电涡流无损检测技术分析论文

2021-04-27 论文

　　【摘要】无损检测是工业发展必不可少的有效工具，也是机械工程的重要组成部分。电涡流无损检测技术作为一种传统的无损检测技术，具有线性度高、分辨率高、响应速度快、结构简单且能静态及动态的进行测量等特点。本文简述电涡流无损检测技术的的研究现状，指出电涡流无损检测的发展趋势，为今后研究电涡流无损检测提供可以借鉴的研究方向。

　　【关键词】无损检测；电涡流；柔性线圈

　　1前言

　　电涡流检测技术是一种基于电涡流效应的无损、非接触式检测技术，具有线性度高、分辨率高、响应速度快、结构简单且能静态及动态的进行测量等特点。同时由于电涡流效应的限制，电涡流检测只能用于探测金属材料的无损检测，如管、棒、线、板材及零部件缺陷检测；金属焊缝质量的检测；飞行器的疲劳老化维护以及管道系统的腐蚀检查等。与其他无损检测方法相比，电涡流检测技术的主要优点有：（1）对导电材料的近表面及表面缺陷有较高的灵敏度；（2）对影响涡流特性的各种物理和工艺因素均能实施检测，适用范围广，测量范围大，灵敏度高；（3）在一定条件下，可提供裂纹深度的信息；（4）结构简单、对成型的被测件容易实现自动化检测、安装方便不需要耦合剂；（5）可用于高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其它检测方法难以进行检测的特殊场合。同时，由于涡流效应的限制，电涡流检测技术只能检测导电材料表面及近表面缺陷，其检测结果会受到检测对象形状、材料特性以及检测对象在加工过程中形成的残磁效应的影响，同时，电涡流检测的最高温度一般不超过180摄氏度。

　　2电涡流检测技术的研究现状

　　电涡流检测技术最早可追溯到19世纪末，D.E.Hughes首次利用涡流效应的感生电流实现了对不同金属和合金的判断。而电涡流检测技术的快速发展是基于20世纪50年代，德国Forster发表的一系列关于消除涡流检测中干扰因素的论文，其提出的阻抗分析法理论，为现代涡流检测理论和设备研究打下了坚实的基础[1]。而现阶段电涡流检测技术的主要向非常规电涡流检测技术及柔性电涡流检测技术这两个方向发展。

　　2.1非常规电涡流检测技术

　　为解决常规电涡流检测结果存在对深层损伤检测灵敏度不高、提取的信息量较少、检测效率较低等局限性，逐渐发展出使用非单频正弦电流作为激励信号的非常规电涡流检测技术，根据激励信号种类的不同，主要包括多频电涡流检测技术、脉冲电涡流检测技术、远场电涡流检测技术。多频涡流（Multi-frequencyEddyCurrent）检测技术是采用含有多种频率成分的信号作为激励信号的检测技术。其激励信号的频率根据所需的检测的参数进行选择，当需检测的参数为n时，就需要激励信号包括n个频率成分，将响应信号按各自频谱分别进行解调，最后将各个解调信号以指定的方式进行混频，最后综合分析处理数据。由于多频电涡流检测技术能够抑制多个干扰因素，所以其检测的灵敏性、可靠性和准确性均得到提高。可以看到，多频检测技术的关键问题为多频信号选择以及响应信号的分析和处理[2]。脉冲涡流（PulsedEddycurrent，PEC）检测与多频涡流检测的工作原理基本相同，作为激励信号的方波可以看做是衰减型的多频信号，多频涡流检测可以看做具有高频谐波加权补偿的脉冲涡流。相比较而言，脉冲涡流的检测速度更快、检测效率更高、且包含的信息更多，设备成本也更低。由于脉冲信号产生的涡流衰减更慢，可以用来分辨多层金属结构分辨及更深层的缺陷检测。当前，脉冲涡流检测技术多用在检测多层金属结构的腐蚀与裂纹缺陷以及评估金属底层上导电涂层的厚度、电导率及磁导率等物理特性等方面[3]。远场涡流（RemoteFieldEddyCurrent）检测技术是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术。其探头由一个激励线圈和一个设置在与激励线圈相距2~3倍管内径处的较小的检测线圈构成，由于检测线圈能有效地接收穿过管壁后返回管内的磁场，所以可以有效的.检测金属管道的内壁缺陷与管壁厚薄。但在最近的研究中发现，导电板材中同样存在着远场涡流现象[4]。

　　2.2柔性电涡流检测技术

　　由于生产、控制系统的复杂性越来越高，需要检测的缺陷尺寸很小或检测部位难以接近以及检测对象具有复杂的表面形貌时，传统的柱状线圈探头已经无法满足检测需求。为满足这些特殊结构的测试需求，需要传感器具有不受被测物体形状限制，能贴附于各种规则或不规则曲面，且依旧能实现正常的传感功能等特点。伴随着印刷电路板（PCB）、半导体制作（IC）及微电子加工（MEMT）技术水平的提高，柔性电涡流传感器应运而生。柔性电涡流检测技术主要指是使用制作在柔性/可延性塑料或薄金属基底板上的柔性探头的电涡流检测技术，其最大特点是能够被折叠或卷曲，对被测对象表面形貌的弯曲具有一定的适应性，且其结构简单、封装方便，可以根据测试要求任意布置，具有比普通传感器更加广阔的应用前景。柔性电涡流检测技术使用的探头主要有两种结构形式：平面线圈和MWM阵列（MeanderingWindingMagnetometerArray,MWM-Array）。其中，如图1所示，平面线圈可以是矩形、圆形或多边形螺旋线圈，其结构可以是单层线圈或双层线圈。柔性电涡流检测技术主要受制于挠性印刷电路板（FlexiblePrintedCir-cuitBoard，FPCB）技术的制作工艺和技术水平。MWM阵列是1999年由JENTEKSensors公司研发出的一种新型探头结构。如图2所示，MWM阵列探头的基本结构是由一个蜿蜒的激励线圈绕组和多个穿插于激励绕组之间的检测绕组组成，MWM阵列探头产生的电场在导电材料中的渗透深度除激励频率外，在激励频率较低（<1MHz）时还和i有关[5]。现阶段，柔性电涡流检测技术在日本、美国、法国等均有实际运用，国外的Olympu、eddyfi、zetec及JENTEKSensors等公司也推出了一系列的基于柔性电涡流检测技术的商业化商品。国内的清华大学和空军大学[6]也对柔性电涡流检测技术也开展了一系列的研究，取得了一定的研究成果。

　　3电涡流检测技术的发展趋势

　　随着电磁涡流检测技术的研究、开发及其应用领域的不断扩展，电涡流检测已从单一的涡流方法发展到包括涡流、漏磁、微波、磁记忆、电流扰动等以电磁基本原理为基础的无损检测技术，如磁光/涡流成像检测（Magneto-opticEddyCurrentImaging，MOI）技术和将巨磁阻元件和电涡流线圈进行一体化的检测方法。其中MOI做为一新兴涡流无损检测方法，可以实现快速、精确的大面积实时检测，并可将本来非可视的亚表面细小缺陷可视化，检测结果直观准确。目前，MOI技术目前主要用于航空部门对飞机的维修检查中[7]。而将巨磁阻元件和电涡流线圈相结合的检测方法特别适用于强磁性材料的检测[8]。

　　4结论

　　本文总结了电涡流无损检测技术的特点及应用，并概述了电涡流无损检测的发展现状及各种电涡流检测技术的特点，阐述了电涡流无损检测今后将会发展成以电磁原理为基础的囊括多种检测技术的检测方法。作为一种传统的无损检测方法，电涡流检测亦将在机械设备的无损检测上继续发挥其作用。

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