一种四层差分矩形线圈平板涡流探头设计方法及其结构

本发明属于无损检测，具体而言，涉及一种四层差分矩形线圈平板涡流探头设计方法及其结构。

背景技术：

1、涡流非破坏性检测是一种广泛应用于工业领域的无损检测技术,能够对金属构件进行表面和内部缺陷的快速检测。该技术利用电磁诱导原理,通过在被检测物体上产生涡流,并通过检测所产生的二次磁场变化来判断缺陷的存在及其性质。与传统的超声波、射线等检测方法相比,涡流检测设备体积小、操作简单、能够实现自动化,在航空航天、电力、石油化工等领域得到了广泛应用。当前平板涡流探头结构可能导致灵敏度较低，特别是在检测非常小的缺陷或微小裂纹时，容易造成无法检测到这些非常小的缺陷或微小裂纹。

2、另一方面,现有的多层矩形涡流探头在结构和参数优化方面仍存在一些问题:

3、1.探头结构参数的选择较为经验性,难以确定最优参数组合。不同参数如线圈层数、匝数、间距等对探头各项性能指标的影响存在较复杂的耦合关系,很难通过直观经验得出最佳设计。

4、2.缺乏系统的性能分析和优化方法。现有研究多局限于单一性能指标的优化,缺乏对信号峰值、信噪比、空间分辨率、检测深度、灵敏度和抗干扰能力等综合性能的协同优化。

5、3.仿真分析与实验验证脱节。现有研究中,仿真分析与实验验证往往分开进行,难以充分发挥两者的协同作用,影响了探头结构的最终优化效果。

6、综上所述，现有的平板涡流探头往往依靠大量实验进行设计确定方案，效率低下，以及现有的平板涡流探头结构难以捕捉到细微的缺陷变化的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种四层差分矩形线圈平板涡流探头设计方法及其结构，能够解决现有的平板涡流探头往往依靠大量实验进行设计确定方案，效率低下，以及现有的平板涡流探头结构难以捕捉到细微的缺陷变化的技术问题。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明的第一方面提供一种四层差分矩形线圈平板涡流探头设计方法，其中，包括以下步骤：

4、s10、使用comsol multiphysics构建立体多匝数差分涡流探头仿真模型，并设置三道不同宽度的缺陷利用所述仿真模型进行检测，验证所述仿真模型的缺陷检测能力，得到缺陷检测能力参数，包括信号峰值、信噪比、空间分辨率、检测深度、灵敏度以及抗干扰能力；改变所述仿真模型的结构参数的方式重复本步骤，得到多组不同仿真模型及其对应的缺陷检测能力参数；

5、s20、采用贝叶斯网络，计算每一种结构参数对每一种缺陷检测能力的敏感度；

6、s30、根据所述敏感度考虑预设的关联关系建立考虑所述仿真模型的结构参数以及缺陷检测能力参数的缺陷检测能力方程组，包括信号峰值方程、信噪比方程、空间分辨率方程、检测深度方程、灵敏度方程以及抗干扰能力方程；

7、s40、采用得到多组不同仿真模型及其对应的缺陷检测能力参数对所述缺陷检测能力方程组进行拟合，得到拟合方程；

8、s50、采用数据增扩技术对所述结构参数进行增扩，得到结构参数增扩数组，包括多条结构参数记为增扩参数；将所述结构参数增扩数组输入到所述拟合方程，得到每一条增扩参数对应的缺陷检测参数，记为增扩检测参数；

9、s60、选择增扩检测参数最优的多项增扩参数进行聚类，以得到的聚类中心对应的每个结构参数的最接近值作为候选参数；

10、s70、根据所述候选参数设计四层差分线圈平板涡流探伤探头，采用实验方法进行检测并优化所述候选参数，得到最优结构参数。

11、其中，所述三道不同宽度的缺陷采用缺陷缝的结构，包括缝1、缝2、缝3；其中，缝1宽度3mm长度6cm深度4mm；缝2宽度4mm长度6cm深度4mm；缝3宽度6mm长度6cm深度4mm。

12、进一步的，所述实验方法，具体是制作多个具有不同候选参数的四层差分矩形线圈平板涡流探头样品，使用标准试件进行缺陷检测实验，比较不同样品的缺陷检测能力，选择性能最佳的样品参数作为最优结构参数。

13、进一步的，所述关联关系包括幂次、线性、指数、对数。

14、进一步的，所述结构参数包括外激励线圈层数、外激励线圈匝数、内检测线圈层数、内检测线圈匝数、线圈间距、线圈宽度、线圈厚度、串联节点位置、绕线起点位置。

15、以下是各方程的详细描述：

16、1.信号峰值方程：

17、所述信号峰值方程具体表示如下：

18、

19、式中，vp为信号峰值；a为振幅系数；f为激励频率；f0为最优激励频率；σ为频率分布宽度；ni为第i层线圈的匝数；li为第i层线圈的长度；n为总层数；k为缺陷深度敏感系数；d为缺陷深度；d0为检测深度阈值；μr为试件相对磁导率；ω为角频率；σ为试件电导率；μ0为真空磁导率；α为衰减系数；z为探头与试件表面距离。

20、参数获取方法：

21、a、f0、σ、k、d0、α通过多组实验数据拟合得到。实验步骤包括：

22、1.使用不同频率、不同深度的标准缺陷试件进行扫描；

23、2.记录每组实验的信号峰值；

24、3.使用非线性最小二乘法拟合得到这些参数。

25、ni、li根据探头设计参数直接获得。f、d、z为实际检测中的输入参数。μr、σ为试件材料属性，通过材料数据库或实验测量获得。ω＝2πf，μ0＝4π×10-7h/m。

26、2.信噪比方程：

27、所述信噪比方程具体表示如下：

28、

29、式中，snr为信噪比；ps为信号功率；pn为噪声功率；s(f)为信号的频谱；n(f)为噪声的频谱；f1和f2为考虑的频率范围。

30、s(f)可以通过以下公式计算：

31、

32、其中，v(t)为时域信号，可以通过以下公式获得：

33、

34、τ为信号衰减时间常数，通过实验测量获得。

35、n(f)可以通过对无缺陷区域的信号进行傅里叶变换获得。

36、参数获取方法：

37、1.对标准缺陷试件进行扫描，记录时域信号v(t)；

38、2.对v(t)进行傅里叶变换，得到s(f)；

39、3.对无缺陷区域进行扫描，记录噪声信号，并进行傅里叶变换，得到n(f)；

40、4.选择合适的频率范围f1和f2，计算snr。

41、3.空间分辨率方程：

42、所述空间分辨率方程具体表示如下：

43、

44、式中，r为空间分辨率；λ为等效波长；na为数值孔径。

45、λ可以通过以下公式计算：

46、

47、na可以通过以下公式计算：

48、

49、其中，d为探头有效直径，f为探头焦距。

50、参数获取方法：

51、1.根据探头设计参数计算d和f；

52、2.使用已知电导率σ和磁导率μ的标准试件；

53、3.对不同间距的缺陷进行扫描，确定能够分辨的最小间距，验证计算得到的空间分辨率。

54、4.检测深度方程：

55、所述检测深度方程具体表示如下：

56、

57、式中，δ为检测深度；f为激励频率；μ为试件磁导率；σ为试件电导率；z为探头与试件表面距离；d为缺陷深度；α和β为衰减系数。

58、参数获取方法：

59、1.使用不同深度的标准缺陷试件进行扫描；

60、2.记录每个深度缺陷的检测信号；

61、3.通过非线性最小二乘法拟合得到α和β。

62、5.灵敏度方程：

63、所述灵敏度方程具体表示如下：

64、

65、式中，各参数含义与信号峰值方程相同。

66、参数获取方法：

67、与信号峰值方程相同，但需要额外计算vp对d的偏导数。

68、6.抗干扰能力方程：

69、所述抗干扰能力方程具体表示如下：

70、

71、式中，i为抗干扰能力指数；γ为权重系数；σn为噪声标准差；σs为信号标准差；δt为温度变化；τ为温度稳定性系数；δx为探头位置偏移；x0为位置容限；κ为位置敏感度系数。

72、参数获取方法：

73、1.在不同噪声水平、温度变化和位置偏移条件下进行实验；

74、2.记录每组实验条件下的检测结果；

75、3.使用非线性最小二乘法拟合得到γ、τ、x0和κ。

76、σn和σs通过对噪声信号和缺陷信号进行统计分析获得。δt和δx为实际检测中的输入参数。

77、本发明的第二方面提供一种四层差分矩形线圈平板涡流探头结构，其中，利用上述的一种四层差分矩形线圈平板涡流探头设计方法得到，所述探头结构具体包括：

78、外激励线圈和内检测线圈；

79、所述外激励线圈包括三层，第一层为3匝，第二层为4匝，第三层为4匝；

80、所述内检测线圈包括四层，每层均为17匝×2构造，形成差分结构；

81、所述内检测线圈的上下两部分呈差分结构，绕线方向相反。

82、进一步的，所述外激励线圈和内检测线圈的层间节点以中心对称布局结合外侧布点。

83、进一步的，所述外激励线圈和内检测线圈的绕线方式均采用逆时针绕线，通过层间节点形成四层连线成逆时针绕线。

84、进一步的，所述内检测线圈的下方部分线圈从第一层开始逆时针绕行17匝，然后通过层间串联节点依次连接第二层、第三层和第四层，保持相同的逆时针方向；所述内检测线圈的上方部分线圈从第四层开始顺时针绕行17匝，然后通过层间串联节点依次连接第三层、第二层和第一层，保持相同的顺时针方向。

85、进一步的，所述内检测线圈的上下两部分线圈通过位于上下两部分线圈之间的串联节点相连，形成完整回路。

86、其中,所述步骤s10,具体包括:使用comsol multiphysics构建立体多匝数差分涡流探头仿真模型,另外设置三道不同宽度的缝状缺陷,包括宽度3毫米长度6厘米深度4毫米的缝1、宽度4毫米长度6厘米深度4毫米的缝2以及宽度6毫米长度6厘米深度4毫米的缝3,利用所述仿真模型进行检测,并验证所述仿真模型的缺陷检测能力,得到包括信号峰值、信噪比、空间分辨率、检测深度、灵敏度以及抗干扰能力在内的缺陷检测能力参数；然后通过改变所述仿真模型的结构参数,如外激励线圈层数、匝数,内检测线圈层数、匝数,线圈间距、宽度、厚度,串联节点位置,绕线起点等,重复上述步骤,得到多组不同仿真模型及其对应的缺陷检测能力参数。

87、其中,所述步骤s20,具体包括:采用贝叶斯网络算法,计算每一种结构参数对每一种缺陷检测能力的敏感度,该算法能够有效地分析各结构参数对检测能力指标的影响程度。

88、其中,所述步骤s30,具体包括:根据上述敏感度分析结果,并考虑预设的幂次、线性、指数、对数等关联关系,建立包括信号峰值方程、信噪比方程、空间分辨率方程、检测深度方程、灵敏度方程以及抗干扰能力方程在内的缺陷检测能力方程组,这些方程能够较为准确地描述探头结构参数与各项检测能力指标之间的关系。

89、其中,所述步骤s40,具体包括:采用得到的多组仿真模型及其对应的缺陷检测能力参数,对上述缺陷检测能力方程组进行非线性最小二乘法拟合,从而得到各方程的拟合参数,这一过程确保了方程组能够准确描述探头结构与检测性能之间的关系。

90、其中,所述步骤s50,具体包括:采用数据增扩技术,在原始结构参数数据的基础上,生成多条增扩后的结构参数记录,将这些增扩参数输入到拟合得到的方程组中,计算出每一条增扩参数对应的缺陷检测能力参数,形成增扩检测参数数组,这一步骤大幅扩充了探头结构参数的组合,为后续的优化奠定了基础。

91、其中,所述步骤s60,具体包括:选择增扩检测参数最优的多个增扩参数记录,采用聚类算法对其进行分类,以每个聚类中心对应的结构参数作为候选参数,为下一步的实验优化提供可选的方案,聚类算法能够识别出性能最佳的几种探头结构配置。

92、其中,所述步骤s70,具体包括:根据上一步得到的候选参数,制作相应的四层差分线圈平板涡流探头样品,采用标准试件进行缺陷检测实验,比较不同样品的检测性能,选择检测能力最优的样品参数作为最终的最优结构参数,这一步验证了仿真结果,并确定了实际应用中的最佳探头结构。

93、可选的,所述数据增扩技术能够通过随机扰动等方式,人为地增加原始数据集的规模,从而提高后续算法的效果。

94、与现有技术相比较，本发明提供的一种四层差分矩形线圈平板涡流探头设计方法充分利用了comsol multiphysics仿真、贝叶斯网络、非线性拟合、数据增扩、聚类分析等先进算法和技术,能够有效解决现有涡流探头设计中存在的问题，该方法的有益效果是：

95、1.采用comsol multiphysics建立涡流探头的立体多匝数仿真模型,并在模型中设置了3种不同尺度的缺陷,能够全面模拟实际应用场景下的检测过程,为后续的性能分析和参数优化奠定基础。

96、2.运用贝叶斯网络算法分析各结构参数对探头性能指标的敏感度,有效识别出关键参数,为参数优化提供针对性的指导。

97、3.建立包括信号峰值、信噪比、空间分辨率、检测深度、灵敏度和抗干扰能力等在内的全面性能分析方程组,通过非线性拟合获得各方程的最优参数,为探头性能的精准预测提供可靠的数学模型。

98、4.采用数据增扩技术,在原始参数数据的基础上生成大量增扩参数组合,大幅扩充了探头结构设计空间,为后续的参数优化提供更广泛的备选方案。

99、5.利用聚类算法对增扩参数组合进行分类,筛选出性能最优的几种探头结构配置,为实验验证提供可靠的候选方案。

100、另一方面，本发明提供的一种四层差分矩形线圈平板涡流探头结构，采用平板结构设计增加了传感器与管道表面的接触面积，能够更全面地捕捉到管道表面的细微变化，从而提高检测的精度。机械稳定性高，能够在复杂环境中维持良好的工作状态，减少外界干扰对检测结果的影响。矩形外激励内检测设计，通过精确控制激励信号的传播路径，确保激励信号均匀分布，提高了检测信号的质量和准确性。差分结构通过对比差分信号来检测微小的缝隙变化，有效提高了检测精度和分辨率。通过有效抑制共模噪声，提高了信号的信噪比，从而提高了检测灵敏度。多层叠加设计能够实现对管道缺陷的更高分辨率检测，捕捉到细微的缺陷变化。

101、综上所述，本发明的方案解决了现有的平板涡流探头往往依靠大量实验进行设计确定方案，效率低下，以及现有的平板涡流探头结构难以捕捉到细微的缺陷变化的技术问题。