涡流检测第5章 - 涡流检测新技术

1、第第5章章 电磁涡流检测新技术电磁涡流检测新技术5.15.1远场涡流新技术远场涡流新技术50年代末，远场涡流检测技术首先用于检测油井的套管。但当时由于人们对远场涡流技术的认识很有限，且电子技术也不太发达，远场涡流检测法未能得到充分的发展。直到80年代中期，随着远场涡流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）检测的优越性才被人们广泛认识，一些先进的远场涡流检测系统也开始出现，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。目前认为远场涡流检测是管道在役检测最有前途的技术。5.1.1 远场涡流特点远场涡流特点 图5-1 远场涡流检测探头 采用穿过式探

2、头（见图5-1），检测线圈与激励线圈分开，且二者的距离是所测管道内径的二至三倍；采用低频涡流技术能穿过管壁；主要用于石油天然气管道和油井管道等；需要检测的不是线圈的需要检测的不是线圈的阻抗变化阻抗变化，通常是测量检测线圈的感应电压与激励电流之间的相位差；激励信号功率较大，但检测到的信号却十分微弱（一般为微状）；能以相同的灵敏度检测管壁内外表面的缺陷和管壁变薄情况，而不受趋肤效应的影响；检测信号与激励信号的相位差与管壁厚度近似成正比，“提离效应”很小。 采用远场技术进行检测，其灵敏度几乎不随激励与检测线圈间距离变化而变化，探头的偏摆、倾斜对结果影响很小。此外，这种检测方法由于采用很低的频率，检测

3、速度慢，不宜用于短管检测，且只适用于内穿过式探头。若采用外穿过式探头，灵敏度将下降。实验表明，采用外穿过式探头，灵敏度将下降50%左右。 5.1.2 远场涡流检测系统的组成远场涡流检测系统的组成 远场涡流检测设备一般由下列五个部分组成： 振荡器：作为驱动线圈的激励源，同时提供相位测量的参考信号。功率放大器：用来提高激励源的功率。探头的驱动定位装置：它包括探头和确定探头轴向位置的编码和数据计算系统。相位及幅值检测器：通常选用锁相放大器来测量检测线圈的信号。微型计算机：用于储存、处理和显示检测信号和数据。图5-2 远场涡流检测系统原理框图 1管外壁检测信号幅值 2管内壁检测信号幅值 3管壁内壁检测

4、信号相位曲线图2-3 检测线圈信号特征 由图可以看出，随两线圈间距的增加，检测线圈感应电压的幅值开始急剧下降，然后变化趋于缓慢，而相位存在一个跃变。通常把信号幅值急剧下降后变化趋缓而相位发生跃变之后的区域称为远场区远场区；靠近激励线圈信号幅值急剧下降区域称为近场区近场区；近场区与远场区之间的相位发生较大跃变的区域称为过渡区域过渡区域。5.2脉冲涡流检测技术 涡流检测的有效性和可达性密切依赖于激励信号的涡流检测的有效性和可达性密切依赖于激励信号的频率。频率。 一般地，频率越高，则涡流趋于被检测对象的表面一般地，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

5、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。面缺陷的检测灵敏度随激励信号频率的降低而明显下降。 以以降低检测灵敏度来提高涡流检测深度，或以减小涡

6、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检测应用中在二者之间权衡取舍的焦点。5.2.1 前言前言 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；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

7、定深度范围内的质量信息，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；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。注的热点领域之一。5.2.2 脉冲涡流检测的基本原理脉冲涡流检测的基本原理 脉冲涡流通常是脉冲涡流通常是以一定占空比的方波以一定占空比的方波作为激励信号施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，在导体中感应料

8、或试件时，在导体中感应产生瞬变的涡流和再生磁场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。的相关信息，据此可实现脉冲涡流的检测与评价。 图图4 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 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

9、算得出： 其中，Vp为理想点线圈的感应电压，其表达式为： .(2).A)A(BVldltdstdstp1).(.)(VVdrdzdrdzr,z,tpf图图5 5 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 图图6 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 5.2.3 5.2.3 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。 表表1 脉冲涡流对于不同位置缺陷响应

10、的时域和频域特征值脉冲涡流对于不同位置缺陷响应的时域和频域特征值1位置位置/mm峰值峰值/mV周期周期/ssF1/HzF2/Hz位置位置/mm峰值峰值/mV周期周期/ssF1/HzF2/Hz4.0107.431.54589.8530247.0104.231.58589.8530284.5109.251.54589.8530058.0102.781.54589.8530195.0107.521.48589.85301110.0103.001.49589.8529995.5107.291.49589.85302214.0102.381.54589.8530216.0106.901.54589.85

11、300818.0101.651.54589.853015频率频率/kHz峰值峰值/mV周期周期/ssF1/HzF2/Hz0.00336.65.30.10.47338.70.0051933253045.30.001938187530034.520.0000248901699230001030.00000146875137695表表2 不同重复频率的特征值不同重复频率的特征值1 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线圈和检测线圈组成，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。一般均采用线径很细的铜漆包线绕制。

12、 脉冲涡流检测中，除了采用上述传统方式设计、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。绕制激励线圈，用霍尔片制作探测元件。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、制作参数： 激励线圈为用直径为激励线圈为用直径为0.24mm0.24mm的漆包线绕制，内径为的漆包线绕制，内径为10.2mm10.2mm、外径为、外径为22.4mm22.4mm、高为、高为10mm10mm，缠绕圈数为，缠绕圈数为400400匝，检匝，检测线圈用直径

13、为测线圈用直径为0.07mm0.07mm的漆包线绕制，内径为的漆包线绕制，内径为2mm2mm、外径为、外径为5mm5mm、高为、高为2mm2mm，缠绕圈数为，缠绕圈数为800800匝。从获得均匀磁场和较大匝。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透入深度考虑，设计、制作了一种几何尺寸为40mm40mm20mm20mm20mm20mm（长（长宽宽高）、厚度为高）、厚度为1mm1mm的矩形线圈，的矩形线圈，共绕了共绕了400400匝，并在线圈中加了磁芯以增大磁场强度；在保匝，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证较好灵敏度的

14、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：测量分辨率和精确度，因此检测线圈的设计、制作参数为：内径内径1.5mm1.5mm、外径、外径3mm3mm、高、高2mm2mm，共绕了，共绕了800800匝。匝。 针对普通的脉冲涡流传感器在腐蚀检测中出现的信号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、制作了一种作了一种新型斜角式阵列传感器新型斜角式阵列传感器。 这种这种传感器的激励线圈为矩形，检测线圈阵列是由多传感器的激励线圈为矩形，检测线圈阵列是由多个直径

15、很小的圆柱形线圈组成，并排位于激励线圈底部的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圈的底面之间形成一个小的夹角。试验发现，这种结构的。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。号的各项特征值的提取变得非常简单。 基于霍尔传感器具有小型化、可以实现对

16、磁场的直接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，较多的研究试验采用度的特点，较多的研究试验采用细的铜漆包线绕制激励线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。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单元的“绝对式绝对式”霍尔传感器，也有将两个反向连接的霍霍尔传感器，也有将两个反向连接的霍尔片作为检测单元的尔片作为

17、检测单元的“差动式差动式”霍尔传感器。近年来研究霍尔传感器。近年来研究人员还采用了集成的霍尔传感器，如人员还采用了集成的霍尔传感器，如95A型、型、UGN3505型型等线性集成传感器。等线性集成传感器。 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择。等条件的选择。 xfey x b ay 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、脉冲方波占空比等条件的选择。脉冲方波占空比等条件的选择。 5.2.4 5.2.

18、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 到目前为止，国内尚没有商品化的脉冲涡流检测到目前为止，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，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主要是指相关研究人员利用自行设计、制作的简单脉自行设计、制作的简单脉冲涡流仪和传感器冲涡流仪和传感器，针对模拟一些实际需求中的问题，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，对流检测应用研究的情况。此外，对利用进口的脉冲涡利用进口的脉冲

19、涡流仪在不去除隔热层和保护层条件下检测输油管线和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。蒸汽管道的实际应用情况作简要说明。（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8mm8mm厚的铜合金和厚的铜合金和铝合金板上分别加工制作了宽度为铝合金板上分别加工制作了宽度为2mm2mm，深度为，深度为2mm2mm、4 mm4 mm和和6 mm6 mm人工缺陷。试验结果表明：对于表面下裂纹，随着人工缺陷。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

20、的时间就会越长；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。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

21、就可以确定缺陷的深度。考曲线上就可以确定缺陷的深度。 （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 利用利用峰值扫描波形对腐蚀缺陷长度峰值扫描波形对腐蚀缺陷长度的定量检测，利用的定量检测，利用瞬态感应电压瞬态感应电压信号的过零时间对腐蚀缺陷深度信号的过零时间对腐蚀缺陷深度的定量检测，利用的定量检测，利用瞬态感应电压信号瞬态感应电压信号的峰值对腐蚀缺陷体积的峰值对腐蚀缺陷体积的定量检测。的定量检测。 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 8个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

22、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，比值都当探头阵列完全经过腐蚀扫描时，比值都大于或等于大于或等于0.50.5；当探头阵列不完全经过腐蚀扫描时，比值都小于或；当探头阵列不完全经过腐蚀扫描时，比值都小于或等于等于0.20.2。因此，可以将这个比值作为一个特征参数，来判断检测线。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

23、图像的时候圈是否经过腐蚀，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，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失真。（3 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=80mm、壁厚、壁厚=7.6mm=7.6mm，材质为铁磁性，材质为铁磁性钢，在管线外面包有钢，在管线外面包有38mm38mm厚的海绵状玻璃体隔热层和厚的海绵状玻璃体隔热层和1mm1mm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度测量的最大误差仅有0.4mm0.4mm，检测精度接近达到，检测精度接近达到5%5%。 蒸汽管道：蒸汽管道： 规格为直径规格为直径=400mm、壁厚、壁厚=10mm，材料为，材料为20号钢，号钢，在管道外面包有在管道外面包有100mm厚的岩棉隔热层和约为厚的岩棉隔热层和约为1mm厚的铝合厚的铝合金外