阵列式无损检测系统中探头设计与缺陷定量检测方法研究

摘要

针对大型金属设备的结构健康监测与评估，目前采用传统的蛇形扫描检测方式，费时费力，故需一种高效及时的检测方法实现对大面积金属构件的缺陷评估。脉冲涡流阵列式检测作为传统无损检测方法的一个新兴分支，通过阵列式探头单元设计和多路信号分析处理，在保证缺陷检测精度的前提下，大大缩短了金属构件的检测时间。 阵列式无损检测系统借助磁传感器技术和电磁成像技术，可充分发挥阵列式检测优势，推进其在工业领域中的应用。由于阵列式检测信号处理要求高，缺陷特征信号提取难，所以相关研究大多是基于传统涡流检测方法展开，可实现缺陷的定性判断，但受线圈互感影响，其定量检测精度不高。为解决传统涡流阵列式检测中存在的问题，本文系统地研究了基于霍尔传感器的脉冲涡流阵列式检测方法，主要的研究内容如下： （1）基于磁场分布的阵列式探头单元设计。研究线圈几何参数以及被测试件材料对探头单元磁场的影响，由于缺陷引起的磁场变化集中在线圈内径区域，故引入磁场不均匀度概念对该区域进行进一步分析，综合考虑加工精度和磁传感器尺寸确定单个线圈的尺寸信息；继而研究阵列式最小探头单元模型中的磁场耦合情况，设置合适的线圈间中心距，根据被测试件的结构特征合理选择探头单元的排布方式。 （2）基于脉冲涡流检测技术的不同类型缺陷的定量分析研究。将常见缺陷分为矩形疲劳缺陷和圆形腐蚀缺陷进行研究，以不同扫描位置上的差分峰值作为缺陷特征信号，可实现缺陷宽度的定量检测；获知缺陷宽度信息后，通过差分峰值特征信号与缺陷深度的对应关系建立反演计算模型，其缺陷深度检测误差在10%以内；最后利用Matlab进行缺陷电磁成像，通过不同区域的成像颜色差异获取缺陷的空间位置。 （3）脉冲涡流阵列式传感系统集成。搭建实验系统的硬件与软件平台，利用电动移动平台调整扫描步长即实验系统的检测精度，完成实验数据采集；通过信号离线处理方式批量提取差分峰值特征信号，输出缺陷信息并保存为文本文件。通过实验进一步验证了仿真结果，说明提出的缺陷定量检测方法的准确性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 脉冲涡流检测技术研究现状

1.2.2 阵列式检测技术研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本文内容结构安排

第二章 脉冲涡流检测理论基础和阵列式探头设计方法研究

2.1 脉冲涡流检测理论基础

2.1.1 脉冲涡流检测原理

2.1.2 集肤效应

2.2 探头单元设计方法研究

2.2.1 探头单元有限元模型建立

2.2.2 探头单元几何参数对磁场分布及其磁场均匀度的影响

2.2.3 被测试件材料对磁场强度及其磁场均匀度的影响

2.3 阵列式探头间磁场耦合影响研究

2.3.1 激励信号对磁场耦合的影响

2.3.2 线圈间中心距对磁场耦合的影响

2.4 阵列式探头间的线圈分布设计

2.5 本章小结

第三章 脉冲涡流阵列式缺陷定量检测方法研究

3.1 矩形疲劳缺陷定量检测方法的仿真研究

3.1.1 缺陷宽度信息与检测信号关系的仿真分析

3.1.2 缺陷深度信息与检测信号关系的仿真分析

3.1.3 材料变化对特征信号的影响

3.1.4 矩形缺陷电磁成像

3.2 圆形腐蚀缺陷定量检测方法的仿真研究

3.2.1 缺陷直径信息与检测信号关系的仿真分析

3.2.2 缺陷深度信息与检测信号关系的仿真分析

3.2.3 腐蚀缺陷电磁成像

3.3 本章小结

第四章 脉冲涡流阵列式传感系统搭建及实验研究

4.1 实验平台硬件部分

4.1.1 探头模块设计与加工

4.1.2 被测试件设计与加工

4.1.3 电源与信号源选择

4.1.4 信号调理电路模块设计

4.1.5 电动移动平台控制

4.1.6 数据采集模块

4.2 实验平台软件部分

4.2.1 提升小波阈值去噪

4.2.2 批量数据处理程序

4.3 特征信号与缺陷尺寸关系的实验研究

4.3.1 贯通型矩形缺陷的实验研究

4.3.2 圆形腐蚀缺陷的实验研究

4.3.3 实验与仿真结果对比分析

4.4 缺陷定量分析算法

4.4.1 峰值检测函数

4.4.2 缺陷定量分析算法的实现

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果