一种多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法

摘要

一种多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法，属于电磁无损检测领域。首先获取差分相对式探头的脉冲涡流检测信号，并提取出不同探头提离距离下的提离交叉点信号特征；然后改变标准试件的空气间隙大小，获取不同多层结构空气间隙条件下的提离交叉点信号特征；接着拟合出随厚度变化的提离交叉点幅值和时间参数的空气间隙测量曲线；对未知空气间隙大小的多层结构进行检测，获取提离交叉点信号特征，并提取出提离交叉点的幅值和时间参数；最后将未知空气间隙大小条件下获取的提离交叉点幅值和时间参数带入标准试件条件下获取的空气间隙测量曲线，获取对应条件下的空气间隙大小参数，即可对多层结构空气间隙进行定量评价。其使用方便，检测效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲涡流检测方法，尤其适用于一种电磁无损检测领域的多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法。

背景技术

在航空航天和核工业等领域，多层结构得到了广泛的应用，用于承受外部气体冲击压力负或内部膨胀压力，以增强力学性能和提高承压能力，是关键承压基础部件。一般多层结构为双层导电结构，并覆盖有非导电涂层，在承压和震动条件下服役，同时也受到环境带来的腐蚀问题，以及多层结构间的磨损，造成多层结构之间产生空气间隙，并进一步产生更为严重的腐蚀和磨损，严重影响多层结构的安全性和可靠性。在长期服役的条件下可能造成失效破坏，严重时会造成重大的安全事故和人员伤亡。因此，定期对多层结构的空气间隙进行检测就显得尤为必要。

相比于其他无损检测方法，脉冲涡流检测是一种不需要消解表面非导电涂层的电磁无损检测方法，可实现对服役条件下的多层结构进行检测。当对探头激励线圈施加一个脉冲激励信号时，被测多层结构中就会产生一个涡流场，而多层结构中的涡流场又会反向产生一个二次磁场，而这个二次磁场的变化受到多层结构之间的空气间隙影响，因此，通过检测线圈测定二次磁场的变化即可对被测多层结构的空气间隙进行评估。

然而，在实际检测中，脉冲涡流检测信号易受到表面非导电涂层或污垢的影响，引起探头到多层结构之间的距离发生改变，并进一步干扰检测信号，降低检测精度。而这种探头到多层结构间的提离距离变化带来的影响，称之为提离影响或提离效应。除上述表面非导电涂层或污垢影响外，探头的抖动、倾斜及探头和多层结构间的压力变化也都会产生提离影响。提离效应会干扰或掩盖掉有用的检测信息，对检测结果造成严重影响。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种使用方便，检测效果好，能够抑制多层结构表面非导电涂层、表面污垢和探头抖动的影响，提高多层结构空气间隙的检测精度，实现对多层结构的完整性进行精确评估的多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法。

为实现上述技术目的，本发明的多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法，使用的脉冲涡流检测装置包括探头、函数发生器、信号调理模块、数据采集卡和计算机，探头为带磁芯的线圈探头，其包括磁芯，磁芯外侧设有激励线圈，激励线圈外侧分别设有不同提离高度的检测线圈a和检测线圈b，检测线圈a和检测线圈b之间的距离根据检测需要可调，检测线圈b相对探头底端距离可调；磁芯根据检测需求可更换不同材料的磁芯；

步骤如下：

a首先根据需要调整探头中的检测线圈a和检测线圈b的位置距离；

b将探头放置在空气中，不与任何多层结构试件接触，采集检测线圈a和检测线圈b的电压响应信号，保存该空气条件下获取的电压信号，并作为参考信号；

c选择非铁磁性材料的多层结构试件，且已知材料参数和空气间隙大小，然后，将探头放置在已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件上，利用脉冲涡流检测装置检测当前多层结构试件，获得当前已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件的检测线圈a和检测线圈b的电压响应信号；

d将步骤c获得的检测线圈a和检测线圈b采集的电压响应信号减去参考信号，从而分别获得当前多层结构试件的检测线圈a信号与检测线圈a参考信号之间的差分信号，当前多层结构试件的检测线圈b信号与检测线圈b参考信号之间的差分信号；

e计算步骤d中的检测线圈a和检测线圈b的差分信号交叉点的时间和幅值参数：

f改变步骤c中多层结构试件的空气间隙大小，其他条件保持不变，重复步骤c-步骤e，从而获取不同空气间隙大小的非铁磁性材料多层结构试件的检测线圈a和检测线圈b与参考信号之间的差分信号的交叉点幅值和时间参数；

g将步骤f中获取的信号交叉点幅值和时间参数与对应的多层结构试件的不同大小空气间隙拟合出测量曲线，获得随空气间隙变化的信号交叉点幅值参数测量曲线和时间参数测量曲线；

h利用脉冲涡流检测装置对材料参数已知，且为非铁磁性材料的空气间隙大小未知的多层结构试件进行检测，重复步骤b-步骤e，从而获得当前空气间隙大小未知多层结构试件的信号交叉点幅值和时间参数信息；

i将步骤h中获取的信号交叉点的幅值参数带入步骤g中获取的信号交叉点幅值参数测量曲线进行计算，若计算出的被测多层结构未知空气间隙的大小超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段界定的计算范围，则将步骤h中获取的信号交叉点的时间参数带入步骤g中获取的时间参数测量曲线的近似线性段计算，计算结果为多层结构试件的空气间隙大小；若不超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段范围，则直接输出计算结果即为多层结构试件的空气间隙大小，若超过线性段测量范围则就无效。

j当选择的多层结构试件为铁磁性材料时，将探头放置在已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件上，利用脉冲涡流检测装置对铁磁性材料的多层结构试件检测，获得当前已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件的检测线圈a和检测线圈b的电压响应信号；然后，将获得的检测线圈a和检测线圈b采集的电压响应信号分别减去参考信号，从而分别获得当前多层结构试件的检测线圈a信号与参考信号的差分信号，以及检测线圈b信号与参考信号的差分信号；接着，通过公式

k分别将检测线圈a和检测线圈b的差分信号减去步骤j中计算的其对应的标准差值，获取检测线圈a和检测线圈b的二次差分信号；

l对检测线圈a和检测线圈b的二次差分信号的交叉点特征进行提取，计算出信号交叉点的幅值和时间参数；

m改变步骤j中多层结构试件的空气间隙大小，其他条件保持不变，重复步骤j-步骤l，从而获取不同空气间隙大小条件下的多层结构试件检测信号的交叉点幅值和时间参数；

n将步骤m中获取的信号交叉点幅值和时间参数与对应的不同多层结构试件的空气间大小隙拟合出测量曲线，获得随空气间隙大小变化的二次差分信号交叉点幅值参数测量曲线和时间参数测量曲线；

o利用脉冲涡流检测装置对材料参数已知，且为铁磁性材料的空气间隙大小未知的多层结构试件进行检测，重复步骤j-步骤l，获得当前空气间隙大小未知多层结构试件的信号交叉点幅值和时间参数信息；

p将步骤o中获取的信号交叉点的幅值参数带入步骤n中获取的二次差分信号交叉点幅值参数测量曲线进行计算，若计算出的被测多层结构未知空气间隙的大小超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段界定计算范围，则将步骤o中获取的信号交叉点的时间参数带入步骤n中获取的时间参数测量曲线的近似线性段中计算，计算结果为多层结构试件的空气间隙大小；若不超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段范围，则直接输出计算结果即为多层结构试件的空气间隙大小。

所述探头的检测线圈a和检测线圈b之间的距离调节最大不超过探头高度，检测线圈b相对探头的底端的距离最大不超过探头高度的一半。

计算步骤e中差分信号交叉点的时间和幅值参数的步骤为：首先，将步骤d获取的检测线圈a和检测线圈b的差分信号曲线的数据相减求交叉点，获取零值所对应的时间参数，取检测线圈a或检测线圈b的差分信号下降沿处的时间参数作为信号交叉点的时间参数；接着，将获取的时间参数带入检测线圈a或检测线圈b的差分信号曲线中，计算出信号交叉点的幅值参数。

有益效果：由于采用了上述方案，与常规无损检测方法相比，该测量装置和方法不需要消解多层结构的非导电涂层或表面污垢，可以有效抑制探头提离变化的影响，提高多层结构空气间隙的测量精度和测量结果的可靠性。相较于其他涡流方法，该脉冲涡流检测方法可以实现对多层结构空气间隙的有效测量，且可以抑制探头提离效应，提高多层结构空气间隙的测量范围和精度。另一方面，对多层结构完整性的评估大多从缺陷检测和厚度测量方面进行，鲜有报道关注多层结构空气间隙对结构完整性的评估问题。因此，通过脉冲涡流探头的信号交叉点特征对多层结构空气间隙进行测量，可以提供一种新的多层结构质量评估方法，也提供了一种抑制探头提离效应的脉冲涡流检测方法，进一步丰富和扩展了脉冲涡流检测技术在多层结构完整性评估中的应用。

差分式探头的信号交叉点特征能够有效抑制提离效应，能够消除多层结构非导电涂层或表面污垢的影响，同时，能够实现对多层结构空气间隙的测量，可进一步提高多层结构空气间隙的脉冲涡流检测精度。

解决了对具有非导电涂层的多层结构空气间隙检测时，因非导电涂层厚度不同引起的探头提离效应问题，达到了本发明的目的。

优点：该方法能够有效消除多层结构非导电涂层或表面污垢的影响，通过信号交叉点特征可有效抑制脉冲涡流检测过程中探头和试件间的提离距离变化造成的提离效应，获取对提离效应免疫的差分式探头的信号交叉点特征。在进行多层结构空气间隙的检测时，能够有效抑制探头提离变化带来的影响，进一步提高脉冲涡流检测精度和脉冲涡流检测效率。

附图说明

图1为本发明的脉冲涡流检测系统结构图。

图2为本发明脉冲涡流检测探头结构图。

图3为本发明差分式探头的信号交叉点特征图。

图4为本发明多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法流程框图。

图5为差分式检测探头所获取的铁磁性材料信号交叉点特征的信号图。

图6为信号交叉点随多层结构空气间隙变化的测量曲线图。

图中：1-探头，2-函数发生器，3-信号调理模块，4-数据采集卡，5-和计算机，6-激励线圈，7-磁芯，8-检测线圈a，9-和检测线圈b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法，使用的脉冲涡流检测装置包括探头1、函数发生器2、信号调理模块3、数据采集卡4和计算机5，探头1为带磁芯的线圈探头，其包括磁芯7，磁芯7外侧设有激励线圈6，激励线圈6外侧分别设有不同提离高度的检测线圈a8和检测线圈b9，检测线圈a8和检测线圈b9之间的距离根据检测需要可调，检测线圈b9相对探头1底端距离可调；磁芯7根据检测需求可更换不同材料的磁芯；所述探头1的检测线圈a8和检测线圈b9之间的距离调节最大不超过探头高度，检测线圈b9相对探头1的底端的距离最大不超过探头高度的一半。

如图3所示，本发明本发明多层结构空气间隙的脉冲涡流检测方法的步骤如下：

a首先根据需要调整探头1中的检测线圈a8和检测线圈b9的位置距离；

b将探头1放置在空气中，不与任何多层结构试件接触，采集检测线圈a8和检测线圈b9的电压响应信号，保存该空气条件下获取的电压信号，并作为参考信号；

c选择非铁磁性材料的多层结构试件，且已知材料参数和空气间隙大小，然后，将探头1放置在已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件上，利用脉冲涡流检测装置检测当前多层结构试件，获得当前已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件的检测线圈a8和检测线圈b9的电压响应信号；

d将步骤c获得的检测线圈a8和检测线圈b9采集的电压响应信号减去参考信号，从而分别获得当前多层结构试件的检测线圈a8信号与检测线圈a8参考信号之间的差分信号，当前多层结构试件的检测线圈b9信号与检测线圈b9参考信号之间的差分信号；

e计算步骤d中的检测线圈a8和检测线圈b9的差分信号交叉点的时间和幅值参数：交叉点的时间和幅值参数的步骤为：首先，将步骤d获取的检测线圈a8和检测线圈b9的差分信号曲线的数据相减求交叉点，获取零值所对应的时间参数，取检测线圈a8或检测线圈b9的差分信号下降沿处的时间参数作为信号交叉点的时间参数；接着，将获取的时间参数带入检测线圈a8或检测线圈b9的差分信号曲线中，计算出信号交叉点的幅值参数；图4为差分式检测探头所获取的非铁磁性材料信号交叉点特征的信号图。

f改变步骤c中多层结构试件的空气间隙大小，其他条件保持不变，重复步骤c-步骤e，从而获取不同空气间隙大小的非铁磁性材料多层结构试件的检测线圈a8和检测线圈b9与参考信号之间的差分信号的交叉点幅值和时间参数；

g将步骤f中获取的信号交叉点幅值和时间参数与对应的多层结构试件的不同大小空气间隙拟合出测量曲线，获得随空气间隙变化的信号交叉点幅值参数测量曲线和时间参数测量曲线；图6为信号交叉点随多层结构空气间隙变化的测量曲线图。

h利用脉冲涡流检测装置对材料参数已知，且为非铁磁性材料的空气间隙大小未知的多层结构试件进行检测，重复步骤b-步骤e，从而获得当前空气间隙大小未知多层结构试件的信号交叉点幅值和时间参数信息；

i将步骤h中获取的信号交叉点的幅值参数带入步骤g中获取的信号交叉点幅值参数测量曲线进行计算，若计算出的被测多层结构未知空气间隙的大小超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段界定的计算范围，则将步骤h中获取的信号交叉点的时间参数带入步骤g中获取的时间参数测量曲线的近似线性段计算，计算结果为多层结构试件的空气间隙大小；若不超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段范围，则直接输出计算结果即为多层结构试件的空气间隙大小，若超过线性段测量范围则就无效。

j当选择的多层结构试件为铁磁性材料时，将探头1放置在已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件上，利用脉冲涡流检测装置对铁磁性材料的多层结构试件检测，获得当前已知材料参数和空气间隙大小的多层结构试件的检测线圈a8和检测线圈b9的电压响应信号；然后，将获得的检测线圈a8和检测线圈b9采集的电压响应信号分别减去参考信号，从而分别获得当前多层结构试件的检测线圈a8信号与参考信号的差分信号，以及检测线圈b9信号与参考信号的差分信号；接着，通过公式

k分别将检测线圈a8和检测线圈b9的差分信号减去步骤j中计算的其对应的标准差值，获取检测线圈a8和检测线圈b9的二次差分信号；

l对检测线圈a8和检测线圈b9的二次差分信号的交叉点特征进行提取，计算出信号交叉点的幅值和时间参数；

m改变步骤j中多层结构试件的空气间隙大小，其他条件保持不变，重复步骤j-步骤l，从而获取不同空气间隙大小条件下的多层结构试件检测信号的交叉点幅值和时间参数；

n将步骤m中获取的信号交叉点幅值和时间参数与对应的不同多层结构试件的空气间大小隙拟合出测量曲线，获得随空气间隙大小变化的二次差分信号交叉点幅值参数测量曲线和时间参数测量曲线；

o利用脉冲涡流检测装置对材料参数已知，且为铁磁性材料的空气间隙大小未知的多层结构试件进行检测，重复步骤j-步骤l，获得当前空气间隙大小未知多层结构试件的信号交叉点幅值和时间参数信息；

p将步骤o中获取的信号交叉点的幅值参数带入步骤n中获取的二次差分信号交叉点幅值参数测量曲线进行计算，若计算出的被测多层结构未知空气间隙的大小超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段界定计算范围，则将步骤o中获取的信号交叉点的时间参数带入步骤n中获取的时间参数测量曲线的近似线性段中计算，计算结果为多层结构试件的空气间隙大小；若不超过信号交叉点幅值参数测量曲线的近似线性段范围，则直接输出计算结果即为多层结构试件的空气间隙大小。

首先，获取差分式探头在空气的检测信号作为参考信号，并保存数据。

接着对已知材料参数和空气间隙大小的多层结构进行检测，获取多层结构的脉冲涡流检测信号。

然后，对上述多层结构的检测信号和参考信号进行差分，即可获取图3所示的脉冲涡流差分信号。若被测试件为铁磁性材料试件时，对其差分信号和差分信号标准差值之间再次差分，可获取脉冲涡流二次差分信号的信号交叉点特征，如图5所示。

当多层结构空气间隙增加时，信号交叉点特征呈现规律定向变化，如图5所示。若已知图6所示的测量曲线的近似线性段范围，对被测未知多层结构空气间隙的试件进行检测时，只需获取信号交叉点特征，通过交叉点特征的幅值和时间参数即可评价被测多层结构空气间隙的大小。