一种基于多频叠加激励的管道跨焊缝电磁应力检测方法与流程

本发明涉及焊缝检测，特别涉及一种基于多频叠加激励的管道跨焊缝电磁应力检测方法。

背景技术：

1、在管道焊接残余应力的电磁无损检测领域，交流应力测量（acsm）是一种基于逆磁致伸缩效应的常用方法。其基本原理是：铁磁材料在应力作用下，磁导率会发生各向异性变化，通过正交差分探头检测该各向异性信号，可间接反推应力值。

2、然而，现有acsm检测技术在实际工程应用中面临以下突出问题：

3、应力与提离的耦合问题：现有方法普遍采用单一频率激励。差分信号同时受应力（表现为磁导率各向异性）和提离（探头与工件表面间距）两个未知量的共同影响，单一频率测量只能提供一个方程，无法同时求解这两个参数。在管道表面存在焊缝余高、氧化皮、涂层厚度不均等导致提离不恒定的工况下，应力信号与提离信号完全混叠，检测结果严重失真。

4、多频检测的空间位置偏移问题：部分现有技术尝试采用多频电磁检测，但多采用分时扫频方式——即依次施加不同频率的信号。在探头移动的在线扫描场景下，不同频率的测量在不同时刻完成，各频率数据对应不同的空间位置。当被测区域存在应力梯度或提离变化时，频率间的比值或差值运算会因空间不匹配而引入系统性误差，补偿精度显著下降。

5、检测深度不足问题：现有acsm方法普遍采用千赫兹（khz）量级的激励频率，对应的趋肤深度较浅，远小于焊接残余应力的主要分布深度。检测结果仅反映极表层的应力状态，不具有代表性。同时，高频条件下提离对信号的衰减更为剧烈，进一步加重了干扰。

6、焊缝区域的检测失效问题：在焊管应力检测的实际工况中，焊缝余高导致探头提离从母材区的设计值突增至数毫米，电磁信号衰减可超过90%。恰恰在残余应力最高、最需检测的焊缝区域，现有单频检测方法因无法区分提离变化和应力变化而完全失效，将高应力区误读为低应力区，构成严重的漏检风险。

7、此外，虽然多频技术在涡流检测领域已有广泛应用（如用于提离补偿和涂层测厚），但这些方法基于线圈阻抗变化（δz）的信号模型，与acsm的正交差分信号模型（反映磁导率各向异性）存在本质区别。现有涡流领域的多频提离补偿技术无法直接移植至acsm应力检测中，该领域尚缺乏有效的应力和提离解耦手段。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于多频叠加激励的管道跨焊缝电磁应力检测方法，以解决现有焊缝检测技术存在的信号失真以及检测深度不足的问题。

2、所述方法包括：

3、向正交差分电磁探头的激励线圈同时施加至少两个不同频率的激励信号，形成多频叠加激励信号；

4、通过所述正交差分电磁探头的接收线圈获取差分信号，并通过同步锁相检波分别提取各频率分量对应的差分信号幅值；

5、计算第一频率的差分信号幅值与第二频率的差分信号幅值的比值，基于所述比值的特性，确定当前提离距离；所述第一频率以及所述第二频率分别为所述多频叠加激励信号中的频率分量；

6、利用所述当前提离距离对主频差分信号进行提离补偿，并根据补偿后的主频差分信号提取应力值。

7、在一些实施方式中，所述至少两个不同频率的激励信号包括一个主检测频率、一个高频辅助频率和一个低频辅助频率；

8、所述主检测频率的趋肤深度不小于被测管道残余应力主要分布深度的百分之八十；

9、所述高频辅助频率与所述主检测频率的频率比为2至5；

10、所述低频辅助频率与所述主检测频率的频率比为1.5至3。

11、在一些实施方式中，所述主检测频率为200hz，所述高频辅助频率为500hz，所述低频辅助频率为100hz；

12、所述低频辅助频率、所述主检测频率和所述高频辅助频率的激励幅值系数按低频大以及高频小的原则配置与频率大小负相关。

13、在一些实施方式中，在确定所述当前提离距离之后，还包括：

14、利用第三频率的差分信号幅值与所述第一频率或第二频率的差分信号幅值构造独立比值；

15、基于所述独立比值确定另一提离距离估计值；若所述当前提离距离与所述另一提离距离估计值的差值超过预设阈值，则标记当前测量点为低可靠性。

16、在一些实施方式中，所述正交差分电磁探头包括两组不同方向的正交差分线圈对；所述方法还包括：

17、分别对每组线圈对的差分信号独立执行所述提离补偿，获得两组补偿后的差分信号；

18、根据两组补偿后的差分信号的幅值比较结果，选择幅值较大的一组信号作为应力提取的依据。

19、在一些实施方式中，在获得两组补偿后的差分信号后，还包括：

20、将两组补偿后的差分信号与各自线圈对的方向角联立方程组，同时求解应力大小和主应力方向角。

21、在一些实施方式中，所述多频叠加激励信号通过以下方式生成：

22、同步生成多个不同频率的正弦信号，所有正弦信号共用同一时钟源；

23、将所有所述正弦信号在数字域中线性叠加为一个复合波形，并经数模转换器和功率放大器处理后施加于所述激励线圈。

24、在一些实施方式中，在执行所述方法之前，还包括：

25、在标准试件上，于不同提离距离下记录各频率的差分信号幅值，建立提离距离与频率比值的第一标定关系，以及提离距离与主频衰减因子的第二标定关系；

26、在恒定提离距离下，记录不同应力值对应的主频差分信号，建立应力与主频差分信号的第三标定关系。

27、在一些实施方式中，所述利用所述当前提离距离对主频差分信号进行提离补偿，包括：

28、根据所述当前提离距离，从所述第二标定关系中查询对应的主频衰减因子，并将所述主频差分信号除以该主频衰减因子，以获得补偿后的主频差分信号。

29、由上述内容可知，本技术具有如下优点：

30、消除信号失真：通过向激励线圈同时施加至少两个不同频率的激励信号形成多频叠加激励，利用第一频率与第二频率的差分信号幅值比值仅与提离距离相关、与应力无关的特性，反演出当前提离距离，进而对主频差分信号进行提离补偿后再提取应力值，有效解决了现有单频acsm检测中应力信号与提离信号混叠导致的检测失真问题。

31、采用多频同时叠加激励（各频率共用同一时钟源、严格锁相），配合同步锁相检波提取各频率分量幅值，保证所有频率信号在同一时间点作用于被测管道表面，避免了分时扫频在不同空间位置测量引入的系统性误差，显著提升在线扫描场景下的补偿精度。

32、主检测频率按趋肤深度不小于被测管道残余应力主要分布深度80%的准则选取，相较传统khz级单频acsm检测，能够覆盖焊接残余应力主体分布区域，使检测结果更具工程代表性。

33、针对焊缝余高导致提离突增、电磁信号衰减可超90%的极端工况，本方法通过提离估计与补偿，能够在高提离条件下仍准确提取应力值，化解了现有单频方法在焊缝最高应力区反而完全失效、造成漏检的风险。

34、利用第三频率与前两频率构造独立比值，得到另一提离估计值；当两个提离估计值差值超过预设阈值时标记该测量点为低可靠性，从而识别探头翘起、表面异物、局部干扰等异常，提升数据可信度。

35、正交差分电磁探头包含两组不同方向的正交差分线圈对，通过分别对两组信号执行提离补偿，既可按幅值优选选取最优信号，也可将两组补偿后信号与各自方向角联立方程组，同时求解应力大小与主应力方向角，适应焊缝附近主应力方向连续旋转的复杂工况。

36、按低频大、高频小原则配置各频率激励幅值系数，使各频率差分信号幅值大致相当，避免高频过强或低频被噪声淹没，利于后续锁相检波与比值运算的稳定性。