（控制科学与工程专业论文）多层导电结构电涡流检测的解析建模研究.pdf

摘要 摘要 在航空航天、核工业等重要领域对多层导电结构的无损检测与定量化评估需求非常迫 切。基于电磁感应定律的电涡流检测技术以其速度快、成本低、非接触等优点成为首选技 术之一。在分析了国内外电涡流检测解析建模的基础上，本文围绕多层导电结构电涡流检 测的解析建模理论及求解技术开展研究，主要创新点有： ( 1 ) 建立了多层导电结构谐波涡流场的积分解析模型。在建模过程中，将空间电磁 场看作线圈激励场和涡流场的叠加效应，而导电结构的参数变化仅影响涡流场。这个 观点的应用简化了涡流场的积分解析模型及其求解过程。与传统的解析模型相比，本 文建立的涡流场积分解析模型更清晰，模型求解更简单。 ( 2 ) 建立了多层导电结构谐波涡流场的级数解析模型。传统谐波涡流场解析模型为 积分模型的根本原因是涡流场问题的求解域为无穷大。在分析涡流场空间分布特性的 基础上，发现导电结构涡流场主要分布在有限半径的圆柱体空间内，据此分别应用 d i r i c h l e t 和n e u m a n n 边界条件将涡流场问题的求解域从无穷大减小为有限半径的圆 柱体，从而建立了多层导电结构谐波涡流场的级数解析模型。数值计算结果表明，通 过设置适当的求解区域半径及求和项数，级数解析模型的精度可与积分解析模型的精 度相当，但计算效率显著提高，精度调整也更方便。 ( 3 ) 提出了基于反射透射理论的多层导电结构谐波涡流场解析模型的求解方法。 与传统的基于c h e n g 矩阵法建立的模型相比，利用本文提出的新方法建立的解析模型 具有模型参数物理意义明确、可靠性和计算效率更高等优点。此外，l u q u i r e 应用9 3 纳法建立的线圈阻抗变化量的积分解析模型虽然应用效果良好，但迄今尚未得到数学 证明。利用本文提出的新方法证明了l u q u i r e 建立的线圈阻抗变化量的积分解析模型。 ( 4 ) 建立了基于f o u r i e r 和l a p l a c e 反变换的多层导电结构脉冲涡流场的时域解析模 型。在基于f o u r i e r 反变换的脉冲涡流场时域解析模型中通过引入衰减因子减小g i b b s 效应对模型精度的影响。在基于l a p l a c e 反变换的脉冲涡流场时域解析模型中，分别 提出了基于解析和数值求解l a p l a c e 反变换的建模方法。最后，应用卷积定理将建立 的脉冲涡流场时域解析模型推广到了任意激励下瞬态涡流场的时域解析模型。 本文围绕多层导电结构涡流场的解析建模开展研究，研究工作有利于理解电涡流检测 机理、建立快速准确的仿真器、提高仪器性能以及构建反演模型，从而提高多层导电结构 1 1 1 浙江大学博士学位论文 电涡流检测的能力。 关键词：多层导电结构、电涡流检测、涡流场、解析模型、线圈阻抗变化量、反射一 透射理论、傅立叶反变换、拉普拉斯反变换 i v a b s 仃a c t a b s t r a c t n o n d e s t r u c t i v et e s t i n ga n de v a l u a t i o no fm u l t i l a y e r e dc o n d u c t i n gs t r u c t u r e si sd e m a n d i n g u r g e n t l yi nt h ec r i t i c a l l yi m p o r t a n tf i e l d s ，s u c ha sa i r c r a f ta n dn u c l e a ri n d u s t r i e s e d d yc u r r e n t ( e c ) t e s t i n gh a sb e e no n eo ft h ep r e f e r a b l et e c h n i q u e s ，b e c a u s ei ti saf a s t ，c o s t - e f f e c t i v ea n d n o n c o n t a c tm e t h o d a f t e rag e n e r a ls u r v e yo ft h es t a t eo ft h ea r to fm o d e l i n gt h e o r yi ne c t e s t i n g ，t h es t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o ni sd e e p l yd e v e l o p e da r o u n da n a l y t i c a lm o d e l i n ga n dm o d e l s o l u t i o nm e t h o d sf o re ci n s p e c t i o no fm u l t i l a y e r e dc o n d u c t i v es t r u c t u r e s t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec l o s e d f o r ma n a l y t i c a lm o d e lo fh a r m o n i ce d d yc u r r e n t si nl a y e r e dc o n d u c t i v e s t r u c t u r e si sp r e s e n t e dw i t ha ni n t e g r a lf o r m d u r i n gt h em o d e lf o r m u l a t i o n ，t h en e t m a g n e t i cf i e l di nt h ew h o l es p a c ei sd i v i d e di n t ot h ec o i le x c i t a t i o nf i e l da n de cf i e l d ， a n dt h ev a r i a t i o no fp a r a m e t e r so fm u l t i l a y e r e ds p e c i m e no n l yc h a n g e se cf i e l d t h e a p p l i c a t i o no ft h ec o n c e p t sa b o v es i m p l i f i e st h ea n a l y t i c a lm o d e lo fe cf i e l d ，a n dm o d e l s o l u t i o n sa r ea l s or e d u c e d i nc o m p a r i s o nw i t ht h ec o n v e n t i o n a la n a l y t i c a lm o d e l ，t h e d e v e l o p e dm o d e li sm o r ec o n c i s ea n de a s i e rt os o l v e ( 2 ) a ni m p r o v e da n a l y t i c a l m o d e lo fh a r m o n i ce d d yc u r r e n t si n l a y e r e dc o n d u c t i v e s t r u c t u r e si se s t a b l i s h e d ，a n dt h es o l u t i o n st ot h ep r e s e n t e dm o d e lt a k eas e r i e sf o r m i n t h et y p i c a lm o d e lo fh a r m o n i ce cf i e l d ，t h eb o u n d a r i e so ft h ep r o b l e ma r es e tt oi n f i n i t y , t h u sr e s u l t i n gi ni n t e g r a l - f o r ms o l u t i o n s a f t e rt h ea n a l y s i so fe d d yc u r r e n td i s t r i b u t i o n ，i t i sf o u n dt h a tt h ee cf i e l di sm a i n l yc o n f i n e di naf i n i t ed o m a i n b a s e do nt h ed i s c o v e r y a b o v e ，t h ep r o b l e mr e g i o n ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i sr e d u c e dt oac y l i n d e rw i t haf i n i t e r a d i u sb yi m p o s i n gd i r i c h l e ta n dn e u m a n nb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，r e s p e c t i v e l y t h u st h e r e s u l t i n gs o l u t i o n st ot h ei m p r o v e dm o d e lt a k et h ef o r mo fas e r i e sr a t h e rt h a na ni n t e g r a l w i t hr e s p e c tt oa c c u r a c y , t h eo b t a i n e ds e r i e s f o r mm o d e li sa sg o o da st h ei n t e g r a lm o d e l i ft h ep r o b l e mr e g i o na n ds u m m a t i o nt e r m sa r el a r g ee n o u g h i nt e r m so fc o m p u t a t i o n s p e e d ，a c c u r a c yc o n t r o la n ds i m p l i c i t yi nt h e m o d e l sc o m p u t e ri m p l e m e n t a t i o n ，t h e d e v e l o p e di m p r o v e dm o d e li sm u c hb e t t e r ( 3 ) t h er e f l e c t i o t r - - t r a n s m i s s i o nt h e o r yb a s e dm e t h o di sp u tf o r w a r dt os o l v et h ea n a l y t i c a l v 浙江大学博士学位论文 m o d e lo fh a r m o n i ce cp r o b l e m sf o ri n s p e c t i o no fm u l t i l a y e r e dc o n d u c t i v es t r u c t u r e s c o m p a r e dt ot h ea n a l y t i c a lm o d e lb yt h ec o n v e n t i o n a lc h e n g sm a t r i xm e t h o d ，t h e m o d e lb yt h ep r e s e n t e da l t e r n a t i v em e t h o dh a sam o r ec l e a ra n dc o n c i s ef o r m m o r e o v e r , i ti sf a s t e ra n dm o r er e l i a b l ei nt h em o d e l sc o m p u t e ri m p l e m e n t a t i o n i na d d i t i o n ， a n o t h e rm o d e lf o rc o m p u t i n gt h ei m p e d a n c ec h a n g e ，w h i c hi se s t a b l i s h e db yl u q u i r e u s i n gi n d u c t i v em e t h o d ，h a sv e r yg o o dp e r f o r m a n c ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n h o w e v e r , as t r i c tp r o o fo ft h el u q u i r e sm o d e lh a sn o tb e e np r o v i d e d i nt h i st h e s i s ，l u q u i r e s m o d e li sp r o o f e du s i n gt h ed e v e l o p e dr e f l e c t i o n - - t r a n s m i s s i o nt h e o r yb a s e dm e t h o d ( 4 ) f o u r i e ra n dl a p l a c et r a n s f o r mb a s e dm e t h o d sa r ep r e s e n t e dt om o d e lt h et r a n s i e n te c f i e l di nt i m ed o m a i nf o r i n s p e c t i o no fm u l t i l a y e r e dc o n d u c t i v es t r u c t u r e s i n t h e f o u r i e r t r a n s f o r mb a s e dm o d e l ，a na t t e n u a t i o nf a c t o ri s b r o u g h t i nf o rb e r e r a p p r o x i m a t i o no fp u l s ee x c i t m i o n ，t h u sl e a d i n gt ot h es u p p r e s s i o no fg i b b se f f e c t i nt h e l a p l a c e - t r a n s f o r n lb a s e dm o d e l ，t h et h e o r e t i c a l m o d e lo ft r a n s i e n te cf i e l di n c o m p l e x - f r e q u e n c yd o m a i ni si n v e r t e db ya n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lm e t h o d ，r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , u s eo ft h ec o n v o l u t i o nt h e o r e me x t e n d st h et i m e d o m a i nm o d e lo ft r a n s i e n te c f i e l dt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft r a n s i e n te cf i e l di nt i m e d o m a i nf o ra r b i t r a r y e x c i t a t i o ni ne ct e s t i n g t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e da r o u n da n a l y t i c a lm o d e l i n ga n dm o d e ls o l u t i o nm e t h o d sf o re c t e s t i n go fm u l t i l a y e r e dc o n d u c t i v es t r u c t u r e s a l l t h ec o n t r i b u t i o n sc o u l dh e l pu sg r a s pt h e e s s e n c eo fe d d y c u r r e n te f f e c t ，e s t a b l i s haf a s ta n da c c u r a t es o l v e r , i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f e ci n s t r u m e n t ，a n df o r ma ni n v e r s em o d e l f i n a l l y , t h ep r o g r e s so na n a l y t i c a lm o d e l i n gi ne c t e s t i n gm a d eb yt h ea u t h o ri m p r o v e st h ee v a l u a t i o no fm u l t i l a y e r e dc o n d u c t i v es t r u c t u r e s k e y w o r d s ：m u l t i l a y e r e dc o n d u c t i v es t r u c t u r e s ，e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，e d d yc u r r e n tf i e l d ， a n a l y t i c a lm o d e l ，c o i li m p e d a n c ec h a n g e ，t h e o r yo fr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n ，i n v e r s i o no f f o u r i e rt r a n s f o r m ，i n v e r s i o no fl a p l a c et r a n s f o r m v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：克豆誓躺签字日期：多岬年6 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：诱鳓勺 签字日期：) 岬年 6 月l1 日 导师签名： j 虱埤 签字日期：2 矽7 年月，日 致谢 致谢 当写到致谢的时候，我的博士学习也就快要结束了。回首过去的五年感慨万千! 过去 五年的学习生活中有欢乐也有痛苦，有成功的喜悦也有失败的苦涩。当然九九八十一难之 后收获也是丰厚的。在此，我首先要感谢的是我的导师周泽魁教授。无论工作还是生活上， 周老师治学非常严谨，和蔼可亲，严于律己宽以待人以及踏实做事的风格都深深影响了我。 在五年的学习期间我从未听到周老师严厉批评的声音，更多的是微笑和鼓励。周老师踏实 的工作风格和严于律己宽以待人的高尚品德永远值得我学习，将使我受益终生! 感谢张光新教授在工作学习以及为人处事等方面给予的细心指导和关怀。张老师务实 忘我的工作作风、勤奋严谨的治学习惯诠释了浙大“求是”校训的内涵。 感谢黄平捷副研究员在课题研究和论文写作方面给予了大力支持和帮助。黄老师涉猎 广泛，诙谐幽默。工作上，他是我们的领路人；生活上，他经常与我们谈心，是我们的好 朋友。 感谢侯迪波副教授在学习生活等方方面面给予的大力支持和帮助。我有幸在侯老师手 下工作月余。侯老师工作能力之强，布置任务之细令我深深敬佩。 感谢黄志尧教授、杨江副教授、王保良副教授、胡赤鹰高工在理论指导和电路设计甚 至器件购买等方面给予的细心全面的指导和帮助! 感谢仪表所的其他老师给予的各种指导和帮助! 特别感谢英国n e w c a s t l e 大学的田贵云教授。在电涡流检测技术研究方面，田贵云教 授是世界级的权威教授。他不仅学识渊博，而且对后生非常关心，即使像我这样的普通学 生。我时常不厌其烦的向田教授请教学术问题，他总是及时地细致地回答我的问题。 特别感谢希腊w e s t e mm a c e d o n i a 大学的t h e o d o r o st h e o d o u l i d i s 教授。t h e o d o u l i d i s 教授是一位热心肠的国际权威教授，他在电涡流检测建模尤其是解析建模方面深有研究， 在国际上都很有影响。在几十次来来往往的邮件联系过程中，不仅解决了我的很多困惑， 而且使我明白了应该怎么做一名合格的博士研究生。我取得的研究成果有相当一部分要归 功于t h e o d o u l i d i s 教授的点拨和指导。 感谢电气学院的倪光正教授、杨仕友教授和姚缨英教授等。他们在电磁理论学习、电 磁场数值计算甚至a n s y s 软件的应用方面都给予了太多太多的指导! 每次向他们求助，他 们都是尽其所能。当我不知道如何寻找研究方向时，倪老师教育我，并赠送我一本会议论 t 浙江大学博士学位论文 文集；在a n s y s 软件的使用方面，姚缨英老师甚至指定她的博士生亲自教我。没有他们的 指导和帮助，我的课题研究不可能进展的这么顺利! 特别感谢叶波博士在课题研究工作中给我的指导和帮助。我们经常探讨学术问题，相 互切磋、相互质疑、相互学习。这样美好的时光令我非常怀念! 感谢武海鑫硕士、龚翔硕士、贺光琳硕士在实验系统的研发、有限元仿真等方面给我 的大力支持和帮助。虽然你们都已毕业，但我取得的成绩中有你们的一份功劳。 感谢李国厚博士、陈佩华博士、高扬华硕士和蔡文硕士。你们在实验系统改进、课题 实验等方面给我了很多很多的帮助和支持! 工作中，我们配合默契，是好搭档；生活上， 我是益友，我们彼此互帮互助! 感谢已毕业和在读的众位师兄、师弟和师妹们，他们是：蔡晋辉博士、黄翼虎博士、 谷小红博士、张同军博士、刘国华博士、张浩博士、颜志刚博士、郑松博士、才辉博士、 宋筱轩博士、朱莉硕士、于洋硕士、郦光府硕士、唐晓芬硕士、向丰硕士、徐益挺硕士等， 感谢你们在学习和生活上给我的帮助和支持。 感谢8 8 电路板、有限元板、数值仿真板、学术论文板、老乡板等以及校外s i n w e 、小 木虫等众多网友在学术研究和生活上给予的各种大力支持和帮助。虽然有更多的网友我并 不知道你们的名字，甚至已经记不清你们的i d 了，但你们的热心、爱心是我学习的榜样。 感谢a d i 、t i 等公司的技术支持工程师们。当我刚剐开始学习电路设计时，是你们的 大力支持和帮助使得我有信心坚持下来。 感谢我的女友曹丙花博士。在读博的坎坷道路上，我们相濡以沫，相互鼓励，相互支 持。最困难、最抑郁的时候你总是陪伴在我身边，安慰我鼓励我，让我重拾信心! 最不能忘记的是辛辛苦苦养育了我近三十年的父母。你们坚忍朴实的性格深深影响着 我，这使我在求学的道路上不惧困难、不怕辛苦。在我取得的成绩中功劳最大的是你们! 非常遗憾和惭愧的是，虽然已近而立之年，却还无法尽孝道。工作后我再慢慢偿还。 感谢我的哥哥、嫂子和妹妹，是你们做出的伟大牺牲成全了我。此外，还要感谢我的 小侄子、小侄女以及小外甥女，你们带给我了很多欢乐! 最后，一并感谢我所有的亲人们和朋友们，谢谢你们的关心、支持和鼓励! i l 范孟豹 二零零九年六月于西子湖畔求是园 绪论 第1 章绪论 摘要 本章综述了无损检测技术、电涡流检测技术的基本原理、应用及特点，简单介绍了电 涡流检测技术的发展历史，总结了当前的研究热点和方向。然后从谐波涡流和脉冲涡流两 个方面系统全面地总结了电涡流检测技术建模理论的研究进展及现状。最后，勾勒了全文 的研究思路，指出了全文的研究内容、总体框架和创新点。 1 1 引言 无损检测与评估技术在工业中被广泛应用于产品和材料的质量控制、在役在线检查和 故障诊断【1 1 。术语“无损检测与评估”通常指在不破坏被测件的情况下对材料属性和产品 质量进行检测的技术。很多高科技产品经常工作于高温、高压的极端环境下，或延长与化 学反应材料的接触时间，所以发展无损检测与评估技术对保障高科技产品的安全和可靠性 非常重要2 ，3 1 。无损检测的中心任务就是评估某个产品能否成功地完成既定任务。世界上 几乎不存在完美无暇的产品和材料。实际上，如果一个产品的各项性能指标在规定的容差 范围内就认为是质量好的产品。因此，无损检测与评估的目的可归纳为：判断材料或者产 品的性能指标是否满足要求。 材料和结构的无损检测与评估的历史非常悠久。在古代，人们主要采用目视法和敲击 法【4 ，5 】完成材料和结构的无损检测。磁粉和渗透技术的出现是一个重要的里程碑，标志着 人们有了更灵敏、更可靠的无损检测与评估技术。随着对声、光、电等各种现象的研究及 应用，可供选择的无损检测技术越来越多。后来，数据采集和显示技术的重大突破又一次 推动了无损检测与评估技术的快速发展，因为数据采集和显示能力的提高使得人们能够记 录与结构断裂和材料属性等有关的更多信息。上世纪5 0 年代，以电磁波和弹性波为基础 的实用仪器相继出现。从根本上说，这些仪器主要测量和分析各种波的反射和透射现象。 早期以电涡流和x 射线、超声、红外热成像、激光全息等技术为主，后来又陆续出现了声 发射、激光错位散斑干涉、太赫兹等新型无损检测技术。在8 0 年代以前，数据分析和解 释主要依赖从业人员的经验和专家知识。那个时代，研究人员要通过大量实验和数据分析 才可能发现新特点和新方法，因此仪器性能的提高速度很慢【4 】。 1 浙江大学博士学位论文 早期因认识有限，确定材料和结合件的强度是无损检测技术的主要目标之。很快人们 发现能够直接从测量结果中获取材料和结构的完整性和硬度信息，而强度和持久性是材料 的统计特性非物理属性，无法直接测量 4 ，5 1 。2 0 世纪7 0 年代初，为了应用理论模型和解 析求解方法建立无损检测技术的坚实基础，d a r p a 开始从事和资助定量化无损检测与评 估的相关研究【4 ，5 】。从那时开始，在空军材料实验室的资助下，每年都举办学术会议，回 顾总结定量化无损检测与评估技术的研究进展。会议的举办开展和加强了研究机构、企业 等之间的技术合作，为报道学术和工程应用进展提供了良好平台。随着技术的发展，人们 能够准确可靠地检测的缺陷越来越小，而且对操作人员的依赖性也日益减少，降低了人为 因素引起的检测误差。计算机、电子技术以及解析建模技术的发展结束了无损检测与评估 技术的定性时代，开启了定量化检测与评估的新时代【4 ，5 】。 众所周知：没有一种方法能解决所有的检测问题，所以人们正在努力研制集成数种方 法的新仪器。性能互补检测方法的相互结合能够提高系统的检测能力，性能相近检测方法 的结合能够提高系统的可靠性1 4 , 5 1 。目前，正在研究各种数据融合技术在无损检测仪器中 的应用，以期提高信号解释能力，更重要的是实现数据的有效采集和处理。至今，已经出 现了在硬件不变的情况下，能够实现超声和涡流双模检测的商业化检测仪器。为了保证此 类系统的性能，一般使用商业化软件包处理由各种检测方法获得的信息。一旦获取了数据， 就可应用一些界面非常友好的通用软件包完成图像分析和处理。硬件处理速度和性能的不 断提升使得测量结果的实时成像成为可能，如射线、超声、激光全息等。除计算机软硬件 外，使用解析工具箱和有限元分析，通过图形化的交互式过程仿真就能完成检测程序的确 定。更重要是的，微电子技术的进步推动了袖珍仪器的发展。 除了多种方法的相互结合以提高仪器性能外，近些年来无损检测技术不仅融合其它领 域的新技术，而且也开始渗透到其它领域，如医疗诊断、采矿、地球物理学、基础设施、 遥感测量、微电子、微机电系统、自动化等【5 ，v j 。在这个背景下，a s n t 会议越来越多地 包含了交叉学科的内容，如机器人、医疗诊断与护理、技术转让、小型化等。国际无损检 测学界继续努力，为降低检测成本、减少对设备寿命的影响，提高无损检测技术能力和可 靠地检测关键缺陷的目标而不懈努力着1 4 , 5 , 6 。 进入2 1 世纪以后，无损检测技术向快速化、标准化、数字化、程序化和规范化方向 发 4 - 6 。其中包括高灵敏度、高可靠性、高效率的无损检测仪器和方法，无损检测标准的 制定，操作步骤的程序化、实施方法的规范化、缺陷探伤和评价的标准化等。另外，目前 在世界范围内出现了统一人员资格培训、标准、考核和认证等趋势【6 】，这对无损检测技术 2 的深入广泛应用和全球化打下了坚实的基础。无损检刊技术已经成为产品质量保证、在线 在梗检查和系统安全运行必不可少的重要手段。 1 2 电涡流检测技术概述 1 21 电涡流检剥技术的基本原理 电涡流检测方法是一种快速低成本的无损检测方法f 7 删，其基本原理如图1 1 所示 田l l 电涡流检测技术的基本原理 当给线圈施毗交变信号时，在线圈周围及导电媒质内产生交变磁场。由法拉第电磁感 应定律可知，在导电媒质内会产生旋涡状的电场，进而形成旋涡状的电流，即涡流1 9 , 邶 涡流的强弱与媒质属性有密切关系，而涡流的存在也会引起空间磁场的变化若通过线圈 霍尔等磁场传感器测量磁场的变化，就可以获知媒质的各种信息，如电导率、磁导率、厚 度以及媒质中是否存在腐蚀、裂纹等缺陷。 1 22 集肤效应与渗透深度 将导电媒质放置在变化的磁场中，或在导电媒质中通以交变电流，在交变磁场产生的 感应电场作用下，电磁场会在导体表面分布密集，且沿纵深方向衰减。频率越高，导体表 面分布越密集，冶纵深方向衰减也越快，这个现象称为集肤效应i 。集肤效应使得涡流 密度在导电材粹内部分布不均匀，在靠近线圈表面一侧最密集，且随着漾度增加涡流密度 浙江大学博士学位论文 以指数的速度衰减。人们规定：涡流密度 衰减到表面1 e ( 约为3 6 8 ) 的深度称为 渗透深度。渗透深度可用来衡量电涡流检 测方法的探测能力。电涡流的渗透深度与 激励频率、被测试件的电导率和磁导率有 关，它们之间的函数关系如下 万：占( 1 1 ) q 可掣 西_ 线、琶 囤凝溅团嬷 + 卜_ 涡流密度涡流密度 频率高频率高 电导率大、磁导率大电导率大、磁导率大 、 图1 2 集肤效应 式中，6 为渗透深度，为线圈激励频率， 仃和分别为试件的电导率和磁导率。 由上式可知，当检测表面缺陷或者很薄材料的厚度时，需要给线圈通以高频激励以提 高灵敏度；当检测较厚材料内部缺陷时，必须降低工作频率以增加渗透深度。 1 2 3 电涡流检测技术的应用及特点 由电涡流检测技术的基本原理可知，只要是含有导电材料的设备，都可应用电涡流检 测技术进行检测与评估，因此电涡流检测技术的应用领域是极其广泛的7 。根据试件的 测量属性可分为： 测量微小位移 1 2 , 1 3 1 。如通过测量位移变化监测轴的振动和磨损状况。 材料厚度和涂层厚度检测1 4 - 1 6 1 。 电导率1 5 , 1 6 、磁导率测量。如材料分类与识别、渗碳层深度测量、传热过程监测 等。 缺陷检测 1 7 之o 】。检测飞机、铁轨、管道等中的腐蚀、疲劳裂纹等，并评估设备需 要维修还是继续服役。 任何检测技术都有优点和缺点，电涡流检测技术当然也不例外。电涡流检测技术的主 要优点有：能检测材料表面和内部的各种缺陷、检测结果具有实时性、仪器设备携带方便、 检测前不需要太多的准备工作、检测成本低、速度快【7 8 】。 电涡流检测技术的局限性主要表现在【8 】：只能用于渗透深度内的导电材料检测、技能 及培训成本比其它检测技术高、检测结果受缺陷方向和探头扫描方向的影响。 4 ， 深度 1 3 电涡流检测技术的发展简史 电j j 5 流检测技术的起源可追溯到18 3 1 年法拉第发现电磁感应 定律拉1 捌。法拉第是1 9 世纪韧的化学家，但却因发现电磁感应和 磁光效应等现象闻名于世。电_ j i ；流现象最早是由法国物理学家 【肿n f o u c a u l t 发现的，因此电涡流时常被称为“f o u c a u l t 电流” 2 2 1 。f o u c a u l t 通过让铜盘在强磁场中运动证实了在盛场中运动的 导电材料会产生涡流1 8 7 9 年电涡流检测技术又有了突破性进 展。英国科学家d a v i d h u g h e s 发现，在通有交变信号的线圈附近 放置电导率和磁导率不同的材料时，线圈的感应电压会发生变化l 圳】但这个发现直到第 二次世界大战结束后才开始得到工业应用，因为当时电涡流检测技术缺乏理论基础，仪器 性能差灵敏度低，只能测量信号的幅值变化，无法有效地克服各种干扰因素，检测结果 重复性差【7 - 。 真正在理论和实践上完善电涡流检测技术，并将之实用的是德国的f o s t e r 博士p 圳2 2 从1 9 3 3 年开始，f o r s t e r 博士在k a i s e r - w i l h e l m 研究所工作期问兢开始了电涌流检测技术 的理论与应用研究。f o r s t e r 博士清晰阐释了复数平面信号分析方法，并特其应用于仪器 信号分析他将线圈实部印电阻分量作为横坐标，将线圈虚部印电抗作为纵坐标，由此剖 立了电_ ； 流检测信号二维平面阻抗图分析法【7 , 8 。2 1 捌。f o r s t e r 博士不仅建立完整的理论体 系，还开发了实用的电涡流检测装置他设计的实验装置能用于电导率的测量和对混合的 铁磁物体进行分类f o r s t c r 博士目建立了实用完善的分析理论而被称为“电涡流检测技 术之殳- f 硼 上世纪五、六十年代是电_ j i 流检测技术发展的黄金时期，涌现了大量的研究成果，特 别在飞机、航空器以及桩工业领域删。当时，美国、苏联等工业发达国家对电涡流检测 技术的研究都投入了大量的人力和物力在f o r s t e r 之后，l i b b y 、d o d d 、s c h n f i d t 等人验 证完善了f o r s t e z 博士的理论，研制开发了性能更好的电涡流仪嚣设备，并发展了多频涡 流、脉冲j i 流、远场涡流等新的检测技术咐这些研究成果不仅极大地提高了仪器性能， 而且也大大拓宽了电_ j 流检测技术的应用领域至夸，电j j 流检测技术已经广泛用于导电 结构的检测与评估中 浙江大学博士学位论文 1 4 电涡流检测技术的研究进展与现状 1 4 1 谐波涡流检测技术 所谓“谐波涡流检测技术”就是探头激励为正弦波的传统电涡流检测技术。根据探头 激励中含有单个还是多个频率的正弦波，谐波涡流检测技术可分为单频和多频涡流检测技 术两种。与单频涡流检测技术相比，多频涡流检测技术能够获得更多信息，能同时测量更 多参数。目前，在众多电涡流检测技术中，谐波涡流检测技术仍然是应用的主流 2 3 - 2 5 】。 对于平板型导电结构的应用，谐波涡流检测技术的学术研究主要围绕提离抑制、信号 处理技术和缺陷的定量化等方面开展研究。提离就是探头与待测结构上表面之间的距离， 探头提离效应的抑制一直是谐波涡流检测技术的研究热点。h h o s h i k a w a 2 6 】将激励线圈和 检测线圈分开。与常用的圆柱型线圈探头不同的是，检测线圈采用了矩形线圈，并与激励 线圈垂直放置。这样检测线圈的感应电压不再含有提离噪声。d k i r n 2 7 】研究了提离变化 对探头信号的影响规律，通过信号处理去除了提离效应。y n a g a y a 1 8 】引入图像处理技术， 将2 d 扫描的探头信号作为图像，然后采用模式匹配法和遗传算法完成缺陷识别和定位。 对于涡流反演问题，所有的研究方法一般可分为模型法和非模型法【2 0 1 。非模型法主要应 用先进的信号处理技术建立缺陷尺寸和信号特征之间的关系，对二者之间的机理关系则不 予理睬。非模型法的典型代表是基于人工神经网络的反演模型。非模型法的反演模型的特 点是速度快，但缺点是需要大量的学习样本，而很多应用场合恰恰很难获得训练样本。模 型法则不需要任何学习样本，它需要建立缺陷尺寸与探头响应之间的物理模型。通过不断 优化缺陷尺寸，使得仿真结果和测量结果的误差最小。基于模型法的反演模型的缺点是需 要反复多次计算正向模型，所以检测速度很慢，很难实时完成缺陷的定量化过程。 1 4 2 脉冲涡流检测技术 脉冲涡流检测技术是近些年发展起来的新技术，它的提出源于对飞机结构中第二层螺 栓下面缺陷的检测需求2 8 。3 0 】。脉冲涡流检测技术采用周期性或非周期脉冲激励探头，典型 探头响应如图1 3 所示。 6 绪论 暑 k 司 咖日 基 制 趟 脚 氆 镫 时间t ( m s ) 图1 3 典型的脉冲涡流检测探头响应曲线 脉冲涡流探头响应的信号特征不再是幅值和相位，而是峰值、峰值时间和过零时间等。 与谐波涡流检测技术相比，脉冲涡流检测技术具有频谱范围宽、探头响应的信息量丰富、 仪器成本低、渗透深度大等优点【2 3 1 ，这些独特优势吸引了很多优秀学者从事相关研究。 脉冲涡流检测技术主要应用于缺陷尤其是深层缺陷检测和多层材料属性测量【3 4 1 。 脉冲激励具有连续频谱，且低频分量起主导作用。根据集肤效应和传播速度，高频分 量最先返回，而低频分量因传播深度大而后返回。这样探头信号中既含有试件表面缺陷信 息，也含有内部缺陷信息，非常便于不同深度处导电材料的定量化无损检测【3 们。目前有 很多学者将各种先进的信号处理技术用于脉冲涡流信号分析，并在缺陷定量检测方面开展 研 3 1 - 3 3 。 1 4 3 远场涡流检测技术 远场涡流( r e m o t ef i e l de d d yc u r r e n t ，r f e c ) 检测技术是一种能穿透金属管壁的低频 涡流检测技术 3 5 , 3 6 ，最早是由w r m c l e a n 于1 9 5 1 年提出的【3 刀。t s c h m i d t 首次设计了 远场涡流装置，并用来检测试件底部孔型缺陷【3 6 ，3 7 1 。远场涡流检测技术的原理如图1 4 所 示。 浙江大学博士学位论文 因 激励线圈 囟 因 检测线圈 囟 图1 4 远场涡流检测技术的基本原理 r f e c 技术的探头由激励和检测两个线圈组成。激励线圈和检测线圈的距离一般为待 检测管件直径的2 3 倍 8 , 3 6 , 3 7 】。激励线圈产生的磁场( 能量) 穿过管壁向外扩散，在远场 区又再次穿过管壁向内传播，从而被检测线圈接收。r f e c 技术的工作频率一般为 2 0 h z - 2 0 0 h z ，是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术 3 7 1 。 虽然远场涡流检测技术早在1 9 5 1 年就出现了，但当时因人们对远场涡流技术的认识 很有限，且电子技术也不发达，r f e c 检测技术并没有得到充分发展和广泛的工程应用 3 6 , 3 7 】。直到8 0 年代中期，s c h m i d t 在论文中详细阐释了远场涡流效应机理。以后随着r f e c 理论的逐步完善和实验验证，远场技术用于管道、特别是铁磁性管道检测的优越性才逐渐 为被人们所接到3 7 1 。随后，一些先进的r f e c 检测系统也陆续出现，并在核反应堆压力 管、石油及天然气输送管和城市煤气管道的检测中得到实际应用。目前，r f e c 检测技术 被认为是管道在役检测最有前途的技术 8 , 3 7 - 3 9 】。此外，通过采取屏蔽技术减小能量间的直 接耦合能力，r f e c 检测技术也被推广到平板试件中深层缺陷检测【3 9 1 ，而脉冲r f e c 检测 技术也开始得到重视与研刘3 8 】。 1 4 4 电涡流阵列检测技术 电涡流阵列( e d d yc u r r e n ta r r a y ) 检测技术是上世纪8 0 年代末期出现的一种新型涡流 检测技术【8 ，4 0 1 。它通过磁场传感器结构的特殊设计，借助于电涡流仪器的强大分析、计算 及处理功能，实现对材料和零件的快速、有效检测。图1 5 是一种典型的检测线圈阵列结 构。 绪论 线圈阵列轴的方向 图1 5 检测线圈阵列探头结构图 除了线圈式阵列探头外，还出现了霍尔传感器阵列探判6 3 1 、巨磁电阻阵列探头【删等。 电涡流阵列检测技术的主要优点有【8 ，2 2 ，删： 夺检测线圈尺寸大，扫描覆盖区域大，能有效消除机械结构运动引起的噪声，其检 测效率是常规涡流的1 0 倍以上； 令阵列探头由几个或几十个线圈和磁场传感器有序排列组成，能检测各种深度和各 种方向的缺陷； 令能根据被测零部件设计专用的阵列探头【4 1 1 ，可不需要设计复杂的机械扫描装置。 时至今日，电涡流阵列技术的探头优化研究已成为当前的一个研究热点，而市场化的 电涡流阵列检测仪器也已经出现。如a m c