一种基于脉冲涡流和电磁超声复合的体缺陷无损检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于电磁和超声方法的缺陷定量无损检测技术领域，具体涉及一种基 于脉冲涡流和电磁超声复合的体缺陷无损检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着近年来我国对核电事业的大力投入，核电站数量和装机容量持续增加。然而， 2011年发生的福岛核电站事故再次证明，核电安全问题需得到社会各界人士的高度关注。 在核电站安全管理中，定期无损检测是确保系统安全运行的重要手段。核电站的一些关键 部件由于生产、使用时产生的拉应力状态及轻水堆核电站水环境影响，易萌生应力腐蚀裂 纹，同时在弯管和节流孔处经长期冲蚀也可能出现局部减薄缺陷。这些缺陷对核电结构的 安全可靠构成了现实威胁。
[0003] 电磁超声检测与传统压电超声检测同属于超声检测范畴。与传统的压电超声检测 相比，电磁超声检测由于无需媒介及与被测物体接触，具有可灵活产生各类波形，对检测工 件表面质量要求不高和检测速度快等特点，可提高检测效率，且可扩展到高温、高速和在线 检测，并且在较深的地方有较好的检测效果。然而由于电磁超声检测有一个近表面盲区，即 当缺陷近表面时，回波信号会与激励信号几乎重叠很难区分。
[0004] 脉冲涡流检测方法对于近表面缺陷有较高的精度，但是由于趋肤深度的限制，无 法准确地对更深的地方进行测量。
[0005] 经过分析研究发现，电磁超声的检出信号本身包含脉冲涡流的部分，因此如果能 够有效利用电磁超声中的涡流信号，有望实现电磁超声、脉冲涡流的复合无损检测。两种信 号的复合提取分析，可以优缺互补，提尚检测性能和效率。
[0006] 鉴于此，本发明提出了脉冲涡流和电磁超声复合无损检测方法，利用产生强静磁 场的永磁体、圆形探头、信号发生器、滤波器、电磁超声数值模拟算法以及基于频谱分析、滤 波等策略对混合检出信号进行分离提取的算法，实现对导电平板材料表面缺陷、厚度、深度 方向缺陷等的定量无损检测。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于脉冲涡流和 电磁超声复合的体缺陷无损检测方法，通过基于频谱分析、滤波等策略对混合检出信号进 行分离提取，然后对分离出的检测信号进行分别评估检测；再附加电磁超声数值模拟算法 以及基于频谱分析、滤波等策略对混合检出信号进行分离提取的算法，针对导电平板材料 表面缺陷、厚度、深度方向缺陷等的定量无损检测；具有非接触、检测效率高、检测范围大、 兼容表面缺陷和深度缺陷检测、更宽的厚度检测范围等优点。
[0008] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种基于脉冲涡流和电磁超声复合的体缺陷无损检测方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤1 :选择一个表面磁场大于0. 5T的永磁体；
[0011] 步骤2:绕制圆形线圈，该圆形线圈实现信号的自激励自检出，圆形线圈置于永磁 体与试件表面之间，永磁体和圆形线圈形成电磁超声/脉冲涡流复合探头；
[0012] 步骤3 :搭建脉冲涡流和电磁超声复合无损检测实验系统，主要包括五部分：由脉 冲信号发生器和功率放大器组成的激励信号发生装置、电磁超声/脉冲涡流复合探头、双 工器、滤波器和数据采集装置；双工器输入端连接激励信号发生装置、电磁超声/脉冲涡流 复合探头，双工器输出端连接滤波器，滤波器再连接数据采集装置；首先激励信号发生装置 中的脉冲信号发生器产生脉冲激励信号，功率放大器用来放大脉冲激励信号并传递给电磁 超声/脉冲涡流复合探头，然后电磁超声/脉冲涡流复合探头在试件表面发出放大后的脉 冲激励信号，同时又接收到检出的信号，通过双工器分离接收脉冲检出信号、再经过滤波器 滤波处理，最后通过数据采集装置对检出信号进行分离提取并分析，即得到试件的缺陷信 息；
[0013] 步骤4 :计算永磁体产生的强静磁场空间分布：
[0014] 对于永磁体，设磁化沿z轴方向，在忽略外磁场的影响下，方程（1-1)给出了铁磁 性体的非线性磁化本构关系：
[0016] 其中：μ。为真空磁导率；ez是磁体z轴方向单位矢量^为剩余磁场强度，对于理 想永磁体，剩余磁场强度民为常数；当磁体内各点磁化强度M相同时，磁化电流只分布在磁 体的表面，面电流密度j =MX en，en是磁体表面法向单位矢量；将永磁体等效为n IM线圈的 通电螺线管，则取线圈的等效电流Ic= jh/n，其中h为永磁体的高度；最后根据毕奥-萨 伐尔定律确定空间任意一点的磁感应强度B
[0018] 其中：r为距离通电螺线管轴的垂直距离；dl为等效电流元的长度；通过上式能够 得到永磁体产生的强静磁场空间分布；
[0019] 步骤5 :结合步骤4得到的强静磁场空间分布，基于退化磁矢量位法4及 Crank-Nicholson时域积分法计算出速度位移场分布、感应磁场引发的祸流场分布以及检 出信号的结果；
[0020] 对于导电介质，在准静态情况下，忽略位移电流，描述电磁场的偏微分方程为：
[0022] 式中：▽为拉普拉斯算子;A表示磁矢位；伊:为磁标势；μ为磁导率；σ为电导率； 上为源电流密度；采用棱边有限元法将上式离散为：
[0024] 由式（1-4)根据Crank-Nicholson直接积分法得：
[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为时间步长；Θ为〇~I的常数；[P]、[Q]表不系数矩阵；[R]为与时间 和脉冲激励电流源相关的数值矩阵，维度与P、Q相同；{A}表示与时间相关的向量，在计算 得到磁矢位A后，导体中脉冲涡流丄、磁场分布匕以及由脉冲涡流Je产生的检出线圈电压 信号Vpull^t的分布由下式计算：
[0028] 在磁场和涡流相互作用下产生洛仑玆力为：
[0029] fv= JeXB (1-7)
[0030] 在洛仑玆力fv的作用下，导体中会产生超声波，根据均匀各向同性介质中波动方 程有：
[0032] 式中：λ和μ是材料弹性常数；p是材料的密度；γ是材料的阻尼系数；u是质 点位移矢量；带入有限元离散再用中心差分方法得积分形式为：
[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]分别为位移矩阵、试件的质量、阻尼和刚度矩阵；
[0039] {Fs}和{Fv}分别为试件所受的表面力和体积力向量；
[0040] 通过逐步积分计算即得到任意时刻超声波传播所引起的节点的位移和速度，在超 声波传播过程中，导体会切割磁感线，导体内部会产生感应电动势ε :
[0041] ε jvXB · dl (1-10)
[0042] v为节点的速度，导体内部的感应电流密度J为：
[0043] J= σ (vXB) (1-11)
[0044] 根据聂以曼公式可得到检出线圈内的感应磁通Φ为：
[0046] 其中：R为线圈半径，dV为速度微分，根据法拉第电磁感应定律得由于超声涡流产 生的检出线圈电压信号 ^ultrasonic, * CN 105181791 A 说明书 4/8 页
[0048] 根据式（1-6)和式（1-13)即可得到最终的检出线圈混合电压信号Vtotal， t为：
[0049] Vtotal t= V pulse t+Vultrasonic t (1-14)
[0050] 步骤6:结合步骤5得到的检出线圈中的混合检出信号，对混合检出信号进行滤波 处理从而得到信号的分离提取，即分别得到电磁超声信号和脉冲涡流信号，滤波处理的过 程如下：
[0051] 首先对检出信号进行频谱分析即作傅里叶变换，
[0052] 周期为21的函数的傅里叶级数展开与其系数的计算公式如下：
[0056] 得到不同频率#的幅值，即如X
[0057] 然后设定滤波频率区间[Tl, T2]令，
[0059] 其中：Tl为高通滤波频率；T2为低通滤波频率；
[0060] 之后用式（1-15)将赋值后的各分量作傅里叶级数叠加，即得到滤波后的时域信 号；
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