微弱，无法检出。水平距离m＝2.5mmm＝3.5mmm＝4.5mmm＝5.5mmm＝6.5mm热对比度0.01720.03900.09960.11060.0070表6表6缺陷1不同水平距离下的热对比度。该组实验的热对比度计算结果如表6所示。从热对比度上来看，在水平距离为6.5mm时，热对比度最低。水平距离为2.5mm和3.5mm时，热对比度稍大。水平距离为4.5mm及5.5mm时，热对比度较高，其中5.5mm时的热对比度最高。本组实验最佳的水平距离为5.5mm。b.缺陷4不同水平距离下的实验缺陷4在不同水平距离(3.5mm，4.5mm，5.5mm，6.5mm)下的实验结果如图26所示。图中白色虚线表示缺陷4所在的矩形区域，缺陷4靠近直导线的部分被淹没，远离直导线的尖端用白色箭头标出。水平距离太小时，尖端被淹没(如图26(a))或者不能从噪声信号中完全分离出来(如图26(b))，水平距离太大时，缺陷信号过于微弱，难以检出(如图26(d))，仅在水平距离较为适中的图26(c)中可以看到该尖端。由于该组实验热图中仅能看到缺陷尖端，不再计算热对比度。本组实验最佳的水平距离也为5.5mm。(5)、焊缝自然裂纹实验结果分析以上的实验结果表明，不同提离距离和不同水平距离下，焊缝自然裂纹的实验与前述自然裂纹仿真结果一致，均满足区间涡流效应。随着提离距离和水平距离的增大，试件表面涡流密度减弱，均匀性变好。因此，试件表面有三个区域，离直导线最近的a区涡流密度最强，但均匀性较差；离直导线最远的c区涡流密度太低，不足以检出缺陷；中间的b区既有足够的涡流密度，涡流场又比较均匀。由于自然裂纹对检测的均匀性要求较高，最佳检测区域的选择至关重要。表7表7是本实施例中，仿真和实验结果中的最优检测距离。水平距离为0表示直导线在缺陷正上方。从表7中可以看出，无论是固定水平距离得到的最佳提离距离，还是固定提离距离确定的最佳水平距离，其值在不同实验条件下不固定。材料磁导率、激励电流大小和缺陷尺寸均是最佳提离和距离的影响因素。材料磁导率和激励电流大小影响涡流分布，缺陷尺寸影响缺陷尖端扰动大小，因此对均匀性的要求不同。所以，检测区域的确定是一个较为复杂的问题。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本
技术领域：
的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本
技术领域：
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。当前第1页12