[发明专利]一种电磁超声监测传感器安装点的管道表面缺陷检测方法

权利要求书

1.一种电磁超声监测传感器安装点的管道表面缺陷检测方法，其特征在于：

首先，在螺旋形线圈(6)正上方放置永磁体(5)制作由永磁体(5)和螺旋形线圈(6)组成的电磁超声监测传感器(4)，螺旋形线圈(6)为自激自检线圈，永磁体(5)产生恒定磁场；在管道试件(1)表面某处打磨干净后形成表面打磨处(7)，将电磁超声监测传感器(4)安装固定于表面打磨处(7)；所述管道试件(1)含有管道内壁减薄缺陷(2)和管道表面裂纹/腐蚀缺陷(3)，管道表面裂纹/腐蚀缺陷(3)位于电磁超声监测传感器(4)安装部位正下方的管道试件(1)表面；其次，通过脉冲涡流信号发生器对电磁超声监测传感器(4)的螺旋形线圈(6)通入脉冲激励电流，由于电磁感应，在管道试件(1)表面会产生涡流，定义为脉冲涡流；同时，脉冲涡流在永磁体(5)的恒定磁场作用下会产生洛伦兹力，从而引发试件质点振动，质点振动会向下传播，遇到界面会产生回波，质点振动会切割磁场线而产生新的涡流，定义为电磁超声涡流，螺旋形线圈(6)两端电压会发生相应的变化；如此，螺旋形线圈(6)会同时检出脉冲涡流信号和电磁超声信号，即复合检出信号；最后，采用滤波器对复合信号进行分离，从而从复合信号中分离出脉冲涡流信号和电磁超声信号；其中电磁超声信号对管道试件(1)的管道内壁减薄缺陷(2)状态进行实时监测，实现电磁超声监测传感器(4)的在线监测功能；脉冲涡流信号对管道试件(1)的管道表面裂纹/腐蚀缺陷(3)进行检测，实现对电磁超声监测传感器(4)安装部位的表面缺陷状况的检测功能；因此，只要能够利用电磁超声中的涡流信号，不但对管道内壁减薄缺陷(2)状态进行实时监测，还能有效地检测出传感器安装部位材料表面是否出现裂纹或腐蚀缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种电磁超声监测传感器安装点的管道表面缺陷检测方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1：加工管道试件(1)的管道内壁减薄缺陷(2)和管道表面裂纹/腐蚀缺陷(3)；制作电磁超声监测传感器(4)并安装于管道表面裂纹/腐蚀缺陷(3)正上方的表面打磨处(7)，电磁超声监测传感器(4)中永磁体(5)提供恒定磁场源，螺旋形线圈(6)实现信号的自激励和自检出功能；

步骤2：搭建脉冲涡流和电磁超声复合无损检测实验系统，主要包括相连接的六部分：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、电磁超声监测传感器、双工器、信号放大器、滤波器以及由示波器和数据采集系统组成的数据采集装置；双工器输入端连接激励信号发生装置、电磁超声监测传感器，双工器输出端连接信号放大器，信号放大器连接滤波器，滤波器再连接数据采集系统；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，脉冲激励信号经过激励信号发生装置中的功率放大器放大后传递给双工器，双工器又将放大后的激励信号发送给电磁超声监测传感器(4)，其次电磁超声监测传感器(4)接收到复合检出信号，复合检出信号经双工器筛选处理后发送给信号放大器将其放大，然后放大后的复合检出信号经过滤波器滤波处理，将脉冲涡流信号和电磁超声信号分离，最后将分离出的脉冲涡流信号和电磁超声信号显示于数据采集装置中的示波器，并通过数据采集装置中的数据采集系统进行采集以供分析，即得到试件的缺陷信息；

步骤3：计算永磁体(5)产生的强静磁场空间分布：

对于永磁体(5)，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：

其中：μ₀为真空磁导率；e_z是永磁体z轴方向单位矢量；B_r为剩余磁场强度，对于理想永磁体，剩余磁场强度B_r为常数；当永磁体内各点磁化强度M相同时，磁化电流只分布在永磁体的表面，面电流密度j＝M×e_n，e_n是永磁体表面法向单位矢量；将永磁体等效为n匝线圈的通电螺线管，则取线圈的等效电流I₀＝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

其中：r为空间任意一点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；

步骤4：结合步骤3得到的强静磁场空间分布，基于退化磁矢量位法A_r及Crank-Nicholson时域积分法计算出检出信号的结果；

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：

式中：为拉普拉斯算子；A表示磁矢位；为磁标势；μ为磁导率；σ为电导率；J_s为源电流密度；采用棱边有限元法将上式离散为：

由式(1-4)根据Crank-Nicholson直接积分法得：

[(1-θ)_Δt[P]+[Q]]{A}_t+Δt＝Δt{R}_t+Δt+[[Q]-θ_Δt[P]]{A}_t (1-5)式中：

Δt为时间步长；θ为0～1的常数；[P]、[Q]表示系数矩阵；[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J_e、磁场分布B_t以及由脉冲涡流J_e产生的检出线圈电压信号V_pulse,t的分布由下式计算：

在磁场和涡流相互作用下产生洛仑玆力为：

f_v＝J_e×B (1-7)

在洛仑玆力f_v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:

式中：λ和μ是材料弹性常数；ρ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：

[L]{U}_t+Δt＝[R]{U}_t+[D]{U}_t-Δt+2({Fs}_t+{Fv}_t)_Δt² (1-9)式中：

[L]＝2[M]+[C]Δt；

[S]＝4[M]-2[K]Δt 2；

[D]＝[C]Δt-2[M]；

[U]、[M]、[C]和[K]分别为位移矩阵、试件的质量、阻尼和刚度矩阵；

{Fs}和{Fv}分别为试件所受的表面力和体积力向量；

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：

v为节点的速度，导体内部的感应电流密度J为：

J＝σ(v×B) (1-11)

根据聂以曼公式得到螺旋形线圈(6)内的感应磁通Φ为：

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知由于超声涡流产生的螺旋形线圈(6)电压信号V_ultrasonic,t为：

根据式(1-6)和式(1-13)即得到最终的螺旋形线圈(6)混合电压信号V_total,t为：

V_total,t＝V_pulse,t+V_ultrasonic,t (1-14)

步骤5：结合步骤4得到的螺旋形线圈(6)中的混合检出信号，对混合检出信号进行滤波处理分离提取，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：

首先对混合检出信号进行频谱分析即作傅里叶变换，

周期为2l的函数的傅里叶级数展开与其系数的计算公式如下：

其中：

其中n＝1,2,3…

得到不同频率的幅值，即

然后设定滤波频率区间[T1,T2]，令

其中：T1为高通滤波频率；T2为低通滤波频率；

之后用式(1-15)将混合检出信号作傅里叶级数叠加，即得到滤波后的时域信号；

根据不同的脉冲激励频率通过数值模拟的结果求出对脉冲涡流信号和电磁超声信号进行分离的最优滤波频率，然后将滤波器调制到该滤波范围，将检出信号线接入滤波器，滤波结果输出到数据采集装置，数据采集装置通过分析信号就能够对不同类型缺陷进行定量的检测，同时也能够对扫描路径进行平面扫描，进行成像显示；数据采集装置通过分析信号对不同的缺陷进行的定量检测，是定点的检测，只能检测传感器所在区域的截面上缺陷的二维形状，因此通过定制扫描路径能够确定多个二维截面，这样就能够得到缺陷的三维形状。