脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 徐可北

主要内容 1 前言 2 脉冲涡流检测的基本原理 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 4 脉冲涡流检测技术应用的进展 5 结束语

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 1 前言涡流检测的有效性和可达性密切依赖于激励信号的频率。一般地，频率越高，则涡流趋于被检测对象的表面分布，对于表面微小缺陷的检出能力越高，但由于随着透入深度的增大而高频涡流急剧衰减，因此对于表面下具有一定深度的近表面缺陷则难以产生有效的响应；相反，频率越低，则涡流在被检测对象表面下的透入深度增大，可对试件近表面一定深度范围内的缺陷产生响应，但对于表面缺陷的检测灵敏度随激励信号频率的降低而明显下降。以降低检测灵敏度来提高涡流检测深度，或以减小涡流透入深度来提高检测灵敏度，长期以来一直是常规涡流检测应用中在二者之间权衡取舍的焦点。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 1 前言宽带脉冲信号可按傅立叶级数变换理论分解为无限多低、中、高频的正弦波之和；以重复的宽带脉冲（如方波）代替正弦交变信号进行激励和检测的脉冲涡流响应信号中包含有被检测对象被检测对象表面、近表面和表层一定深度范围内的质量信息，较好地解决了常规涡流所不能兼顾的检测灵敏度和检测深度的矛盾；近年来成为国内外涡流检测技术与应用研究中最受关注的热点领域之一。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 2 脉冲涡流检测的基本原理脉冲涡流通常是以一定占空比的方波作为激励信号施加于初级线圈，当载有方波电信号的初级线圈接近导电材料或试件时，在导体中感应产生瞬变的涡流和再生磁场。瞬时涡流的大小、衰减状况与导体的电磁特性、几何形状及耦合状况相关，次级线圈（或电磁传感器）接收到的涡流再生磁场包含有被检测对象导电率、磁导率及形状尺寸的相关信息，据此可实现脉冲涡流的检测与评价。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 2 脉冲涡流检测的基本原理图1 脉冲涡流的产生及检测信号的拾取过程

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 2 脉冲涡流检测的基本原理检测信号，即瞬态感应电压Vf的大小可根据法拉第电磁感应定律计算得出：其中，Vp为理想点线圈的感应电压，其表达式为：

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 2 脉冲涡流检测的基本原理图2 脉冲涡流典型时域波形及特征参数

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 2 脉冲涡流检测的基本原理图3 脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.1 脉冲涡流特征的研究 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作 3.3 脉冲涡流检测参数的优化

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.1 脉冲涡流特征的研究在同一材料的圆柱形金属导体直径方向不同位置上预制了相同尺寸的人工缺陷，利用磁场测量装置测量并记录了个人工缺陷响应信号的特征值，如表1所列数据。表1 脉冲涡流对于不同位置缺陷响应的时域和频域特征值[1]

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.1 脉冲涡流特征的研究

冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.1 脉冲涡流特征的研究表2 不同重复频率的特征值[1]

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作常规涡流线圈通常由激励线圈和检测线圈组成，一般均采用线径很细的铜漆包线绕制。脉冲涡流检测中，除了采用上述传统方式设计、制作激励线圈和检测线圈外，还较多地采用以铜线绕制激励线圈，用霍尔片制作探测元件。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作零件表面和近表面裂纹缺陷检测线圈的设计、制作参数：激励线圈为用直径为0.24mm的漆包线绕制，内径为10.2mm、外径为22.4mm、高为10mm，缠绕圈数为400匝，检测线圈用直径为0.07mm的漆包线绕制，内径为2mm、外径为5mm、高为2mm，缠绕圈数为800匝。文献[4] 从获得均匀磁场和较大透入深度考虑，设计、制作了一种几何尺寸为40mm×20mm×20mm（长×宽×高）、厚度为1mm的矩形线圈，共绕了400匝，并在线圈中加了磁芯以增大磁场强度；在保证较好灵敏度的前提下，较小尺寸的检测线圈有利于提高测量分辨率和精确度，因此检测线圈的设计、制作参数为：内径1.5mm、外径3mm、高2mm，共绕了800匝。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作针对普通的脉冲涡流传感器在腐蚀检测中出现的信号变化复杂、特征量难以提取的问题，研究人员还设计、制作了一种新型斜角式阵列传感器[5]。这种传感器的激励线圈为矩形，检测线圈阵列是由多个直径很小的圆柱形线圈组成，并排位于激励线圈底部的中线上。直角式阵列探头的检测线圈与激励线圈的底面相互垂直，与之不同，斜角式阵列探头的检测线圈与激励线圈的底面之间形成一个小的夹角。试验发现，这种结构的改变时的感应信号的波形发生了根本性变化，脉冲涡流信号的各项特征值的提取变得非常简单。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作基于霍尔传感器具有小型化、可以实现对磁场的直接测量，并且在较宽的低频范围内具有比检测线圈更高灵敏度的特点，较多的研究试验[6,7,8,9]采用细的铜漆包线绕制激励线圈、以霍尔传感器作为探测元件而构成了另一类脉冲涡流检测用传感器。与常规涡流检测线圈类似，有用一个霍尔片作为检测单元的“绝对式”霍尔传感器，也有将两个反向连接的霍尔片作为检测单元的“差动式”霍尔传感器。近年来研究人员还采用了集成的霍尔传感器，如95A型、UGN3505型等线性集成传感器。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.3 脉冲涡流检测参数的优化脉冲涡流检测参数的优化主要包括脉冲重复频率、脉冲方波占空比等条件的选择。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 4 脉冲涡流检测技术应用的进展到目前为止，国内尚没有商品化的脉冲涡流检测仪，本节所述的脉冲涡流检测技术的应用研究进展，主要是指相关研究人员利用自行设计、制作的简单脉冲涡流仪和传感器，针对模拟一些实际需求中的问题在实验室以带有人工缺陷的试样为对象，开展脉冲涡流检测应用研究的情况。此外，对利用进口的脉冲涡流仪在不去除隔热层和保护层条件下检测输油管线和蒸汽管道的实际应用情况作简要说明。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 4 脉冲涡流检测技术应用的进展（1）金属表面、近表面裂纹缺陷的模拟检测针对表面和次表面两类裂纹缺陷，在8mm厚的铜合金和铝合金板上分别加工制作了宽度为2mm，深度为2mm、4 mm和6 mm人工缺陷。试验结果表明：对于表面下裂纹，随着缺陷深度的增大，感应磁场最大值出现的时间就会越长；但是，对于表面裂纹，不同深度裂纹的感应磁场最大值出现的时间几乎相同。这说明脉冲涡流更适用于表面下深层裂纹的定量检测。在实际应用中，可根据不同深度人工缺陷的响应数据绘制出深度与感应磁场最大值出现时间的对应曲线，实际检测中测出缺陷响应信号最大值出现的时间后，对应到参考曲线上就可以确定缺陷的深度。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 4 脉冲涡流检测技术应用的进展（2）腐蚀缺陷的定量检测及扫描成像文献[10]提出了利用峰值扫描波形对腐蚀缺陷长度的定量检测，利用瞬态感应电压信号的过零时间对腐蚀缺陷深度的定量检测，利用瞬态感应电压信号的峰值对腐蚀缺陷体积的定量检测。文献[5]介绍了采用在激励线圈底部的正中央，按照电流的流向对称的排列了8个检测线圈的涡流阵列线圈扫查加工有模拟腐蚀缺陷试样时，对称位置上的两个检测线圈接收到涡流响应信号最大峰值的比值之间存在的规律：对于不同的腐蚀深度,当探头阵列完全经过腐蚀扫描时，比值都大于或等于0.5；当探头阵列不完全经过腐蚀扫描时，比值都小于或等于0.2。因此，可以将这个比值作为一个特征参数，来判断检测线圈是否经过腐蚀，对于没有经过腐蚀的探头，在显示腐蚀图像的时候，其经过的扫描路径将不会被显示出来，这样就可有效地消除图像的失真。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 4 脉冲涡流检测技术应用的进展（3）在役管线、管道的实际检测 ① 凝析油管线：规格为直径Φ=80mm、壁厚δ=7.6mm，材质为铁磁性钢，在管线外面包有38mm厚的海绵状玻璃体隔热层和1mm厚的铝合金外表保护层。在不去除保护层和隔热层状态下，采用脉冲涡流技术检测内部管线的腐蚀情况，与利用超声波在去保护层和隔热材料条件下的检测结果比较，对于腐蚀深度测量的最大误差仅有0.4mm，检测精度接近达到±5%。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 4 脉冲涡流检测技术应用的进展（3）在役管线、管道的实际检测 ② 蒸汽管道：规格为直径Φ=400mm、壁厚δ=10mm，材料为20号钢，在管道外面包有100mm厚的岩棉隔热层和约为1mm厚的铝合金外表保护层。在不去除保护层和隔热层状态下，采用脉冲涡流技术检测内部管道时发现两处腐蚀缺陷，采用脉冲涡流法对于这两处腐蚀深度的测量结果，与去保护层和隔热材料条件下超声的测量结果相比，最大误差分别为0.69mm、0.64mm，可满足工程检测标准要求的测量精度。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 5 结束语任何一项无损检测技术的生命力都在于其技术原理存在着有别于其它技术的特殊性，同时每一项无损检测技术又都存在各自的局限性; 脉冲涡流不仅在检测深度上比常规涡流具有较大突破，而且其响应信号中包含有可深入挖掘和广泛利用的丰富信息；脉冲涡流频谱中终究是以低频涡流成分为主，因此难以克服低频涡流检测技术的一些局限性：① 激励线圈尺寸较大，不利于小的形状较复杂的机械零件上缺陷的检测，② 对于表面微小缺陷的检测能力偏低; 对于脉冲涡流检测技术的研究，不论是理论分析方面，还是实际应用方面，只有正确把握这样一种辩证关系，才有利于更快、更有效地推进该项技术的研究与发展。

脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展 • 参考文献 • [1] 游凤荷等，脉冲涡流磁场特征分析，仪表技术与传感器，2003，第5期，38~39. • [2] 叶子郁等，应用脉冲涡流检测金属表面裂纹的研究，传感器技术，2005，24（11），39~40. • [3] 杨宾峰等，脉冲涡流无损检测技术在裂纹定量中的应用，2005，27（6），291~293. • [4] 徐平等，脉冲涡流检测系统工作点最优化设计，传感器世界，2005，第4期，15~18. • [5] 杨宾峰等，脉冲涡流腐蚀成像阵列传感器应用研究，传感技术学报，2005，18（1），112~115. • [6] 刘世杭等，脉冲涡流感应测量方法的研究，东华大学学报(自然科学版)，2001，27（6 ）49~52. • [7] 杨宾峰等，脉冲涡流无损检测技术应用研究，仪表技术与传感器，2004，第8期，45~46. • [8] 杨宾峰等，基于集成霍尔传感器的脉冲涡流无损检测装置，计量技术，2004，第10期，8~9. • [9] 杨宾峰等，脉冲涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究，计量技术，2005，第12期，15~17. • [10] 徐平等，飞机多层结构腐蚀缺陷检测系统的研究与实现，电子设计应用，2005，第10期，96~98. • [11] 徐可北等，国外电磁涡流检测的应用发展，无损检测学会第五届论文集，2001，10，黄山，264-273.

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