基于磁荷分布反演算法的漏磁检测缺陷三维量化方法研究

The quantitative reconstruction of 3-D arbitrary defects sizes with magnetic flux leakage signals based on magnetic dipole theory and iteration method are aimed to be explored in this study. The sizing of defects consists of two steps: 1) the detection of opening edge of arbitrary defect based on the reconstruction algorithm of 2-D magnetic charges, 2) the reconstruction of deeps in arbitrary defect under the given condition in 1) step. The core contents of this study are as following: 1) the edge detecting algorithm of arbitrary defects; 2) the method to divide the positive and negative charge regions; 3) the selection of iteration variable and the building of iteration relation for deep reconstruction; 4) the solutions of the possible ill-posed problem in deep reconstruction; 5) the verification of the algorithm validity. The main anticipated results include the algorithm and program for sizing of 3-D arbitrary defects with magnetic flux leakage signals.

针对漏磁检测中任意缺陷三维量化难题，本申请项目拟基于磁偶极子理论和迭代法，利用漏磁检测信号就任意缺陷的三维量化反演技术进行研究。本研究将缺陷量化计算构建为两步：1）基于二维磁荷分布反演算法的缺陷长宽边界的识取；2）在缺陷长宽边界已由1）构知条件下，对缺陷深度场进行迭代重构。本方法主要由以下几个核心内容构成：1）缺陷长宽边界的识取算法；2）正负磁荷分布区域划分办法；3）深度重构迭代变量的选取及迭代关系的建立；4）采用合理约束条件，解决深度重构可能的不适定问题；5）算法有效性的验证。预期主要成果包括漏磁检测缺陷三维量化算法和程序。

漏磁检测因其操作简单、便捷，在铁磁构件缺陷检测中应用极广。但因缺乏有效的计算模型和算法，尚不能实现对缺陷的深度尺寸精确量化。本项目研究目标为：基于磁荷模型及迭代法，探索漏磁检测任意开口缺陷的三维量化反演方法。围绕以上目标，本项目主要从以下4个方面开展了研究工作。1）缺陷的磁荷分布有限元仿真模型的建立。基于磁荷分布理论，编写了漏磁检测缺陷构件磁荷分布有限元仿真模型。并基于仿真模型，计算了缺陷构件的漏磁场信号。2）磁荷密度的迭代计算。由于实验采集的漏磁场信号，受磁化强度的影响，构件内部的磁荷密度强度亦不一样。为实现缺陷深度场的精确迭代求解，先要解决不同磁化强度条件下构件内部磁荷密度的求取。本部分基于磁荷密度与漏磁场的线性关联模型，实现了在已知构件总厚度前提下，构件内部磁荷密度的精确求解。3）深度场的迭代计算。在已知构件内部磁荷密度的前提下，将其作为常数，推导、构造了缺陷漏磁场信号与深度场的关联模型。由于缺陷漏磁场信号与深度场为非线性关系，使得缺陷深度场迭代求解难度增加。本研究推导了缺陷漏磁场信号与深度场的非线性关联系数矩阵，采用系数矩阵和深度场同时迭代方法，实现了缺陷深度场的重构计算。4）计算方法的有效性验证。先基于步骤1）中构造的仿真模型信号，开发了磁荷密度和缺陷深度场的迭代求解算法，实现了缺陷深度场的有效重构。再制作了实际缺陷试件，对其进行了磁化，实验测量了实际缺陷的漏磁信号，应用所开发的算法对缺陷深度场进行了重构量化，验证了所开发算法的有效性。本项目研究成果，可实现漏磁检测中缺陷三维尺寸信息的精确量化及成像，且检测方法简单、便捷、产业应用范围广，相关产业需求力大。未来5年内，会积极对接工程部门，推进本项目研究成果在实际工程应用中的转化。