一种测量铁磁构件壁厚相对变化量的脉冲涡流检测方法
【专利摘要】一种测量铁磁构件壁厚相对变化量的脉冲涡流检测方法，它有三大步骤：步骤一：被检铁磁构件的脉冲涡流检测信号的获取；步骤二：被检铁磁构件参数的反演；步骤三：利用壁厚的反演结果，测量被检铁磁构件上不同检测点处壁厚相对变化量。本发明是在现有脉冲涡流电磁无损检测系统的计算机中实现。在被检铁磁构件脉冲涡流检测模型时域解析解的基础上，利用感应电压测量曲线，建立时域感应电压信号测量值与理论计算值之间的最小二乘问题来反演被检铁磁构件的壁厚与磁导率；利用被检铁磁构件上两个检测点壁厚反演结果的比值，来得到壁厚的相对变化量，从而描绘出被检构件壁厚的相对变化，快速、精确地检测出铁磁构件壁厚被腐蚀的情况。
【专利说明】-种测量铁磁构件壁厚相对变化量的脉冲祸流检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量铁磁构件壁厚相对变化量的脉冲润流检测方法，属于电磁无 损检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在工业领域，大量使用铁磁性管道和压力容器来输送和存储具有高温、高压、腐蚀 性的液体或气体介质，铁磁管道和压力容器的腐蚀十分普遍。腐蚀导致铁磁管道和压力容 器的壁厚减薄，承压性能下降，造成泄漏、爆炸等事故，带来人员伤亡和经济损失。因此需要 定期对被检构件（如铁磁管道和压力容器）的腐蚀情况实施在役无损检测和评估。
[0003] 脉冲润流法是一种可W在包覆层外在役检测被检构件壁厚的电磁无损检测方法。 W脉冲电流激励代替正弦电流激励，在被检构件外激发出脉冲磁场，使被检构件内感应出 脉冲润流，然后通过检测此脉冲润流电磁场的衰减过程，来评估被检构件壁厚的腐蚀程度。 如何从脉冲润流检测信号，确定被检铁磁构件的壁厚减薄，是脉冲润流检测信号处理的关 键。
[0004] 现有的铁磁构件脉冲润流检测技术，多通过从检测信号中提取特征量的方法来对 构件壁厚实施检测。例如，W感应电压信号在双对数坐标系下的特征衰减时间T作为检测 特征量来检测铁磁构件壁厚d的相对变化，其中T=ytO(f，y。为真空磁导率，yt为 被检构件的相对磁导率，O为被检构件的电导率；或者是提取差分信号峰值时间、峰值大 小等信号特征量来检测铁磁构件的壁厚。该些方法的优点是信号处理操作简单、速度快；但 一般不能给出特征量的具体表达式和物理含义，检测特征量不能有效反映整条信号曲线的 信息，导致检测结果容易受到铁磁构件电导率、磁导率等因素变化的影响。
[0005] 为了在现有脉冲润流检测系统中对被检铁磁构件的壁厚相对量进行更准确的脉 冲润流检测，需要提出一种更加有效的方法来充分利用脉冲润流电磁场的整个衰减过程， W此来评估被检构件壁厚的腐蚀程度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种测量铁磁构件壁厚相对变化量的脉冲润流检测方法， 该方法是在现有脉冲润流电磁无损检测系统的计算机中实现的。在被检铁磁构件脉冲润 流检测模型时域解析解的基础上，利用感应电压测量曲线，建立时域感应电压信号测量值 与理论计算值之间的最小二乘问题来反演被检铁磁构件的壁厚与磁导率；最后利用被检 铁磁构件上两个检测点处壁厚反演结果的比值，来得到该两个检测点壁厚的相对变化量
【权利要求】
1. 一种测量铁磁构件壁厚相对变化量的脉冲涡流检测方法，其特征在于：该方法具体 步骤如下： 步骤一：被检铁磁构件的脉冲涡流检测信号的获取即SAP : 将空心圆柱线圈探头置于带包覆层的被检铁磁构件上，被检铁磁构件上的检测点记为 Q，被检铁磁构件上的第j个检测点记为％，下标j为检测点Q的标识号，被检铁磁构件上的 下一个检测点记为Qj+1，j = 1，2,......，N, N为自然数；被检铁磁构件上检测点Qj的壁厚记 为屯下一个检测点Qp1的壁厚记为C^1，线圈探头的提离距离为1 ;脉冲涡流检测信号的获 取步骤为： 步骤SAP-1，将空心圆柱线圈探头垂直放置于被检铁磁构件检测点包覆层外，线圈探头 下边缘与被检铁磁构件上表面之间的提离距离为1 ; 步骤SAP-2,激励线圈的两端接入脉冲电流激励源，检测线圈的两端接入数据采集卡； 步骤SAP-3,用计算机控制脉冲激励源输出持续脉宽为10?5000ms，幅值为0. 1?20A 的稳定电流1〇,在检测起始时刻即t = 0,关断激励电流，得到快速下降的脉冲激励电流下 降沿； 步骤SAP-4,用数据采集卡采集激励电流关断后，在一个采样时间T，T = IOms?Is里， 检测线圈两端的感应电压时域信号u(t)，并将采集得到的感应电压信号u(t)存储到计算 机内； 步骤二：被检铁磁构件参数的反演方法即PIP : 按照SAP步骤采集得到检测线圈两端的感应电压后，如何由检测信号反演出被检构件 上检测点％处壁厚4的变化是壁厚腐蚀脉冲涡流检测中信号处理的关键，当激励线圈中通 入脉冲激励电流i(t)时，检测线圈两端的感应电压时域表达式：
n取值为3. 14 ; e为自然对数的底，取值为2. 72 ; 〇为被检铁磁构件的电导率，单位为S/m; d为被检铁磁构件上检测点Q的壁厚，单位为m ; U Q为真空磁导率，取值为4 Ji X KTWm ; 为被检铁磁构件的相对磁导率； b为铁磁平板涡流场模型的截断边界，单位为m ; 入i表示一阶贝塞尔函数J1 (b X J = 〇的第i个正根； Jtl(X)表示第一类0阶贝塞尔函数；
i (t)为脉冲激励电流,单位为A ; i' (t)表示脉冲激励电流对时间的导数； "" 表示卷积运算./;⑴*./;⑴=f:./; (r)./2 (f- r)dr ; J O Cd为激励线圈的线圈系数，Cp为检测线圈的线圈系数； 基于上述铁磁平板脉冲涡流检测模型感应电压的时域解析解，建立感应电压时域信号 测量值与理论计算值之间的最小二乘问题，对检测点％处的壁厚、电导率和磁导率参数进 行反演，具体步骤如下： 步骤PIP-1，将被检铁磁构件检测点处的壁厚4和相对磁导率设为未知参数， 即有待反演的参数向量X = (d, Ii Jt ; 步骤PIP-2,按照SAP步骤，在被检构件上检测点％处，数据采集卡采集得到的检测线 圈两端的时域感应电压测量数据为U1J1), (t2, U2)，…，（tm，Unl)，将其与式⑴计算的感应 电压理论值u(x，t)比较，令感应电压信号测量值与计算值之间的误差平方和最小来反演 参数X，即建立最小二乘问题：
记残量函数^(X)= %-(叫）=fl ,，并记残量函数向量r(X)= Cr1 (X)，r2 (X)，? ? ?，rm (X))T ; 步骤PIP-3,在计算机中，利用迭代算法，求解出最小二乘问题（2)的最优解x%迭代算 法的计算步骤为： (1) 给定初始点其中d⑴=1?30mm，片w=2〇?500 ,允许误差e> 〇, 一般取 e = 1〇_3,置 k = 1 ; (2) 将第k步的参数向量，，代入计算式⑴中，计算出每个时间点心 的感应电压理论值u (x(k)，U，然后与感应电压的测量值Ui作差，计算出残量函数值 Ti(X0d) = Ui-U(X0i), t)，i = 1，2, 并得到残量函数向量r(k);然后进一步由式（1)计算出感应电压理论曲线对壁厚d的一 阶偏导数
求得方向向量b(k); (4) 从参数向量x(k)出发，沿b(k)作一维搜索，求出步长ak，使得
并令 x(k+i) =x(k)+akb(k)； (5) 若I |x(k+1)-x(k)| I彡e，则停止计算，得到最小二乘问题⑵的最优解= x(k+1); 否则，置k: = k+1，返回步骤（2); 由上述迭代算法求解出最小二乘问题（2)的最优解V= 后，即得到被检构件 上检测点％处壁厚的反演结果 <，相对磁导率的反演结果丨；将壁厚反演结果:< 与检测 点％的位置信息对应起来，保存到计算机中； 步骤三：利用壁厚的反演结果，测量被检铁磁构件上不同检测点处壁厚相对变化量： 对铁磁构件实施脉冲涡流检测的目的是通过感应电压时域信号的衰减过程，来评估壁 厚的腐蚀程度，因此，通过检测信号的反演结果，来确定被检铁磁构件壁厚的变化，是脉冲 涡流检测的最终目的；被检铁磁构件的电导率〇很难直接测得，而且其容易受构件温度、 材料微观组织因素的影响，也很难用标准试件对其进行标定，从被检铁磁构件上任意找两 个检测点，通过将两个检测点处壁厚反演结果作比，来消除被检构件电导率的影响，从而测 量出被检铁磁构件不同检测点壁厚的相对变化，具体实施步骤为： 步骤1 :将空心圆柱线圈探头置于被检铁磁构件上检测点Qj处，检测点Qj的壁厚记为 dJ ; 步骤2 :按照SAP步骤，对检测点％实施脉冲涡流检测，并将采集得到的检测线圈两端 感应电压时域信号数据（!^,U1), (t2，u2)，…，（tm，um)u(t)存储于计算机中； 步骤3 :按照PIP步骤，利用检测点％处检测信号建立最小二乘问题，并反演出检测点 Qj的壁厚和相对磁导率，为检测点％处壁厚的反演结果，为检测点％处相对磁导率 的反演结果，最后将这两个反演结果与检测点％的位置信息对应起来，存储于计算机中； 步骤4 :将空心线圈探头移至被检铁磁构件的下一检测点Qp1，重复步骤2和步骤3,得 到下一检测点％+1的壁厚和相对磁导率反演结果，<+1 .为检测点Qm处壁厚的反演结果，￥ 为检测点Qp1处相对磁导率的反演结果，最后将这两个反演结果与检测点Qp1的位置信息 对应起来，存储于计算机中； 步骤5 :将检测点Qi处壁厚反演结果 < 与下一检测点Qi+1处壁厚反演结果<+1作比，得
由此计算出后一检测点Qj+1处的壁厚相对于前一检测点Qj处壁厚的相对变化量后，将 检测结果与检测点的位置信息对应起来，保存到计算机中，直至描绘出整个被检铁磁构件 壁厚相对于前一检测点％的壁厚的相对变化情况，从而找出被检铁磁构件壁厚腐蚀减薄的 位置，并对壁厚腐蚀程度进行定量评估。
【文档编号】G01B7/06GK104359389SQ201410617338
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】陈兴乐, 雷银照 申请人:北京航空航天大学