多频涡流检测技术、远场涡流检测技术(补充讲义).

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1、2005年度ET-、级人员资格初试复试考前培训班 多频涡流检测技术、远场涡流检 测技术（补充讲义） 董勇军 华北电力锅炉压力容器检验中心 2005年9月 佛山 目 录 l第一部分：多频/多参数涡流检测技 术 l第二部分：远场涡流检测技术 第一部分：多频/多参数涡流检测技术 1.1 多频涡流检测基本原理 1.1.1 多元一次方程组消元法 1.1.2 多维空间矢量转换法 1.1.3 矩阵代数法 1.2 多频分析处理法 1.2.1 电位器组合法 1.2.2 高斯消元法 1.2.3 座标转换法 1.3 多频涡流仪器及其应用 1.3.1 热交换管的涡流检测 1.3.2 利用多参数法显示被测管 的截面图像

2、 第二部分：远场涡流检测技术 2.1 远场涡流特点 2.1.1 特点 2.1.2 远场涡流检测系统的 组成 2.2 远场涡流方程 2.3 远场涡流图 2.4 远场涡流效应的机理 2.5 远场涡流探头 2.6 远场涡流检测实例 第一部分：多频/多参数 涡流检测技术 涡流检测过程中，主要通过测量线 圈阻抗的变化以检出工作的缺陷，受检工件影 响检测线圈阻抗(或称感应电压)的因素很多，诸 如磁导率、电导率、外形尺寸和各种缺陷等， 各种因素的影响程度各异。这些因素对探伤来 说是不利的，需要抑制；但事物都是一分为二 的，我们正是利用这些因素作为依据，使涡流 检测技术能应用于电阻、温度、厚度测量，材 质分选

3、、振动和转速测量等领域。涡流检测的 关键是从这许许多多的因素中，提取出要检测 的因素。因此，涡流仪器性能的提高是同该仪 器是否能有效地消除各种干扰因素，并准确提 取待检因素的信号密切相联系的。 阻抗分析法(或称相位分析法)的应用 使涡流检测向前跨出一大步，但是，传统的相位 分析法均采用单频率鉴相技术，最多只能鉴别受 检工件中的两个参数(即只能抑制一个干扰因素的 影响)。单频涡流检测虽应用较广，如对管、棒、 线材等金属产品的探伤。但对许多复杂重要的构 件，如热交换器管道的在役检测，邻近的支撑板 、管板等结构部件会产生很强的干扰信号，用单 频涡流很难准确地检出管子的缺陷；又如对汽轮 机叶片、大轴中

4、心孔和航空发动机叶片的表面裂 纹、螺孔内裂纹、飞机的起落架、轮毂和铝蒙皮 下缺陷的检测，具有多种干扰因素待排除， 为了使涡流仪器能在试验中同时 鉴别更多的参数，就需要增加鉴别信号的元 器件，以便获得更多的试验变量，才能做到 有效地抑制多种干扰因素影响，达到去伪存 真的目的，提高检测的灵敏性、可靠性和准 确性，对受检工件作出正确评价。 多频/多参数涡流检测技术是1970 年美国科学家libby首先提出的，该方法采用 几个频率同时工作，能有效地抑制多个干扰 因素，一次性提取多个所需的信号(如缺陷信 息、壁厚情况等)。 1.1 多频涡流检测基本原理 l多频涡流法是同时用几个频率信号激励 探头，它比用

5、单零点频率作为激励信号的试 验方法能获得更多数据，检验中要如何充分 利用所获取的丰富信号，对这些信号进行分 析处理是多频涡流法所要解决的问题所在。 多频信号分离法常见的有下列几种 l1.1.1 多元一次方程组消元法 l1.1.2 多维空间矢量转换法 l1.1.3 矩阵代数法 1.1.1 多元一次方程组消元法 l 多频涡流方法每一个检测通道的信号都 是所有影响因素(即试件参数)作用的结果，这 个结果的性质与时间及探头的位置无关，对 于几个作用参数，严格地说，要求有几个独 立的测量通道，以便能将所有的参数分离， 使每一个通道表示一个参数。 对于信号通道Ci(i=1，2，3，n)和作用 参数Pi(i

6、=1，2，3，n)来说，Ci为 C1=a11p11+ a12p12+a1np1n C2=a21p21+ a22p22+a2np2n (281) Cn=an1pn1+ an2pn2+annpnn 由于各测量通道都是线性无关的，这个线性 方程组可以解得 P1=b11c1+ b12c2+b1ncn P2=b21c1+ b22c2+b2ncn (282) Pn=bn1c1+ bn2c2+bnncn 从Ci得到的Pi变换是信号Ci的简单 线性组合，系数bik是aik的单值解，由于在多 参数检测系统中，需要的是实际变量分离， 并不要求得到整个方程组的解，因此，尽管 aik和bik 预先都不知道，仍然可以通

7、过相应的 电子电路来实现参数的分离。 1.1.2 多维空间矢量转换法 我们也可采用多维空间矢量转换的 方法，对参数(即变量)的响应函数进行解释。 如图2102所示，试件参数采用矢量P表示， 在多维矢量空间，矢量P是由P1、P2、Pn 所组成激励函数被试件参数调制后，转换成 信号的多维空间C。信号矢量C也是一个合成 矢量，它具有分量C1、C2、Cn。然后， 信号空间有转换成估算参数q的空间。矢量q 同样具有分量q1、q2、qn，并响应试件能 数P1、P2、Pn。 可见，多参数试验方法主要包括两 个转换，第一个是试件参数对探头激励信号 的调制，即试件参数量P转换成信号矢量C； 第二个则是信号矢量C

8、经过计算而转换成估算 参数矢量q。 1.1.3 矩阵代数法 从试件参数P空间到信号C的转换， 可以由下面的矩阵方程来表示： B M(B)P=C (283) 式中，B 是对角线矩阵，代表具有 分量b11、b12、bnn的多维矢量激励信号 ；M(B)是调制矩阵。即表示调制因素，该 矩阵的各元也是激励信号矢量B的函数；P 是列矩阵，具有分量P1、P2Pn，它表示试 件各种参数的影响；C列矩阵同样具有分量 C1、C2 Cn表示探头信号输出信号。 令BM(B)=A，方程(283)可简化为 AP=C (284) 用A1同乘以式(284)的两边，即可得到 P= A1C (285) A1的矩阵元素给出对转换装

9、置中组 合电路的调整。根据A1矩阵元素的调整可 以得到P的全部解，但是在实际应用中，完整 的解是不需要的，我们仅仅需要实现参数的 分离。 上述A1与矩阵A的行列式和伴随矩 阵AdjA的关系为 A1= (286) 把式(285)代入式(286)后，可以得到 P= (287) 除去分母，并给式(287)的两边都乘以对 角线矩阵Dc得到 (288) 式中，伴随矩阵AdjA表示参数的 分离能力，其作用是使转换装置经过调整后 可以实现对参数的分离；对角线矩阵允许具 有矩阵元素的任何方便值，可以实现对灵敏 度的调整。 值得指出的是，只有在A矩阵的 行列A的值不等于零的情况下，参数分离才 可能进行。如矩阵A

10、是奇异矩阵，则行列式 为零，式(287)即为零，实际上是无法实现参 数分离的。 1.2 多频分析处理法 信息传输理论中，香农-哈特莱 (Shannon-Hartley)定理指出：一个信号所传 输的信息量同信号的频带宽度W，以及信噪 比(1+)的对数成正比，用公式表示为 C=W1og2(1+) (2-89) 式中，c是信息的传输率，单位为Bt s；W是频带的宽度：为信噪比。 上式表明，在信息的传输过程中， 使甩频率的个数越多(即频带)，获取的信息量 越大。因此，可根据检测对象同时需检各部( 如管的内壁、外壁)和要排除的干扰信号(如支 撑板、管板和抖动等)，有针对性地选择多个 频率的电流去激励检测

11、线圈，然后，对受检 试件作用参数调制的输出信号加双放大，按 频谱滤波并解调，并把解调信号的各个分量 以指定的方式组合起来，使得各个彼此独立 的信号通道仅仅输出与一个待检测参数有关 的信号。 多频涡流法的信号流图如图2103 所示；多频率信号发生器为探头装置提供激 励信号。受试件参数的影响，探头的响应信 号r2(t)中包括了试件参数影响的调制信息。 与此同时，多频率发生器也提供一个激励信 号给补偿电路，由补偿信号电路给出补偿信 号r3(t),并对探头信号r4(t)进行调整，然后把 调整后信号传送给滤波器和放大器。 在多频率系统中，信号的分离是采 用带通滤波器或检波。放大器的输出信号传 送给频谱分

12、析仪后，频谱分析仪在展开信号 时，将产生正交基函数的系数 Ci，(按正交傅 立叶级数展开，其基函数是各种不同频率的 正余弦函数)。Ci的级数取决于对信号的要求 ，当所给试件参数不随时间变化时，这些系 数信号也同样固定：但由于工件状态的改变 ，系数信号也将随响应信号的调制而改变。 最后，系数信号被输入转换电路，通过不同 比例，不同极性的组合后提供估算信号Qi的 输出，并经计算得试件参数。 信号处理系统中的转换电路是多频涡流 试验法的重要环节，实际上一个典型的单频 涡流检测装置便具有两个通道(感应电压的实 数和虚数部分)。假定线性变换是成立的，便 可通过解多元一次方程组将两个参数分离到 各自的通道

13、中。这样，作为待检信息的一个 参数(如缺陷信号)便可以从另一个干扰参数( 如提离效应)中分离出来。 在多频涡流检测中，实现参数分离的变 换可以采用电位器组合法或座标旋转珐。当 采用电位器组合法时，作为每一个信号通道 的相应电路是对应于输入系数电位器的加法 器。在检测时，可以通过电位器的调整在各 个通道中分别实现相应的参数分离。座标旋 转法按照正弦一余弦函数一同变化，通过座 标旋转(即旋转信号的相位)，使干扰参数的信 号位于水平方向上，来实现参数的分离。 多频检测法是单频检测技术的拓宽，为 了实现多参数的分离，换电路同样可以采用 电位器组合法或座标旋转法工作。 1.2.1 电位器组合法 以两频四

14、参数的双频涡流检测为例，试 验装置如图2104所示。信号发生器同时产生 两个频率Fl和F2激励信号。一路供给检测线 圈，产生经试件调制后的信号电压，然后通 过对频率Fl和F2的选频放大，在相敏检波器 与信号发生器给出的频率Fl和F2的参考信号 进行比较，给出系数C1、C2、C3、C4。这 些信号经转换电路实现参数分离后，便可以 从每个通道输出与试件参数相应的信号。 利用电位器组合法实现四参数分离 的转换电路逻辑功能图(如图1105a所示)， 经过 转换电路对信号的处理后，各个通道的 指示电表便显示出仅与对应参数有关的读数 。 图2106a为一个通道的线路组成 ，它由倒相放大器A、系数电位器w、

15、累加电 阻R和累加放大器A组成。当输入信号c1、c2 ，、c3、c4到来，由倒相放大2S控制输入信 号的极性，然后分别调节系数电位器Wij用来 选择不同比例的系数信号，并通过累加电阻 和放大器来累加各系数电位器的输出，以产 生与参数p相对应的输出信号e，实现参数的 分离。 图2106 转换电路工作原理图 a) 电路原理图 b)信号流线图 1.2.2 高斯消元法 电位器组合法的调整比例比较繁琐，而 且难以收到预想的效果，所以，根据上述工 作原理，派生出一种改进的转换方法高 斯消元法。 高斯消元法足求解线性代数方程组的一 种方法，它的基本思想反应在方程组系数矩 阵的计算上。 线性代数方程组，一般形式为 a11x1+a12x2+a1nxn=P1 a21x1+a21x2+a2nxn=P2 (290) an1x1+an2x2+annxn=Pn 写成矩阵的形式为 （291） 若用每行乘（除）以常后，再与其它行 相加减，使它经过一系列的消元，即 (292) 最后成为上三角行矩阵(其中*号表示非零 元素)。这时，最末个方程实际上已经解出 ，将它代入倒数第二个方程，求出倒数第： 个未知数。这样过“消元”和“回代”两个过 程，便可求得方程组的令部解。 根据高斯消元法工作的转换电路可以逐 次消除信号中的干扰参数，最后取出需要的 信号，实现参数分离。