脉冲涡流检测技术研究及其应用的新进展

1、1 前言前言 涡流检测的有效性和可达性密切依赖于激励信号涡流检测的有效性和可达性密切依赖于激励信号的频率。的频率。 一般地，频率越高，则涡流趋于被检测对象的表一般地，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

2、定深度范围内的的透入深度增大，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。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。常规涡流检测应用中在二者之间权衡取舍的焦点。1 前言前言 宽带脉冲信号可按傅立叶级数变换理论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；分解为无限

3、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；深度的矛盾； 近年来成为国内外涡流检测技术与应用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。研究中最受关注的热点领域之一。2 脉冲涡流检测的基本原理脉

4、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）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

5、信息，据此可实率、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。现脉冲涡流的检测与评价。2 脉冲涡流检测的基本原理脉冲涡流检测的基本原理 图图1 脉冲涡流的产生及检测信号的拾取过程脉冲涡流的产生及检测信号的拾取过程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：1).(.)(VVdrdzdrdzr,z,tpf.(2).A)A(BVldltdstdstp2 脉冲涡流检测的基本原理图图2 2 脉冲涡流典型时域波形及特征参数脉冲涡流典型时域波形及特征参数 2 脉冲涡流检测的基本原理图图3 3

6、 脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究的近况 3.1 3.1 脉冲涡流特征的研究脉冲涡流特征的研究 3.2 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作脉冲涡流传感器的设计与制作 3.3 3.3 脉冲涡流检测参数的优化脉冲涡流检测参数的优化3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况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。位置位置/mm峰值峰值/mV周期周期/ssF

7、1/HzF2/Hz位置位置/mm峰值峰值/mV周期周期/ssF1/HzF2/Hz4.0107.431.54589.8530247.0104.231.58589.8530284.5109.251.54589.8530058.0102.781.54589.8530195.0107.521.48589.85301110.0103.001.49589.8529995.5107.291.49589.85302214.0102.381.54589.8530216.0106.901.54589.85300818.0101.651.54589.8530153 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究

8、的近况 3.1 脉冲涡流特征的研究 3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况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表2 不同重复频率的特征值不同重复频率的特征值1 频率频率/kHz峰值峰值/mV周期周期/ssF1/HzF2/Hz0.00336.65.30.10.47338.70.0051933253045.30.001938187530034.520.0000248901699230001030.000001468751376953 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作脉冲涡流传感器的设计与制作 常规涡流线圈通常由激励

9、线圈和检测线圈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。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，用霍尔片制作探地采用以铜线绕制激励线圈，用霍尔片制作探测元件。测元件。 3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作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：零件表面和近表面裂纹缺陷检测线圈的设计、

10、制作参数： 激励线圈为用直径为激励线圈为用直径为0.24mm的漆包线绕制，内径为的漆包线绕制，内径为10.2mm、外径为、外径为22.4mm、高为、高为10mm，缠绕圈数为，缠绕圈数为400匝，检测线圈用直径为匝，检测线圈用直径为0.07mm的漆包线绕制，内径为的漆包线绕制，内径为2mm、外径为、外径为5mm、高为、高为2mm，缠绕圈数为，缠绕圈数为800匝。文匝。文献献4 从获得均匀磁场和较大透入深度考虑，设计、制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作了一种几何尺寸为40mm20mm20mm（长（长宽宽高）、厚度为高）、厚度为1mm的矩形线圈，共绕了的矩形线圈，共绕了

11、400匝，并在线匝，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：内径确度，因此检测线圈的设计、制作参数为：内径1.5mm、外径外径3mm、高、高2mm，共绕了，共绕了800匝。匝。 3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作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

12、杂、特征量难以提取的问题，研究人员还信号变化复杂、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。检测线圈与激励线圈的底面之间形成一

13、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。得非常简单。 3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究的近况 3.2 3.2 脉冲涡流传感器的设计与制作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，较多的研究试验更高灵敏度的特点，较多的研究试验6,7

14、,8,9采用细的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。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检测单元的“绝对式绝对式”霍尔传感器，也有将两个反向霍尔传感器，也有将两个反向连接的霍尔片作为检测单元的连接的霍尔片作为检测单元的“差动式差动式”霍尔传感器。霍尔传感器。近年来研究人员还采用了集成的霍尔传感器，如近年来研究人员还采用了集成的霍尔传感器，如95A型、型、UGN3505型等线性集成传感器。型等线性集成传

15、感器。3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究的近况 3.3 3.3 脉冲涡流检测参数的优化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涡流检测参数的优化主要包括脉冲重复频率脉冲重复频率、脉冲方波占脉冲方波占空比空比等条件的选择。等条件的选择。 xfey x b ay3 3 脉冲涡流检测技术研究的近况脉冲涡流检测技术研究的近况 3.3 3.3 脉冲涡流检测参数的优化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涡流检测参数的优化主要包括脉冲重复频率脉冲重复频率、脉冲方波占空比脉冲方波占空比等条件的选等条件的选择。择。 4 4 脉冲涡流检测技术应用的进展脉

16、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

17、条件下检测输油管线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。和蒸汽管道的实际应用情况作简要说明。4 4 脉冲涡流检测技术应用的进展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）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，在针对表面和次表面两类裂纹缺陷，在8mm厚的铜厚的铜合金和铝合金板上分别加工制作了宽度为合金和铝合金板上分别加工制作了宽度为2mm，深度，深度为为2mm、4 mm和和6 mm人工缺陷。试验结果表明：对人工缺陷。试验结果表明：对于表面下裂纹，随着缺陷深度的增大，感应磁场最大于表面下裂纹，随着缺陷深度的

18、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。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，可根据不同检测。在实际应用中，可根据不同深度人工缺陷的响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

19、度。间后，对应到参考曲线上就可以确定缺陷的深度。4 4 脉冲涡流检测技术应用的进展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）腐蚀缺陷的定量检测及扫描成像 文献文献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。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。 文献文献55介绍了采用在激励线圈底部的正中央，按照电流的流介绍了采用在激励线圈底部的正中央，按照电

20、流的流向对称的排列了向对称的排列了8 8个检测线圈的涡流阵列线圈扫查加工有模拟腐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, ,当探头当探头阵列完全经过腐蚀扫描时，比值都大于或等于阵列完全经过腐蚀扫描时，比值都大于或等于0.50.5；当探头阵列；当探头阵列不完全经过腐蚀扫描时，比值都小于或等于不完全经过腐蚀扫描时，比值都小于或等于0.20.2。因此，可以将。因此，可以将这个比值作为一个特征参

21、数，来判断检测线圈是否经过腐蚀，对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。路径将不会被显示出来，这样就可有效地消除图像的失真。4 4 脉冲涡流检测技术应用的进展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）在役管线、管道的实际检测 凝析油管线：凝析油管线： 规格为直径规格为直径=80mm、壁厚、壁厚=7.6mm，材质为，材质为铁磁性钢，在管线外面包有铁磁性钢，在管线外面包有38mm厚的海绵状玻璃厚的海绵

22、状玻璃体隔热层和体隔热层和1mm厚的铝合金外表保护层。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腐蚀深度测量的最大误差仅有0.4mm，检测精度接，检测精度接近达到近达到5%。4 4 脉冲涡流检测技术应用的进展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）在役管线、管道的实际检测 蒸汽管道：蒸汽管道： 规格为直径规格为直径

23、=400mm、壁厚、壁厚=10mm，材料为，材料为20号钢，在管道外面包有号钢，在管道外面包有100mm厚的岩棉隔热层和厚的岩棉隔热层和约为约为1mm厚的铝合金外表保护层。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，最大误差分别隔热材料条件下超声的测量结果相比，最大误差分别为为0.69mm、0.64mm，可满足工程检

24、测标准要求的测，可满足工程检测标准要求的测量精度。量精度。5 5 结束语结束语 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；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，因此难以克服脉冲涡流频谱中终究是以低频

25、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：低频涡流检测技术的一些局限性： 激励线圈尺寸较大，不利激励线圈尺寸较大，不利于小的形状较复杂的机械零件上缺陷的检测，于小的形状较复杂的机械零件上缺陷的检测， 对于表面微小对于表面微小缺陷的检测能力偏低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、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。更有效地推进该项技术的研究与发展。l参考文献l1 游凤荷等，脉冲涡流磁场特征分析，仪表技术与传感器，游凤荷等，脉冲涡流磁场特征分析，仪表技术与传感器，2003