一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法

专利名称：一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法
技术领域：
本发明涉及一种无损检测方法，特别是涉及一种涡流、电磁超声组合式无损 检测方法。
眾汉不
无损检测(nondestaictive test)简称NDT,是不破坏和损伤受检物体，对它的 性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。在现有的无损检测方法中，常 规的主要有射线探伤(RT)方法、超声检测(UT)方法、渗透探査(FT)方法、 磁粉检测(MT)方法、涡流检测(ET)方法，当然还有非常规的，如微波检测 方法、电位检测方法等。涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检 测方法，它适用于导电材料。涡流检测是把导体接近通有交流电的线圈，由线圈 建立交变磁场，该交变磁场通过导体，并与之发生电磁感应作用，在导体内建立 涡流。导体中的涡流也会产生自己的磁场，涡流磁场的作用改变了原磁场的强弱, 进而导致线圈电压和阻抗的改变。当导体表面或近表面出现缺陷时，将影响到涡 流的强度和分布，涡流的变化又引起了检测线圈电压和阻抗的变化，根据这一变 化，就可以间接地知道导体内缺陷的存在。超声检测(UT)是利用超声波在被检 测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的 影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化。在超声 波进入物体遇到缺陷时， 一部分声波会产生反射，接收器通过对反射波进行分析， 来测量材料的厚度、来发现隐藏的内部缺陷，或来分析诸如金属、塑料、复合材 料、陶瓷、橡胶以及玻璃等材料的特性等。由于超声检测需要有耦合介质，因此, 一种在不需要耦合剂的情况下能有效的检测出各种形状、材质的金属材料的表面 及内部缺陷的电磁超声检测方法便应运而生，电磁超声检测的原理是基于当通 以高频电流的线圈靠近金属试件时，试件表层会感生高频涡流，若在试件附近再
外加一个强磁场，则涡流在磁场作用下将变成高频的力，即洛仑兹力。实质上这 个力是高频机械振动，所以它能在试件中传播，即产生超声波。由于上述过程本 身是可逆的。因而，从试件边角处或缺陷部位反射回的超声波在外加强磁场作用 下形成涡流，涡流本身磁场引起线圏两端电压变化，我们利用这一信号即可实行 缺陷检测。电磁超声检测虽有不与试件接触，无需耦合介质的优点，但是，其检 测的灵敏度和常规的超声检测相比是比较低的，因此使其推广应用受到了限制。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种涡流、电磁超声组合式无 损检测方法，充分利用了祸流检测对于被测对象表面和亚表面的缺陷灵敏，电磁 超声检测可以检测比涡流检测法能检测的厚度厚得多的材质，通过将涡流检测和 电磁超声检测的相结合，不仅可以将被测对象检测的结果进行相互检验，同时也 可以相互补偿，从而实现了检测被测对象表面和更深度的缺陷的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是--种涡流、电磁超声组合式无 损检测方法，是将至少包含有能用于产生偏置磁场的永久磁铁或电磁铁以及能产 生动态交变磁场的检测线圈的检测探头贴近被测对象表面探测，检测探头的检测 线圈受信号发生器所重复发出的一个预置的高压脉冲信号所激励，在被测对象的 表层感应出涡流，该涡流受永久磁铁或电磁铁所产生的偏置磁场的作用，在被测 对象中产生洛仑兹力/磁致伸缩力并进而形成超声波，从被测对象边角处或缺陷部 位反射回的超声被在偏置磁场的作用下形成涡流，此涡流反应了被测对象的质量 特征，涡流本身产生的磁场引起检测线圈两端电压变化，由检测线圈拾取的信号 分别被送入涡流处理通道和电磁超声处理通道中加以处理；
在涡流处理通道中，由检测线圈拾取的信号输出给前置放大器进行放大处 理，然后送入相敏检波器进行相敏检波处理，得出具有X/Y分量的二维信息的信 号，再经A/D转换器转换为数字信号后，输给计算机系统进行处理；
在电磁超声处理通道中，由检测线圈拾取的信号输出给前置放大器进行放大 处理，然后送入带通滤波器进行滤波处理，再经A/D转换器转换为数字信号后，
输给计算机系统进行处理；
在计算机系统中，对于来自于涡流处理通道的信号，采用时域或频域分析方 法进行处理，如采用涡流阻抗平面分析方式加以分析处理，并产生能反映被测对象 质量的涡流阻抗平面分析图像显示信号对于来自于电磁超声处理通道的信号， 采用超声A扫描/B扫描/C扫描方式加以分析处理，并产生能反映被测对象质量 的超声A扫描/ B扫描/ C扫描分析图像显示信号；
在计算机系统中，进一歩地将两种不同的能反映被测对象质量的图像处理成 可以显示在同一界面的显示信号输出给显示器，由显示器同步显示涡流时域分析 或频域分析图像，如涡流阻抗平面分析图像和超声A扫描/ B扫描/ C扫描分析图 像。
所述的能用于产生偏置磁场的永久磁铁可以替换为电磁铁。 所述的检测线圈为激励、接收合一的单线圈。
所述的检测线圈分为用于产生激励信号的发射线圈和用于接收涡流信号的 接收线圈。
本发明的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，是将涡流检测和电磁超 声组合在一起。电磁超声可以检测导体或铁磁性材料，同涡流的检测对象相同。 对于涡流检测和电磁超声检测，它们的检测原理的共同点都是基于电磁感应原理 基础之上的无损检测方法，均需要由检测线圈建立交变磁场，在被测对象的表面 感应出涡流。涡流检测法对于被测对象表面和亚表面的缺陷灵敏，电磁超声检测 也可以通过产生表面波或SH波来检测被测对象表面的缺陷，且电磁超声还可以 通过产生纵波或横波来检测比涡流检测法能检测的厚度厚得多的材质。通过将涡 流检测法和电磁超声检测法的相结合，不仅可以将被測对象检测的结果进行相互 检验，同时也可以相互补充，准确定位。可以检测表面和更深度的缺陷。
本发明的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，是通过高压脉冲激励检 测线圈，在被测对象的表面感应出涡流，在偏置磁场的作用于可以产生洛仑兹力/ 磁致伸縮力，在此力的作用下产生振动，即超声波。在接收端，粒子的振动在偏
置磁场的作用下感应出涡流，此涡流反应了被测对象的质暈特性。将接收端的信 号分别送入涡流检测通道和电磁超声检测通道，通过涡流时域分析或频域分析，
如涡流阻抗平面进行分析和超声A扫描/ B扫描/ C扫描进行分析。从涡流的阻抗 平面分析可以得到被测对象表面有无缺陷的信息，同时从超声系统分析中可以获 取被测对象表面及其以下深度的信息。当然，对于具体的检测对象，可以通过改 变线圈的形式或频率或偏置磁场的方向得到各种超声波的形式。
本发明的有益效果是，由于采用了--个至少包含有能用于产生偏置磁场的永 久磁铁或电磁铁以及能产生动态交变磁场的检测线圈的检测探头，将该检测探头 贴近被测对象表面探测，通过高压脉冲激励检测线圈，在被测对象的表面感应出 涡流,在偏置磁场的作用于产生洛仓兹力/磁致伸缩力，在此力的作用下产生振动， 即超声波，通过将检测线圈拾取的反应被测对象信息的信号同时送入涡流检测通 道和超声检测通道进行分析，从而得到反映被测对象不同深度质量的信息和/或表 面质量的信息进行相互的检验和/或互补，是充分利用了涡流检测对于被测对象表 面和亚表面的缺陷灵敏，电磁超声检测既可以检测被测对象表面的缺陷，又可以 检测比涡流检测法能检测的厚度厚得多的材质的特点，通过将涡流检测和电磁超 声检测的相结合，不仅可以将被测对象检测的结果进行相互检验，同时也可以相 互补偿，从而实现了检测被测对象表面和更深度的缺陷的目的。
以下结合实施例对本发明作进一歩详细说明；但本发明的一种涡流、电磁超 声组合式无损检测方法不局限于实施例。
具体实施例方式
本发明的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，是将至少包含有能用于 产生偏置磁场的永久磁铁或电磁铁以及能产生动态交变磁场的检测线圈的检测探 头贴近被测对象表面探测，检测探头的检测线圈受信号发生器所重复发出的一个 预置的高压脉冲信号所激励，在被测对象的表层感应出涡流，该涡流受永久磁铁 或电磁铁所产生的偏置磁场的作用，在被测对象中产生洛仓兹力/磁致伸縮力并进 而形成超声波，从被测对象边角处或缺陷部位反射回的超声波在偏置磁场的作用
形成涡流，此涡流反应了被测对象的质量特征，涡流本身产生的磁场引起检测线 圈两端电压变化，由检测线圈拾取的信号分别被送入涡流处理通道和电磁超声处 理通道中加以处理；
在涡流处理通道中，由检测线圈拾取的信号输出给前置放大器进行放大处 理，然后送入相敏检波器进行相敏检波处理，得出具有X/Y分量的二维信息的信 号，再经A/D转换器转换为数字信号后，输给计算机系统进行处理
电磁超声处理通道中，由检测线圈拾取的信号输出给前置放大器进行放大处 理，然后送入带通滤波器进行滤波处理，再经A/D转换器转换为数字信号后，输 给计算机系统进行处理
在计算机系统中，对于来自于涡流处理通道的信号，采用时域分析或频域分 析，如涡流阻抗平面分析方式加以分析处理，并产生能反映被测对象质量的涡流 阻抗平面分析图像显示信号对于来自于电磁超声处理通道的信号，采用超声A 扫描/B扫描/ C扫描方式加以分析处理，并产生能反映被测对象质量的超声A扫 描/ B扫描/ C扫描分析图像显示信号；
在计算机系统中，进一歩地将两种不同的能反映被测对象质量的图像处理成 可以显示在同一界面的显示信号输出给显示器，由显示器同歩显示涡流阻抗平面 分析图像和超声A扫描/ B扫描/ C扫描分析图像。
其中，所述的能用于产生偏置磁场的永久磁铁可以替换为电磁铁；所采用的 检测线圈既可以为激励、接收合一的单线圈，也可以分为用于产生激励信号的发 射线圈和用于接收涡流信号的接收线圈。
本发明的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，是将涡流检测和电磁超 声组合在一起。电磁超声可以检测导体或铁磁性材料，同涡流的检测对象相同。 对于涡流检测和电磁超声检测，它们的检测原理的共同点都是基于电磁感应原理 基础之上的无损检测方法，均需要由检测线圈建立交变磁场，在被测对象的表面 感应出涡流。涡流检测法对于被测对象表面和亚表面的缺陷灵敏，电磁超声检测 也可以通过产生表面波或SH波来检测被测对象表面的缺陷，且电磁超声还可以检
测比涡流检测法能检测的厚度厚得多的材质。通过将涡流检测法和电磁超声检测 法的相结合，不仅可以将被测对象检测的结果进行相互检验，同时也可以相互补 充,准确定位。可以检测表面和更深度的缺陷。
表面波是一种当介质表面受到交变应力作用时产生沿介质表面传播的波，表 面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方 向，短轴平行于波的传播方向，椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即 纵波与横波的合成，表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱，当传播深度超过 两倍波长时，质点的振幅就已经很小了，因此，一般认为，表面波探伤只能发现
距被测对象表面两倍波长深度内的缺陷。SH波是一种板波，即在板厚与波长相当 的薄板中传播的波，SH波是水平偏振的横波在薄板中传播的波，薄板中各质点的 振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，SH波也属于一种沿表面层传播的表 面波，实际上就是地震波的振动模式。
本发明的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，是通过高压脉冲激励检 测线圈，在被测对象的表面感应出涡流，在偏覽磁场的作用于可以产生洛仑兹力/ 磁致伸缩力，在此力的作用下产生振动，即超声波。在接收端，粒子的振动在偏 置磁场的作用下感应出涡流，此涡流反应了被测对象的质量特性。将接收端的信 号分别送入涡流检测通道和电磁超声检测通道，通过时域分析或频域分析，如涡 流阻抗平面分析和超声A扫描/ B扫描/ C扫描进行分析。从涡流的阻抗平面分析 可以得到被测对象表面有无缺陷的信息，同时从超声系统分析中可以获取被测对 象表面及其以下深度的信息。当然，对于具体的检测对象，可以通过改变线圈的 形式或频率或偏置磁场的方向得到各种超声波的形式。
当金属表面有一个通以交变电流的线圈时，此线圈将产生一个交变磁场，金 属表面相当于一个整体导电回路，因此金属表面将感应出电流，即涡流。涡流的 大小和性质同样服从于法拉弟电磁感应定律。涡流密度的大小取决于金属表面线 圈中电流产生的磁场变化速度，其频率同线圈中的电流变化的频率相一致。任何 电流在磁场中都受到力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，
频率在超声波范围内的应力波即为超声波。与此相反，由于此效应呈现可逆性， 返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，通过 对这一拾取的信号进行分析，即可实行缺陷检测。
磁致伸縮效应是铁磁材料的一种画有特性。铁磁材料在没有外磁场作用下， 由于内部磁畴分布紊乱通常不显磁性。若在有外磁场作用下，会产生磁畴磁矩转 动和磁畴、畴壁移动，当磁畴磁矩转到与外磁场方向一致或接近一致时，该材料 便呈现很强或较强的磁性，在磁畴运行中会伴随产生形变，即材料产生的线性伸 缩和体积伸缩，即为磁致伸缩效应。形变在材料中的传播也就是超声波在材料中 的传播。由于磁致伸縮效应是可逆的，因而借此可实现超声波反射法探伤。
在电磁超声换能的过程中，检测线圈，由永久磁铁或电磁铁产生的偏置磁场
和被测对象本身均参加了电、磁、声的转换过程。所以，电磁超声换能过程由该 三者组合。通过人为设计线圈结构和摆放位置或改变偏置磁场的方向或变换线圈 内电流频率，町灵活地改变被检对象质点的受力方向，从而获得所需要波形。比 如，将检测线圈设计成螺旋线圈和曲折线圈，就可以很方便的产生电磁超声表面 波。
计算机处理系统可以选择采用单片机或DSP处理器或笔记本计算机或台式 计算机等，也可以选择采用包括有CPU芯片、FPGA芯片和DSP芯片。CPU即中央 处理器，是英文Central Processing IMt的縮写，是整个系统的核心，也是整个系 统最高的执行单位，它负贵整个系统指令的执行，数学与逻辑的运算，数据的存 储与传送，以及对内对外输入与输出的控制，所以，CPU主要包含运算器、控制 器及存储器。FPGA芯片(现场可编程门阵列)是专用集成电路(ASIC)中集成 度最高的一种，用户可对FPGA内部的逻辑模块和，/0模块重薪配置，以实现用 户的逻辑，因而也被用于对CPU的模拟，用户对FPGA的编程数据放在Rash 芯片中，通过上电加载到FPGA中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现 系统在线重构。DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理 器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，
广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信 号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点:
(1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
(2) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。
(3) 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。
(4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
(5) 快速的中断处理和硬件l/0支持。
(6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
(7) 可以并行执行多个操作。
(8) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 本发明的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，由于检测过程无需耦合
介质，且可以检测表面和更深度的缺陷，因此，可以方便对移动物体、远处或危 险区域的物体、高温、真空状态下的物体、粗糙表面等进行检测操作，比如适用 于对钢轨、机车车轮的检测等。
上述实施例仅用来进一歩说明本发明的一种涡流、电磁超声组合式无损检测 方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所 作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，其特征在于是将至少包含有能用于产生偏置磁场的永久磁铁或电磁铁以及能产生动态交变磁场的检测线圈的检测探头贴近被测对象表面探测，检测探头的检测线圈受信号发生器所重复发出的一个预置的高压脉冲信号所激励，在被测对象的表层感应出涡流，该涡流受永久磁铁或电磁铁所产生的偏置磁场的作用，在被测对象中产生洛仑兹力/磁致伸缩力并进而形成超声波，从被测对象边角处或缺陷部位反射回的超声波在偏置磁场的作用形成涡流，此涡流反应了被测对象的质量特征，涡流本身磁场引起检测线圈两端电压变化，由检测线圈拾取的信号分别被送入涡流处理通道和电磁超声处理通道中加以处理；在涡流处理通道中，由检测线圈拾取的信号输出给前置放大器进行放大处理，然后送入相敏检波器进行相敏检波处理，得出具有X/Y分量的二维信息的信号，再经A/D转换器转换为数字信号后，输给计算机系统进行处理；在电磁超声处理通道中，由检测线圈拾取的信号输出给前置放大器进行放大处理，然后送入带通滤波器进行滤波处理，再经A/D转换器转换为数字信号后，输给计算机系统进行处理；在计算机系统中，对于来自于涡流处理通道的信号，采用时域或频域分析方法进行处理，如涡流阻抗平面分析方式加以分析处理，并产生能反映被测对象质量的涡流阻抗平面分析图像显示信号；对于来自于电磁超声处理通道的信号，采用超声A扫描/B扫描/C扫描方式加以分析处理，并产生能反映被测对象质量的超声A扫描/B扫描/C扫描分析图像显示信号；在计算机系统中，进一步地将两种不同的能反映被测对象质量的图像处理成可以显示在同一界面的显示信号输出给显示器，由显示器同步显示涡流时域分析或频域分析图像，如涡流阻抗平面分析图像和超声A扫描/B扫描/C扫描分析图像。
2. 根据权利要求1所述的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法,其特征在于所述的能用于产生偏置磁场的永久磁铁可以替换为电磁铁。
3. 根据权利要求1或2所述的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，其特征在于所述的检测线圈为激励、接收合一的单线圈。
4. 根据权利要求1或2所述的一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，其特征在于所述的检测线圈分为用于产生激励信号的发射线圈和用 于接收涡流信号的接收线圈。
全文摘要
本发明公开了一种涡流、电磁超声组合式无损检测方法，是采用一个至少包含有能用于产生偏置磁场的永久磁铁或电磁铁以及能产生动态交变磁场的检测线圈的检测探头，将该检测探头贴近被测对象表面探测，通过高压脉冲激励检测线圈，在被测对象的表面感应出涡流，在偏置磁场的作用于产生洛仑兹力/磁致伸缩力(在非铁磁性材料中只产生洛仑兹力，在铁磁性材料中产生洛仑兹力和磁致伸缩力)，在此力的作用下产生机械振动，即超声波，通过将检测线圈拾取的反应被测对象信息的信号同时送入涡流检测通道和超声检测通道进行分析，从而得到反映被测对象不同深度质量的信息和/或表面质量的信息进行相互的检验和/或互补，从而实现了检测被测对象表面和更深度的缺陷的目的。
文档编号G01N27/90GK101354380SQ200710119390
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月23日 优先权日2007年7月23日
发明者周正干, 林俊明, 黄凤英 申请人:北京航空航天大学