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1、脉冲涡流检测,黑龙江省电力科学研究院 池永斌,概述,金属厚度的检测在许多方面都有应用，如，金属板轧制过程中的厚度检测、金属中缺陷的检测等。目前，射线测厚存在射线源防护问题，对操作人员身体易造成伤害；接触式测厚虽然测量精度较高，但在被测金属高速运动情况下，被测金属之间长时间接触会造成传感器的磨损，影响测量精度，严重时，还会划伤金属表面，降低产品的质量；超声波测厚在检测薄金属厚度时，检测精度不高。涡流检测方法与上述几种方法相比具有结构简单、成本低等优点，可以应用到其他检测方法难以进行检测的特殊场合（ 如高温等）等优势，但其检测受材料、温度等影响较大，难以保证高精度。 脉冲涡流检测方法是近几年发展起
2、来的一种新的无损检测技术，传统的电涡流采用正弦电流作为激励，而脉冲涡流的激励电流为具有一定占空比的方波。脉冲涡流相对于传统电涡流其检测参数较多，可同时测量出距离和厚度。因此，采用脉冲涡流检测技术进行金属厚度检测的研究具有重要意义。,概述,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
3、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。,概述,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。,缺陷加速腐蚀(FAC),缺陷加速腐蚀(FAC)破坏机理包括因液体流动而加速的
4、材料溶解。它主要是一个材料的溶解过程，是因在过程中单相或双相介质流动造成材料损耗。是一个化学腐蚀过程，导致了管壁内表面的保护氧化膜和金属表面被蚀掉。 随氧化层（磁铁矿）厚度的减少，保护能力降低，使腐蚀加速。最终磁铁矿的溶解速率及腐蚀速率达到平稳成为稳定态。壳壁的失效会导致泄漏或瞬间爆破。 电厂给水加热器壳的壁厚损失也是由冲刷腐蚀-腐蚀造成的。这是机械冲刷腐蚀和化学腐蚀的综合现象。此失效机理的机械冲刷腐蚀部分包括高速液滴或进来的固体颗粒对内表面撞击。,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
5、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。,脉冲涡流检测的理论,脉冲涡流采用的激励电流是具有一定脉冲宽度的方波。在激励电流作用下，线圈中会产生一个快速衰减的脉冲磁场，变化的磁场在导体中感应出瞬时涡流，瞬时涡流又感应出一个与脉冲磁场反向的磁场，从而使线圈的等效阻抗发生变化。 一般来讲，电涡流线圈的有效阻抗变化与被测导体的电导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电源频率以及线圈到被测导体的距离有关。如果改变上述参数中的一个参数
6、，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当只有导体的厚度或激励线圈到被测金属导体间距离变化时，阻抗的变化就可以反映出被测导体的厚度或激励线圈到被测金属导体间距离的大小变化。,脉冲涡流检测的理论,一个正圆柱形空心线圈放置在金属层上，使用阶跃电压信号激励线圈，线圈中得到感应电流，该感应电流减去无金属层时线圈中的感应电流，得到感应电流的变化值。通过感应电流变化值分析金属不同厚度和金属与线圈之间不同距离的变化趋势。结构框图如图。,结构框图,脉冲涡流检测的理论,另一种穿过保温层测量壁厚的方法是脉冲涡流技术PEC。这一系统通过一个脉冲磁场在给水加热器外壳产生涡流。每当磁场变化时，按照楞茨
7、定理在和磁场相反的方向产生涡流。脉冲发生器通过发送线圈将脉冲磁场送出。涡流产生后就由壳体的外表面向内表面传播。在传播过程中涡流就产生一个磁场，这个磁场由传感器的接收线圈所接受。当一条磁力线穿过线圈时就感应生成电压。接受线圈接到这个电压后就将其送到系统的硬件中进行信号放大。然后系统将测试的涡流到达的时间和来自校正样品的信号的到达时间进行比较，然后计算壁厚。保温层厚度或保护网对壁厚的测量影响不大。 按照公式 = t2，通过监测一个涡流脉冲在材料壁厚内的衰减（是时间，是磁导率，是电导率，t是材料厚度）可以测定给水加热器外壳的剩余平均壁厚。需作校正试验来求得乘积。PEC软件将特征信号的传播的回波时间和
8、相应的校正试验的结果进行比较来计算预计的厚度。,脉冲涡流检测的理论,按照公式 = t2，通过监测一个涡流脉冲在材料壁厚内的衰减（是时间，是磁导率，是电导率，t是材料厚度）可以测定给水加热器外壳的剩余平均壁厚。需作校正试验来求得乘积。PEC软件将特征信号的传播的回波时间和相应的校正试验的结果进行比较来计算预计的厚度。,脉冲涡流检测系统,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：,脉冲涡流典型时域波形及特征参数,脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线,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40mm20mm20mm（长宽高）、厚度为1mm的矩
10、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。 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
11、。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。,脉冲涡流检测系统,首先，由激
12、励源得到脉冲信号，其信号形式为一定占空比的矩形波信号。此脉冲信号激励涡流传感器的线圈进行检测;然后，试件感应产生瞬时涡流信号，此涡流信号产生 的次生磁场和原生磁场相互作用，系统使用涡流传感器拾取该磁场特征，并转换为电压信号;而后，通过程控放大器 进行放大处理;最后，经由数据采集卡进行A/D转换，并采 样，对采样得到的数字信号存储于计算机中。便于下一步 进行信号处理。其主要组成有:激励源、放大检测电路、涡 流探头、计算机、传感器电路等主要部分田。系 统简单框架如图所示。,激励源,硬件部分 因为利用脉冲涡流进行无损检测实验时，对脉冲频率、占空比(脉宽)的选择没有具体的理论计算公式，且脉冲信号的频率
13、、幅值、占空比等参数的改变对检测结果有着不同的影响。所以，本文作者特制作了一个能产生多个波形，且频率、电压、占空比均可以调节的高精度、功率较大的激励源。该激励源的核心由单片机、数模转换芯片、运算放大部分等3个主要部分组成。,激励源,软件部分 为了获得频率、幅值、占空比等参数可以改变脉冲信号。系统利用计算机通过对单片机实现控制，具体程序流程如图所示。,检测和A/D转换,由于涡流传感器的电流信号微弱，为mA级的电流信号。因此，必须进行信号的后续处理。从检测线圈直接得到的信号是电流信号，不便于后续信号处理与放大，因此，应将电流信号转换为便于后续处理和放大的电压信号。,传感器模块,传感器模块包括激励线
14、圈和检测线圈两部分，激励线圈采用矩形线圈，检测线圈采用内径小一些的同轴空心线圈.,系统参数对检测性能的影响,激励线圈尺寸 无论对于表面缺陷还是表面下缺陷的检测，使用小的激励线圈均比使用大的激励线圈涡流响应信号峰值变化量大，也就是说小线圈比大线圈的灵敏度高。这是由于小的激励线圈阻抗较小，因此在激励电压相同的情况下，可以产生更大的电流和磁场，从而在试件表面及近表面感生出更强的涡流，因此具有较高的缺陷检出能力。,系统参数对检测性能的影响,激励脉冲频率的影响 当激励频率从100Hz变化到400Hz的过程中，对于表面缺陷和表面下缺陷，随着激励频率的增加，峰值的变化量很小。从400Hz以后，随着激励频率的
15、增加，涡流响应信号峰值的变化量开始明显增大。这是由于对表面缺陷来说，随着频率的增加，脉冲涡流检测能力变强;而对于表面下缺陷是由于实验中采用的缺陷深度较小的缘故(位于表面下1mm 处)。根据集肤效应的原理，在实际的检测过程中，应根据缺陷可能出现的位置，合理选择激励频率，以达到较好的检测效果。,系统参数对检测性能的影响,激励脉冲占空比的影响 对于表面缺陷和表面下缺陷的检测，在占空比变化时，脉冲涡流响应信号峰值的变化量很小，这是由于实验所采用的试件中表面缺陷和表面下缺陷的深度不够深引起的。 对脉冲进行傅里叶分析可以知道，小占空比的脉冲频谱的能量分布比较均匀，因此，在高频时也具有较高的能量，这对于表面
16、缺陷的检测有利。而占空比较大的脉冲其频谱的能量主要集中在低频处，这对于表面下深层缺陷的检测有利。对于深度较深的表面下缺陷，可以适当地提高脉冲的占空比，增大激励脉冲的能量，以达到较好的检测效。,系统参数对检测性能的影响,随着激励脉冲电压的升高，不管对于表面缺陷或表面下缺陷，峰值的变化量逐渐变大，这是由于激励电压升高后，脉冲涡流检测系统产生的磁场强度会变大，因此有利于缺陷的检出，但是，在实际检测过程中，激励电流不能太大，否则线圈容易达到饱和状态。,检测应用,多层结构检测 腐蚀检测 裂纹检测,脉冲涡流检测技术应用,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。,脉冲涡流检测技术应用,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，
