本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种双层双d型线圈结构及基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测方法和装置。
背景技术：
涡流检测技术是利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测。
与涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使得检测系统的综合磁场随着金属构件的电磁特性、缺陷几何参数或者提离距离的变化而变化，从而引起检测线圈的复阻抗发生变化。因为导体内感生涡流的幅值、相位、流动形式及其伴生磁场受导体的物理特性影响，因此通过监测检测线圈的阻抗变化或者综合磁场的变化来非破坏地评价金属构件物理性能和完整性等。
常规涡流检测是一种表面或近表面的无损检测方法。与其它无损检测方法比较，涡流检测具有以下优势：(1)对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高；(2)应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工艺因素均能实施监测；(3)不需耦合剂，易于实现管、棒、线材的高速、高效、自动化检测；(4)在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息；(5)可在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其它检测方法不适用的场合实施监测等。但由于缺陷的方向、缺陷深度和缺陷宽度会对综合磁场产生耦合影响，因此涡流无损检测技术很难实现对缺陷方向、深度和宽度的同时检测。因此需要多种无损检测方法相结合实现对金属构件中缺陷的定量无损检测。
吴德会等人在《表面缺陷的方向性对漏磁场分布的影响》一文中，通过方针和实验对比分析了漏磁无损检测mfl中长缺陷和短缺陷方向性对漏磁无损检测系统x、y、z三个方向磁场的影响及其影响规律。研究表明被测对象的磁化方向与缺陷的方向垂直时，检测信号的幅值越大，被测对象的磁化方向与缺陷的方向平行时，检测信号的幅值越小。王超等人在《缺陷方向对基于gmr的电涡流缺陷检测的影响》一文中，通过仿真与实验研究了基于gmr的矩形线圈激励的电涡流检测探头和缺陷方向之间的定性与定量关系。研究表明：缺陷垂直于线圈底面激励电流时，缺陷对电涡流阻断效果更强，由缺陷引起的磁感应强度的变化更加明显，缺陷的可辨识性更高。在此基础上对不同方向缺陷进行扫描实验，缺陷平行于激励线圈轴线时得到的磁感应强度分布曲线峰值清晰，缺陷信号更加突出，同时峰值点的位置也更加明确，为利用峰值距离进行缺陷尺寸的判断奠定了基础。
涡流无损检测可以实现对金属构件中人工缺陷的定量测量，是检测金属构件中表面和亚表面缺陷常用的方法之一。但是现有的研究表明，不同方向的缺陷对金属构件中涡流的阻隔程度不同，因此缺陷方向对电磁涡流无损定量检测结果产生重要影响，但是并没有研究文献提出测量缺陷方向的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双层双d型线圈结构，并基于该结构提出一种金属构件缺陷方向定量无损检测方法与装置，可实现对金属构件中缺陷方向的定量无损检测，为实现缺陷深度和宽度的定量无损检测奠定基础，提高脉冲涡流定量检测金属构件缺陷的精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双层双d型线圈结构，包括互相平行的上层线圈和下层线圈，上层线圈和下层线圈的形状都为双d型；上层线圈和下层线圈的最外层半径、线圈匝数和线间距均相等，两个线圈所在平面之间的距离即上下两层线圈之间的距离d；
上层线圈和下层线圈的中心线分别为l2、l1，每层线圈中以电流流入的相反方向为作为该层线圈中心线l2、l1的0°参考方向，将上层线圈中心线l2投影到下层线圈平面得到l2'；当两层线圈之间的偏转角度为零度时，l1和l2'重合；当上层线圈以顺时针旋转角度θ0时，l1和l2'形成的夹角为θ0，称为上下两层线圈之间的偏转角度；下层线圈的中心线l1定义为双层双d型线圈的中心线；
当上下两层线圈的电流输入端相连接时，两层线圈之间的偏转角度θ0的范围是0～360°；当上下两层线圈的电流输入端不相连接时，两层线圈之间的偏转角度θ0的范围是0～180°。
本发明还公开了一种基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测方法，包括以下步骤：
s1、制作加工双层双d型线圈探头，该探头中包含信号激励单元和信号接收单元，信号激励单元为双层双d型线圈结构，信号接收单元为检测线圈或磁传感器；
s2、产生固定频率的脉冲激励信号：产生脉冲激励信号u0并将其输入双层双d型线圈探头的信号激励单元；
s3、提取参考信号：将加工双层双d型线圈探头放置在在被测试件没有缺陷的区域上方一定提离高度l的位置，检测出参考电压信号a0；
s4、测量检测信号：将双层双d型线圈探头固定在被测金属构件缺陷区域上方相同提离高度l的位置，分别测量在已知的不同缺陷方向θi下电压信号ai和在未知缺陷方向θd下的电压信号ad，并将检测到的电压信号ai和ad输入到响应信号放大滤波模块；i＝2,3,…..,n，n表示测量次数；
s5、响应信号放大滤波：对电压信号ai和ad进行放大滤波处理，滤除ai和ad中的干扰信号并对滤波后的信号进行放大，得到理想电压信号a′i和a′d，并得到a′i和a′d的峰值bzi和bzd；
s6、确定缺陷方向包括以下两个子步骤：
s61、根据(θi，bzi)绘制缺陷方向θi与bzi的关系曲线，得到关于缺陷角度呈现对称分布的一个关系曲线图；
根据θi与bzi的关系曲线拟合得到缺陷方向θ与bz的函数关系式：
θ＝g(bz)(1)；
s62、求解缺陷方向：将未知缺陷方向θd下的电压信号ad代入式(1)，得到两个缺陷方向值θd1和θd2；其中，θd1为锐角，θd2为钝角；取差分信号δa＝max|a′d-a0|，若δa＞ε，缺陷方向θd＝θd2；反之，缺陷方向θd＝θd1；其中，ε为预设的阈值。
进一步地，所述缺陷方向θ定义为：以双层双d型线圈下层线圈电流流入的反方向作为线圈相对缺陷旋转角度的初始方向；把线圈中心线l1投影到被测试件表面得到l1'，当线圈与被测试件缺陷有偏转角度时，l1'将与缺陷的中心线形成对应的夹角θ，此夹角即为缺陷与双层d型线圈的相对缺陷偏转角度，定义为缺陷方向。
进一步地，所述步骤s3和s4中，得到电压信号的具体方法为：脉冲激励信号输入激励单元后，根据电磁感应原理会在被测金属构件和双层双d型线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，信号接收单元分布于该空间中并探测所在位置的磁感应强度并将其转化为电压信号。
本发明的基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测装置包括激励信号发生模块、双层双d型线圈探头、带有缺陷的被测试件、信号放大滤波模块、数据采集和处理模块、缺陷方向定量检测模块；
激励信号发生模块与双层双d型线圈探头相连，用于产生固定频率的方波激励信号，为激励线圈提供准确的方波激励信号；
信号放大滤波模块分别与双层双d型线圈探头和数据采集和处理模块相连，用于对探头中接收到的电压信号进行放大滤波处理，并将放大滤波后的信号传输至数据采集和处理模块；
数据采集和处理模块用于对放大滤波后的信号进行采集和处理，并将处理后的信号传输至缺陷方向定量检测模块；
缺陷方向定量检测模块用于计算缺陷方向。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种双层双d型线圈结构，相对于现有的检测技术，主要有以下两点优势：1、缺陷的方向信息与缺陷的深度和宽度信息一样，是表征金属构件中缺陷状态的重要参数，但现有的脉冲涡流线圈大多采用圆柱线圈，其对缺陷方向不敏感，无法准确检测缺陷的方向信息。本发明中提出的线圈结构因为上层线圈和下层线圈之间存在线圈偏转角，从而可以实现对缺陷方向的精确检测。2.传统的涡流检测线圈通过人工或者绕线机绕制而成，存在一定的互换性的问题。本发明中提出的线圈结构可通过沉铜、蚀刻等工艺内嵌在pcb板中，线圈的一致性可以得到保证，因此本发明中提出的线圈结构更适合阵列式涡流线圈无损检测的场合。
并基于该双层双d型线圈结构提出了一种金属构件缺陷方向定量无损检测方法与装置，可实现对金属构件中缺陷方向的定量无损检测，为实现缺陷深度和宽度的定量无损检测奠定基础，提高脉冲涡流定量检测金属构件缺陷的精度。
附图说明
图1为一种双层双d型线圈结构的示意图一；
图2为一种双层双d型线圈结构的示意图二；
图3为缺陷相对线圈偏转角度定义的示意图；
图4为缺陷方向与双层双d型线圈磁通密度z分量的关系曲线图；
图5为基于双层双d型线圈的定量无损检测装置结构图；
图6为磁通密度z分量与缺陷方向关系图
图7为互为平角的两个缺陷方向差分信号比较图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种双层双d型线圈结构，包括互相平行的上层线圈和下层线圈，上层线圈和下层线圈的形状都为双d型；上层线圈和下层线圈的最外层半径、线圈匝数和线间距均相等，两个线圈所在平面之间的距离即上下两层线圈之间的距离d；
对于双层双d型线圈结构的偏转角度定义如图2所示，首先规定上层线圈和下层线圈的中心线分别为l2、l1，每层线圈中以电流流入的相反方向为作为该层线圈中心线l2、l1的0°参考方向，将上层线圈中心线l2投影到下层线圈平面得到l2'；当两层线圈之间的偏转角度为零度时，l1和l2'重合；当上层线圈以顺时针旋转角度θ0时，l1和l2'形成的夹角为θ0，称为上下两层线圈之间的偏转角度；下层线圈的中心线l1定义为双层双d型线圈的中心线；
由于两层线圈相同，且单层线圈为中心对称图形，单层线圈的两个d型结构竖直方向相邻；当上下两层线圈的电流输入端相连接时，可以知道当θ0＝180°时，两层线圈的电流方向刚好相反，此时可以规定两层线圈之间的偏转角度θ0的范围是0～360°；当上下两层线圈的电流输入端不相连接时，可以知道当θ0＝180°时，上下两层线圈的电流方向又刚好相同，此时可以规定两层线圈之间的偏转角度θ0的范围是0～180°。
首先定义缺陷方向，缺陷方向的规定如图3所示。所述缺陷方向θ定义为：以双层双d型线圈下层线圈电流流入的反方向作为线圈相对缺陷旋转角度的初始方向；把线圈中心线l1投影到被测试件表面得到l1'，当线圈与被测试件缺陷有偏转角度时，l1'将与缺陷的中心线形成对应的夹角θ，此夹角即为缺陷与双层d型线圈的相对缺陷偏转角度，定义为缺陷方向。
本发明的一种基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测方法，包括以下步骤：
s1、制作加工双层双d型线圈探头，该探头中包含信号激励单元和信号接收单元，信号激励单元为双层双d型线圈结构，信号接收单元为检测线圈或磁传感器；
s2、产生固定频率的脉冲激励信号：产生脉冲激励信号u0并将其输入双层双d型线圈探头的信号激励单元；
s3、提取参考信号：将加工双层双d型线圈探头放置在在被测试件没有缺陷的区域上方一定提离高度l的位置，检测出参考电压信号a0；
s4、测量检测信号：将双层双d型线圈探头固定在被测金属构件缺陷区域上方相同提离高度l的位置，分别测量在已知的不同缺陷方向θi下电压信号ai和在未知缺陷方向θd下的电压信号ad，并将检测到的电压信号ai和ad输入到响应信号放大滤波模块；i＝2,3,…..,n，n表示测量次数；
s5、响应信号放大滤波：对电压信号ai和ad进行放大滤波处理，滤除ai和ad中的干扰信号并对滤波后的信号进行放大，得到理想电压信号a′i和a′d，并得到a′i和a′d的峰值bzi和bzd；
s6、确定缺陷方向包括以下两个子步骤：
s61、根据(θi，bzi)绘制缺陷方向θi与bzi的关系曲线，得到关于缺陷角度呈现对称分布的一个关系曲线图，如图4所示。通过图4可看出：当缺陷与双层d型线圈的相对缺陷偏转角度为锐角时，随着角度的增加，电压信号峰值bzi逐渐减小；当缺陷与双层d型线圈的相对缺陷偏转角度为钝角时，随着角度的增加，电压信号峰值bzi的值逐渐增加，且关系曲线关于缺陷角度呈现对称分布。因此当在缺陷角度未知情况下，测得的某一电压信号峰值bz0，可得两个偏转角度θ01和θ02。因为图4所示的关系曲线并非是单调缺陷，意味着同一个磁场强度对应两个缺陷方向，但是研究发现这两个缺陷方向之和为180°。同时研究也发现，当缺陷的方向小于90°和大于90°时，有缺陷和无缺陷的差分信号的峰值变化较大。当缺陷的方向小于90°时，差分信号峰值几乎为零，但缺陷方向大于90°时，差分信号峰值较大，为此可以取一个合适的阈值ε，来判断缺陷的方向为锐角还是钝角。
根据θi与bzi的关系曲线拟合得到缺陷方向θ与bz的函数关系式：
θ＝g(bz)(1)；
s62、求解缺陷方向：将未知缺陷方向θd下的电压信号ad代入式(1)，得到两个缺陷方向值θd1和θd2；其中，θd1为锐角，θd2为钝角；取差分信号δa＝max|a′d-a0|，若δa＞ε，缺陷方向θd＝θd2；反之，缺陷方向θd＝θd1；其中，ε为预设的阈值。
进一步地，所述步骤s3和s4中，得到电压信号的具体方法为：脉冲激励信号输入激励单元后，根据电磁感应原理会在被测金属构件和双层双d型线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，信号接收单元分布于该空间中并探测所在位置的磁感应强度并将其转化为电压信号。
如图5所示，本发明的一种基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测装置，包括激励信号发生模块、双层双d型线圈探头、带有缺陷的被测试件、信号放大滤波模块、数据采集和处理模块、缺陷方向定量检测模块；
激励信号发生模块与双层双d型线圈探头相连，用于产生固定频率的方波激励信号，为激励线圈提供准确的方波激励信号；
信号放大滤波模块分别与双层双d型线圈探头和数据采集和处理模块相连，用于对探头中接收到的电压信号进行放大滤波处理，并将放大滤波后的信号传输至数据采集和处理模块；
数据采集和处理模块用于对放大滤波后的信号进行采集和处理(一般是运用数据采集卡采集在该缺陷方向下时域信号，获取峰值)，并将处理后的信号传输至缺陷方向定量检测模块；
缺陷方向定量检测模块用于计算缺陷方向。
当双层双d型线圈的匝数为10匝，各匝线圈间距为5mil，上下层线圈的距离为1mm，提离距离为0.5mm，上下层线圈的夹角为135°，缺陷深度为0.6mm，缺陷宽度为0.6mm，缺陷方向在0°-180°变化时，线圈感应磁场和缺陷方向的关系如图6所示。
如图6所示，在该实施例中，当缺陷方向60°<θ<120°时，缺陷方向对检测结果影响很小，当0°<θ<60°以及120°<θ<180°时，缺陷方向对检测结果产生重要影响。因此可利用图6检测缺陷的方向。从图5也可以看出，该影响曲线关于θ＝90°对称，即当两个缺陷方向互为平交时，所对应的磁感应强度相同。
为了实现定量检测，研究得到互为平交的两个缺陷方向差分信号比较如图7所示。从图7可以看出，当缺陷方向小于90°时，差分信号的峰值接近零，但是当缺陷方向大于90°时，差分信号的峰值信号明显。因此可以通过设置合适的阈值，判断缺陷的唯一方向。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
1.一种双层双d型线圈结构，其特征在于，包括互相平行的上层线圈和下层线圈，上层线圈和下层线圈的形状都为双d型；上层线圈和下层线圈的最外层半径、线圈匝数和线间距均相等，两个线圈所在平面之间的距离即上下两层线圈之间的距离d；
上层线圈和下层线圈的中心线分别为l2、l1，每层线圈中以电流流入的相反方向为作为该层线圈中心线l2、l1的0°参考方向，将上层线圈中心线l2投影到下层线圈平面得到l2'；当两层线圈之间的偏转角度为零度时，l1和l2'重合；当上层线圈以顺时针旋转角度θ0时，l1和l2'形成的夹角为θ0，称为上下两层线圈之间的偏转角度；下层线圈的中心线l1定义为双层双d型线圈的中心线；
当上下两层线圈的电流输入端相连接时，两层线圈之间的偏转角度θ0的范围是0～360°；当上下两层线圈的电流输入端不相连接时，两层线圈之间的偏转角度θ0的范围是0～180°。
2.基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、制作加工双层双d型线圈探头，该探头中包含信号激励单元和信号接收单元，信号激励单元为双层双d型线圈结构，信号接收单元为检测线圈或磁传感器；
s2、产生固定频率的脉冲激励信号：产生脉冲激励信号u0并将其输入双层双d型线圈探头的信号激励单元；
s3、提取参考信号：将加工双层双d型线圈探头放置在在被测试件没有缺陷的区域上方一定提离高度l的位置，检测出参考电压信号a0；
s4、测量检测信号：将双层双d型线圈探头固定在被测金属构件缺陷区域上方相同提离高度l的位置，分别测量在已知的不同缺陷方向θi下电压信号ai和在未知缺陷方向θd下的电压信号ad，并将检测到的电压信号ai和ad输入到响应信号放大滤波模块；i＝2,3,…..,n，n表示测量次数；
s5、响应信号放大滤波：对电压信号ai和ad进行放大滤波处理，滤除ai和ad中的干扰信号并对滤波后的信号进行放大，得到理想电压信号a′i和a′d，并得到a′i和a′d的峰值bzi和bzd；
s6、确定缺陷方向包括以下两个子步骤：
s61、根据(θi，bzi)绘制缺陷方向θi与bzi的关系曲线，得到关于缺陷角度呈现对称分布的一个关系曲线图；
根据θi与bzi的关系曲线拟合得到缺陷方向θ与bz的函数关系式：
θ＝g(bz)(1)；
s62、求解缺陷方向：将未知缺陷方向θd下的电压信号ad代入式(1)，得到两个缺陷方向值θd1和θd2；其中，θd1为锐角，θd2为钝角；取差分信号δa＝max|a′d-a0|，若δa＞ε，缺陷方向θd＝θd2；反之，缺陷方向θd＝θd1；其中，ε为预设的阈值。
3.根据权利要求2所述的基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测方法，其特征在于，所述缺陷方向θ定义为：以双层双d型线圈下层线圈电流流入的反方向作为线圈相对缺陷旋转角度的初始方向；把线圈中心线l1投影到被测试件表面得到l1'，当线圈与被测试件缺陷有偏转角度时，l1'将与缺陷的中心线形成对应的夹角θ，此夹角即为缺陷与双层d型线圈的相对缺陷偏转角度，定义为缺陷方向。
4.根据权利要求2所述的基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测方法，其特征在于，所述步骤s3和s4中，得到电压信号的具体方法为：脉冲激励信号输入激励单元后，根据电磁感应原理会在被测金属构件和双层双d型线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，信号接收单元分布于该空间中并探测所在位置的磁感应强度并将其转化为电压信号。
5.基于双层双d型线圈的金属构件缺陷方向定量无损检测装置，其特征在于，包括激励信号发生模块、双层双d型线圈探头、带有缺陷的被测试件、信号放大滤波模块、数据采集和处理模块、缺陷方向定量检测模块；
激励信号发生模块与双层双d型线圈探头相连，用于产生固定频率的方波激励信号，为激励线圈提供准确的方波激励信号；
信号放大滤波模块分别与双层双d型线圈探头和数据采集和处理模块相连，用于对探头中接收到的电压信号进行放大滤波处理，并将放大滤波后的信号传输至数据采集和处理模块；
数据采集和处理模块用于对放大滤波后的信号进行采集和处理，并将处理后的信号传输至缺陷方向定量检测模块；
缺陷方向定量检测模块用于计算缺陷方向。
技术总结