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1、3.2 涡流检测仪器设备涡流检测仪器是涡流检测装置最核心的组成部分，根据应用目的不同，涡流检测仪器可分为涡流探伤仪、涡流电导仪和涡流测厚仪等三种类型。针对不同检测对象的应用，不仅各类涡流检测设备在构成完整的检测系统上有所不同，而且同类检测设备也会因检测对象不同有所差异，特别是涡流探伤系统表现得尤为明显。一般而言，涡流检测装置包括检测线圈、检测仪器、辅助装置。虽然标准试样或对比试样不包括在检测装置中，但从实施涡流检测所必要的硬件条件及检测装置的调整与评价两方面考虑，将标准试样和对比试样列在本节叙述。3.2.1 涡流检测线圈涡流检测线圈通常又称探头。从制作方式和检测信号产生原理两方面考虑，“检测线
2、圈”这一名称比“探头”要更准确、合理。“探头”是各种小尺寸探测器的俗称，在电磁检测中，有几种原理不同的“探头”，如霍尔元件、磁敏二极管及电磁线圈等。涡流检测中通常所称的“探头”即其中的“电磁线圈”，它是用直径非常细的铜线按一定方式缠绕而成，在通以交流电时能够产生交变的磁场，并在与其接近的导电体中激励产生涡流；同时，“电磁线圈”还具有接收感应电流（即涡流）所产生的感应磁场、将感应磁场转换为交变的电信号的功能，并将检测信号传输给检测仪器。虽然霍尔元件、磁敏二极管都具有将磁场信号转换成电信号的性能，但二者不具有激励产生磁场的作用。“检测线圈”这一名称，一方面，表明了涡流检测所采用的探测器是由金属细线
3、缠绕而成的制作方式；另一方面揭示了涡流检测是基于“电磁感应现象”这一本质特征。检测线圈与采用霍尔元件、磁敏二极管等其他基于磁电转换原理的测试探头相比，具有以下优点：（1）同时具备激励和拾取信号两项功能；（2）可根据被检测对象的外形结构、尺寸和检测目的，设计、制作成不同缠绕方式、不同大小且形状各异的线圈，能够更好地适应不同的检测对象和满足检测要求；（3）受温度影响较小，可适用于高温条件下的检测。3.2.1.1 检测线圈的分类检测线圈是构成涡流检测系统的重要组成部分，对于检测结果的好坏起着重要的作用。线圈的结构与形式不同，其性能和适用性也随之形成很大差异。涡流检测线圈的分类有多种方式，常用的分类方
4、式有以下三种：按感应方式分类，按应用方式分类和按比较方式分类。（1）按感应方式分类按照感应方式不同，检测线圈可分为自感式线圈和互感式线圈，又称为参量式线圈和变压器式线圈（见图3-2-1a、图3-2-1b）。图 3-2-1 不同感应方式的检测线圈自感式线圈由单个线圈构成，该线圈既作为产生激励磁场、在导电体中形成涡流的激励线圈，同时又是感应、接收导电体中涡流再生磁场信号的检测线圈，故名自感线圈H:word26成功字数1500字及以上电磁检测P74。互感线圈一般由两个或两组线圈构成，其中一个线圈是用于产生激励磁场、在导电体中形成涡流的激励线圈（又称初级线圈），另一个（组）线圈是感应、接收导电体中涡流
5、再生磁场信号的检测线圈（又称次级线圈）。（2）按应用方式分类按照应用方式不同，检测线圈可分为外通过式线圈、内穿过式线圈和放置式线圈（见图3-2-2a、图3-2-2b和图3-2-2c）。（a ）放置式线圈 （b）外通过式线圈 （c）内穿过式线圈图3-2-2 不同应用方式的检测线圈外通过式线圈是将工件插入并通过线圈内部进行检测，广泛用于管、棒、线材的在线涡流检测。对于厚壁管材和棒材而言，受涡流趋肤效应的限制，一般仅可实现对表面和近表面质量进行检测。由于形状规则的管、棒、线材可非接触地通过线圈，因此易于实现对批量材料的高速、自动化检验。内穿过式线圈是将其插入并通过被检管材（或管道）内部进行检测，广泛
6、用于管材或管道质量的在役涡流检测。放置式线圈又称为探头式线圈（probe coil），不同于外通过式线圈和内穿过式线圈在应用过程中其轴线平行于被检工件的表面，放置式线圈的轴线在检测过程中垂直于被检工件表面放置，实现对工件表面和近表面质量的缺陷检测。这种线圈可以设计、制作得非常小，而且线圈中可以附加磁芯，具有增强磁场强度和聚焦磁场的特性，因此具有较高的检测灵敏度。该类线圈不仅可用于板材、带材、管材、棒材等原材料的检验，而且可更广泛地应用于各种复杂形状零件的检验。（3）按比较方式分类按照比较方式不同，检测线圈可分为绝对式线圈、自比式线圈和他比式线圈（见图3-2-3a、图3-2-3b和图3-2-3c
7、）。（a）绝对式线圈 （b）自比式线圈 （c）他比式线圈图3-2-3 不同比较方式的检测线圈绝对式线圈是一种由一个同时起激励和检测作用的线圈或一个激励线圈（初级线圈）和一个检测线圈（次级线圈）构成、仅针对被检测对象某一位置的电磁特性直接进行检测的线圈，而不与被检对象的其它部位或标准试样某一部位的电磁特性通过比较进行检测。自比式线圈是一种由一个激励线圈（初级线圈）和两个检测线圈（次级线圈）构成、针对被检测对象两处相邻近位置通过其自身电磁特性差异的比较进行检测的线圈，又称差动式线圈。他比式线圈是一种针对被检测对象某一位置通过与另一对象电磁特性差异的比较进行检测的线圈，通常这一参比对象是标准试样或对
8、比试样。上述从不同的角度对涡流检测线圈分类，所划分的不同类型线圈之间在大多数情况下并不是并列和独立的，而是相互交叉与包容。虽然从感应方式、应用方式和比较方式三个方面细分，涡流检测线圈可以有10余种不同形式，但在实际应用中通常是仅根据其中某一原则进行线圈分类。3.2.1.2 各类检测线圈的特点由于自感式线圈只有一个线圈，具有绕制方便、对多种影响被检对象电磁性能因素的综合效应响应灵敏的特点；同时，由于激励线圈和检测线圈二者合为一体，对某一影响因素的单独作用效应难以区分。因此，这类线圈一般仅用于管、棒、线材的直径测量。互感式线圈的激励线圈和检测线圈相互独立、各司其职，对不同影响因素响应信号的提取和处
9、理比较方便。除此之外，激励线圈与检测线圈之间有静电屏蔽作用，因此静电感应的噪声较小，工作期间性能较为稳定。外通过式、内穿过式和放置式检测线圈是根据不同应用对象在线圈外形设计与制作上形成了差异，不同线圈的特点首先体现在对检测对象的适应性上，即外通过式线圈可用于检测管、棒、线等多种材料，内穿过式线圈则仅可用于检测管材及管材制品，放置式线圈不仅可用于管、棒、丝材的检测，而且可用于检测板材、型材以及形状复杂的零件；其次，由于外通过式和内穿过式线圈电磁场的作用范围为环状区域，而放置式线圈检测范围为尺寸较小的点状区域，因此外通过式和内穿过式线圈的检测效率要明显高于放置式线圈；再次，外通过式和内穿过式线圈管
10、壁和（或）棒材表层感应产生的涡流沿管、棒材周向方向流动，对于缺陷方向的响应较为敏感，而放置式线圈在试件表面被检部位感应产生的涡流呈圆形，对于缺陷方向的响应敏感度低，即受裂纹取向的影响小，加上线圈中心缠有铁氧体磁芯，利于集中磁场能量，因此检测灵敏度最高。绝对式线圈只有一个检测线圈（次级线圈），不仅对被检对象的各种情况，如材质、性状、尺寸等均能够产生响应，而且受环境条件，如温度变化和外界电磁场干扰的影响较为明显。由于自比式线圈的两个次级线圈缠绕方向相反，在同一时刻同一方向交变磁场条件下感应产生的涡流流动方向相反，即在以串联方式联接的检测线圈输出端的感应电压是两个检测线圈中感应涡流与线圈阻抗乘积的差
11、值，故称差动式线圈。这种线圈利于抑制由于环境温度、工件外形尺寸等缓慢变化引起的线圈阻抗的变化。他比式线圈实际上是由两个独立线圈构成的一个线圈组，其中一个线圈作用于被检测对象，另一个线圈作用于对比试样，通过比较两个线圈分别作用于被检测对象和对比试样时产生的电磁感应差异来评价被检测对象的质量，这种检测方式具有能够发现外形尺寸、化学成分缓慢变化的优点。3.2.2 涡流检测仪器 涡流检测仪是涡流检测系统的核心部分。根据不同的检测对象和检测目的，研制出各种类型和用途的检测仪器。尽管各类仪器的电路组成和结构各不相同，但工作原理和基本结构是相同的。涡流检测仪的基本组成部分和工作原理是：激励单元的信号发生器产
12、生交变电流供给检测线圈，放大单元将检测线圈拾取的电压信号放大并传送给处理单元，处理单元抑制或消除干扰信号，提取有用信号，最终显示单元显示出检测结果。3.2.2.1检测仪器的分类根据检测对象和目的的不同对涡流检测仪器进行分类是最常见的分类方式，一般分为涡流探伤仪、涡流电导仪和涡流测厚仪三种，也有一些型号的仪器，除了具备涡流探伤这一主要功能外，还兼有电导率测量、甚至膜层厚度测量的功能，但与单一功能的电导仪和测厚仪相比，这类通用型仪器对于电导率或厚度的测量精度要低得多。从另一个方面讲，任何一个涡流检测仪都同时具备探伤、测电导率和测厚的能力，只是在检测范围和分辨力上存在明显的差异而已。按照对检测结果显
13、示方式的不同，涡流检测仪可分为阻抗幅值型和阻抗平面型，这一般是针对涡流探伤仪而言，不包括涡流电导仪和测厚仪。阻抗幅值型仪器在显示终端仅给出检测结果幅度的相关信息，不包含检测信号的相位信息，如电表指针的指示、数字表头的读数及示波器时基线上的波形显示等。值得注意的是，该类仪器所指示的结果并不一定是最大阻抗值或阻抗变化的最大值，而通常是在最有利于抑制干扰信号的相位条件下的阻抗分量，这一点可以通过对具有相位调节功能仪器上相位旋钮的调整，观察电表指针摆动幅度的变化或示波器时基线上的波形幅度的变化加以确认。指针式涡流探伤仪、涡流电导仪和涡流测厚仪均属于该类型仪器。阻抗平面型仪器在其显示终端不仅给出检测结果
14、幅度的信息，而且同时给出了检测信号的相位信息。当调节相位控制旋钮（或按键）时，只是显示信号的相位角发生变化，而其幅值不会发生变化。带有荧光示波屏或液晶屏的涡流探伤仪大多属于阻抗平面型仪器。按照仪器的工作频率特征，涡流检测仪可分为单频涡流仪和多频涡流仪。单频涡流仪并非仅限于只有单一激励频率的仪器，如涡流测厚仪和大部分涡流电导仪，而是包括激励频带非常宽的涡流探伤仪。尽管宽频带的涡流探伤仪可以激励不同工作频率的线圈进行检测，但由于同一时刻仅以单一的选定频率工作，因此仍归类于单频涡流仪。多频涡流仪是指同时可以选择两个或两个以上检测频率工作的涡流探伤仪和具有两种或两种以上工作频率的涡流电导仪。对于多频涡
15、流探伤仪而言，是指仪器具有两个或两个以上的信号激励与检测的工作通道，因此又称作多通道涡流探伤仪。随着涡流检测仪器制造技术的发展，不仅出现了多种型号的同时具备探伤、电导率测量、膜层厚度测量功能的通用型仪器，而且还能够以阻抗幅值和阻抗平面两种形式显示探伤信号。3.2.2.2检测仪器的组成及各部分的作用图3-2-4是涡流检测仪器最基本的原理图。振荡器产生的交变电流流过置于导电体上的线圈，在线圈周围形成交变磁场，并在导体表面产生涡流；当检测线圈位置发生变化时，由于线圈所处位置下面存在缺陷、导体形状尺寸或材料电磁特性有所变化，都会引起涡流的大小发生改变并通过二次磁场作用于检测线圈，使线圈阻抗发生变化，通
16、过并联于检测线圈的电表可以显示出这一变化。图3-2-4 涡流检测仪器基本的原理图在大多数检测中，线圈的阻抗变化很小。例如，线圈经过缺陷时阻抗变化可能小于1%，采用如图3-2-4所示的检测装置很难检测到如此小的阻抗或电压的绝对变化，因此在涡流检测仪的设计制作中必须采用各种电桥、平衡电路和放大器等以提取和放大线圈阻抗的变化。幅值显示类型的仪器由振荡器产生交变信号供给电桥和检测线圈，信号经放大、相敏检波、滤波和幅度鉴别器，检测信号中的干扰信号被去除，缺陷信号（或期望得到的信号）被获取并在显示和记录单元以信号的幅值量被显示和记录。阻抗平面显示类型的仪器在信号的激励产生、提取及放大等信号处理方面与幅值显示类型仪器的工作原理及过程基本相同，所不同的是，信号经过相敏检
