基于空间分布式磁传感器的交流电磁场定量检测系统及方法与流程

本发明涉及一种基于空间分布式磁传感器的交流电磁场定量检测系统及方法，属于无损检测与信号处理。

背景技术：

1、在金属构件表面缺陷检测中，缺陷定量（尤其是深度定量）是关键技术挑战。交流电磁场检测（alternating current field measurement，acfm）技术作为一种新型电磁无损检测技术，通过激励线圈在被检工件表面感应出均匀的交变电流，当缺陷存在时引起空间磁场畸变，利用磁传感器拾取畸变信号实现缺陷的检出与评估，具有非接触、可穿透涂层、无需耦合介质等优点，广泛应用于海洋工程、石油化工、核电运维、桥梁建筑等领域。

2、传统acfm检测方法通常分析单个传感器信号波形的特征。具体地，缺陷信号峰值（bx或bz分量）之间的时间间隔记为δt，在假设扫查速度v恒定的前提下，通过以下公式估算缺陷长度：；再根据经验图谱或半经验模型从缺陷长度l推算缺陷深度d。

3、如现有专利申请公布号：cn117074513a，公开了一种交流电磁场检测系统及缺陷定量方法。该技术方案通过测量单个磁传感器的磁场信号波形，利用缺陷信号峰值的bx或bz分量之间的时间间隔δt，在假设扫查速度v恒定的前提下，通过公式l = v×δt估算缺陷长度，再根据经验模型或实验标定图谱从缺陷长度推算缺陷深度。该技术方案存在的技术问题在于：其一，缺陷长度计算严重依赖扫查速度v，手动扫查时速度必然不均匀，导致δt不变但计算出的长度l波动很大，最终造成深度定量结果不可靠；其二，为获得准确的速度v，必须额外安装编码器或速度测量装置，增加了系统复杂性和成本，不利于便携式设备开发；其三，从长度推算深度的经验或半经验模型做了较多简化，对于复杂形状或小尺寸缺陷误差较大；其四，缺陷深度定量依赖前期实验标定建立的经验关系，标定环节本身引入不确定性。

4、专利申请公布号：cn119086704a，公开了一种交流电磁场检测的缺陷定量评估方法。该技术方案对缺陷长度和深度的定量误差约为5%~10%。该技术方案存在的技术问题在于：其一，其深度定量同样依赖实验标定建立的经验模型，标定环节引入的不确定性限制了定量精度的进一步提高；其二，其长度定量依赖编码器获取扫查速度，在无编码器或编码器信号失真的工况下无法实现准确的缺陷长度定量；其三，在手动变速扫查工况下，其定量精度明显下降，难以满足工程现场的高精度检测需求。

5、综合可见，现有技术中均未公开采用空间分布式传感器布局、利用已知传感器空间间距作为"空间标尺"消除扫查速度影响的方法，更未公开通过不同提离高度传感器的峰谷幅值差比值关系实现无需标定的缺陷深度反演的技术方案。现有技术方案在扫查速度不均匀、无编码器、无标定条件等实际工况下的缺陷定量精度存在明显不足。

技术实现思路

1、针对现有技术中缺陷定量依赖扫查速度、需额外配置编码器、需实验标定以及精度不足的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于空间分布式磁传感器的交流电磁场定量检测系统及方法，通过采用空间分布式传感器布局、利用已知几何间距作为空间标尺拟合扫查运动、结合幂律衰减模型进行比值反演，实现无需编码器、无需标定的缺陷长度与深度准确、简便计算。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明所述的基于空间分布式磁传感器的交流电磁场定量检测方法，包括以下步骤：

4、s1、采用空间分布式探头对待测金属构件表面进行扫查检测，所述空间分布式探头包括沿扫查方向布设的多个相同类型的磁传感器，各传感器在扫查方向上的投影位置为已知几何参数，且各传感器检测方向位于同一扫查路径上；

5、s2、通过采集系统同步获取各传感器的时域磁场信号波形序列；

6、s3、从各传感器数据波形中分别提取波峰对应的时间点与幅值、波谷对应的时间点与幅值；

7、s4、基于各传感器在扫查方向上的已知投影位置及其对应的波峰时间点，对扫查位置与时间的关系进行线性拟合，获得扫查运动函数x(t)；

8、s5、基于所述扫查运动函数x(t)及各传感器的峰谷时间差，分别计算各传感器对应的缺陷空间长度，并加权平均得到最终缺陷长度；

9、s6、基于各传感器的峰谷幅值差，结合磁场扰动幅值随提离高度的衰减模型，利用不同提离高度传感器所测峰谷幅值差的比值关系反演得到缺陷深度。

10、进一步地，所述空间分布式探头包括第一传感器、第二传感器和第三传感器，第一传感器与第二传感器处于平行于检测面的平面内且检测方向位于同一扫查路径上；第三传感器处于垂直于检测面的平面内，位于第一传感器与第二传感器连线中点的中垂线上，且检测方向与第一、第二传感器处于同一扫查路径；第一传感器与第二传感器的间距等于第三传感器到第一、第二传感器连线的间距。

11、进一步地，所述线性拟合步骤中，以第一传感器在扫查方向上的投影位置为0、第二传感器为a、第三传感器为a/2，结合三个传感器波峰对应的时间点t10、t20、t30，通过最小二乘法拟合位置-时间关系：

12、；

13、其中，v为拟合扫查速度，x0为拟合截距；对于第i个传感器，其缺陷空间长度为：

14、；

15、其中，t11、t21、t31为三个传感器波谷对应时间。

16、进一步地，所述加权平均中，加权系数依据各传感器提离高度的不同而设置，提离高度较小的传感器赋予较大的加权系数，提离高度较大的传感器赋予较小的加权系数，最终缺陷长度：

17、；

18、其中，w1、w2、w3分别为三个传感器对应的加权系数。

19、进一步地，所述缺陷深度反演步骤中：

20、分别计算各传感器的峰谷幅值差：

21、；

22、其中：d10、d20、d30为三个传感器波峰幅值，d11、d21、d31为三个传感器波谷幅值；

23、计算平行于检测面的第一、第二传感器的平均峰谷幅值差：

24、；

25、基于磁场扰动幅值随提离高度衰减的幂律模型：

26、；

27、其中，z为提离高度、c为与缺陷尺寸及激励强度有关的常数、d为缺陷等效深度、n为衰减指数，建立第一、第二传感器平面与第三传感器平面的峰谷幅值差比值关系：

28、；

29、求解上述比值关系式，得到缺陷深度反演公式：

30、；

31、其中常数c在比值运算中完全消去。

32、进一步地，所述衰减指数n为与被检测材料电磁特性相关的常数，通过仿真或实验测定预先确定；所述各传感器的投影位置为探头设计时已知的固定几何参数。

33、进一步地，在所述缺陷长度计算步骤中，还包括对各传感器计算的长度进行一致性校验的步骤：若某一传感器的长度计算值与其他传感器的长度计算值的偏差超过预设阈值，则判定该传感器的数据为离群值，降低或剔除其参与加权平均的权重。

34、进一步地，所述空间分布式探头中的传感器数量为n个且n≥5时，在扫查方向上布设n个平行于检测面的传感器，利用各传感器已知的空间投影位置及其波峰时间点进行多点线性回归拟合，以提高扫查速度拟合精度和缺陷长度定量精度。

35、本发明所述的基于空间分布式磁传感器的交流电磁场定量检测系统，包括：

36、空间分布式探头，所述探头包括多个相同类型的磁传感器，各传感器沿扫查方向布设，各传感器在扫查方向上的投影位置为已知几何参数，且各传感器检测方向位于同一扫查路径上；

37、信号采集模块，用于同步采集各传感器的时域磁场信号波形序列；

38、特征提取模块，用于从各传感器数据波形中提取波峰对应的时间点与幅值、波谷对应的时间点与幅值；

39、数据处理模块，用于基于各传感器在扫查方向上的已知投影位置及其波峰时间点拟合扫查运动关系，并基于拟合结果和各传感器的峰谷时间差计算缺陷长度，以及基于各传感器的峰谷幅值差结合磁场幅值随提离高度的衰减模型反演缺陷深度；

40、输出模块，用于输出所述缺陷长度和缺陷深度的定量检测结果。

41、进一步地，所述多个磁传感器为隧道磁阻传感器、巨磁阻传感器、各向异性磁阻传感器或感应线圈式磁传感器中的任一种；所述系统还包括预处理子模块，用于对各传感器的时域信号进行带通滤波、去趋势和幅值归一化处理，以消除背景磁场干扰和传感器固有噪声。

42、与现有的技术相比，本发明的基于空间分布式磁传感器的交流电磁场定量检测系统及方法，在技术性能与实际应用中展现出以下有益效果：

43、第一，利用已知传感器空间间距作为"空间标尺"消除速度影响。本发明通过空间分布式探头中传感器的已知几何间距a，结合多个波峰时间点进行最小二乘线性拟合获得扫查运动函数，将时间域测量转换为空间域测量，缺陷长度直接计算获得。与传统方法中依赖扫查速度的公式不同，本发明的缺陷长度计算不再依赖外部速度测量设备，从根本上克服了手动或变速扫查带来的定量误差，解决了现有技术中缺陷长度计算严重依赖扫查速度且需安装编码器的技术问题。

44、第二，基于幂律衰减模型的比值反演实现无需标定的深度定量。本发明利用不同提离高度传感器所测峰谷幅值差，结合磁场扰动幅值随提离高度衰减的幂律模型，通过构建比值关系，使常数c在比值运算中完全消去，从而得到仅依赖于已知几何间距a、实测峰谷幅值差δd3和δd12、固有衰减指数n的深度反演公式。与现有技术依赖实验标定建立经验模型的方案相比，本发明避免了标定环节引入的不确定性，提高了深度定量的精度和适应性。

45、第三，无需编码器的系统架构降低了成本和复杂度。本发明省去了额外的速度测量编码器硬件，降低了系统成本、体积和复杂度，特别有利于便携式设备的开发和应用，解决了现有技术中为获得准确扫查速度必须额外安装编码器的技术问题。

46、第四，算法简便、实时性好。本发明涉及的算法原理清晰，计算量小，实时性好，仅需少量传感器数据的波峰波谷特征即可完成缺陷长度和深度的定量计算，无需复杂的数据训练过程或大规模计算资源，有利于在工业现场实时在线检测中应用。

47、第五，定量精度显著提高。由于使用了多个空间点的信息，并对扫查速度进行了局部校准，最终得到的缺陷特征长度比传统方法更精确；无需标定进行深度计算，避免了标定环节引入的不确定性，从而提高了深度定量精度。