无损探伤传感器

无损探伤传感器摘要：无损检测技术(NondestructiveTesting，NDT)是门新兴的综合性应用学科，它是在不破坏或损坏被检测对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反响的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和外表缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价无损探伤的方法很多，常用的检测方法有电涡流检测和超声波检测等。关键字:传感器无损探伤电涡流超声波电涡流传感器无损探伤1电涡流的产生方式基于法拉第感应现象，金属导体在置于交变的磁场中时，导体外表会有感应电流的产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。因此，要形成涡流必须具备：①存在交变磁场；②导电体处于交变磁场中。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器分为高频反射式与低频透射式两大类。2、电涡流传感器的根本原理如图1所示为电涡流传感器根本原理图，如果把提个励磁线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交变电源时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场，使置于此磁场中的金属导体中感应出电涡流，又产生新的交变磁场。根据楞次定律，将对抗原磁场，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。金属导体的电阻率、磁导率、线圈与金属导体的距离x以及线圈励磁电流的角频率等参数，都将提高涡流效应和磁效应与线圈阻抗联系。因此，线圈等效阻抗Z的函数关系式为图1电涡流传感器工作原理示意图1-电涡流线圈2-被测金属导体〔1〕假设能保持其中大局部参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样能形成传感器的线圈阻抗Z与此参数的单值函数。再通过传感器的测量转换电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的非电量测量，这就是代内涡流传感器的根本工作原理。假设把导体形象地看作一个短路线圈，其关系可用图2所示电路来等效。图2电涡流传感器等效电路图线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数1-传感器线圈2-电涡流短路环M，它将随着间距x的减小而增大。根据基尔霍夫第二定律，可列出Ⅰ、Ⅱ回路的电压平衡方程式，即〔2〕〔3〕式中——线圈励磁电流角频率，单位。由此可得传感器线圈受到电涡流影响后的等效阻抗Z的表达式，即〔4〕=式中——短路环阻抗值，单位为——线圈受电涡流影响后的等效电阻，单位为；L——线圈受电涡流影响后的等效电感，单位为H；——线圈不受电涡流影响时的原有复数阻抗，单位为；——线圈受电涡流影响后的复数阻抗增量，单位为。由图2及式4不难得到以下参数表达式，即当距离x减小时，互感量M增大，由式〔6-4〕可知，等效电感L减小，等效电阻R增大。从理论和实测中都证明，此时流过线圈是增大的。这是因为线圈的感抗的变化比R的变化大得多。由于线圈的品质因数与等效电感成正比，与等效电阻〔高频时的等效电阻比直流电阻大得多〕成反比，所以当电涡流增大时，Q下降很多。3、电涡流外表探伤利用电涡流传感器检查金属外表〔已涂防锈漆〕的裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器与被测导体保持距离不变。检测过程中，由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化，使电涡流变小，从而引起输出电压突变。图3是用电涡流探头检测高压输油关外表的裂纹示意图。两只导向辊用耐磨、不导电的聚四氟乙烯制成，有的外表还刻有螺旋导向槽，并以相同的方向旋转。油管在它们的驱动下，匀速地在楔型电涡流探头下方作360°转动，并向前挪动。探头对油管外表进行逐点扫描，得到图4a的输出信号。当油管存在裂纹时，电涡流所走的路程大为增加〔见图3b〕，所以电涡流突然减小，输出波形如图4a中的“尖峰”所示。该信号十分紊乱，用肉眼很难辨出缺陷性质。该信号通过带通滤波器，滤去外表不平整、抖动等造成的输出异常后，得到图4b中的两个尖峰信号。调节电压比拟器的阀值电压，得到真正的缺陷信号。图4a为时域信号。计算机还可以根据图4a的信号计算电涡流探头线圈的阻抗，得到图4c所示的“8”字花瓣状阻抗图。根据长期积累的探伤经验，可以从该复杂的阻抗图中判断出裂纹的长短、深浅、走向等参数。图中的黑色边框为反视报警区。当“8”字花瓣状图形超出报警区时即视为超标，产生报警信号。上述系统的最大特点是非接触测量，不磨损探头，检测速度可达每秒几米。对机械系统稍作改造，还可以用于轴类，滚子类的缺陷检测。图3输油管外表裂纹检测1、2-导向辊3-楔形电涡流探头4-裂纹5-输油管6-电涡流图4探伤输出信号原始信号b〕带通滤波后的信号c〕阻抗图1-尖峰信号2-摆动引起的伪信号3-可忽略的小缺陷4-裂纹信号5-反视报警框6-花瓣阻抗图超声波传感器无损探伤1、超声波振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在16Hz～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波，频率在3×108Hz～3×1011Hz之间的波，称为微波。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的鼓励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。2、超声波传感器介绍利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头；由于其结构不同，分为直探头式、斜探头式和双探头式，直探头式结构如下图 图5超声波直探式探头结构1—压电片；2—保护膜；3—吸收块；4—盖；5—绝缘柱；6—换能片；7—导电螺杆；8—接线片；9—压电片座；10—外壳它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ，超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板，压电片的底面接地线，上面接导线引至电路中。阻尼块又称吸收块，它的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当鼓励的电脉冲信号停止时，压电片因惯性作用会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。当吸收块的声阻抗等于晶体的声阻抗时，效果最正确。3、超声波传感器无损探伤对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，遇到杂质或分介面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。⑴穿透法探伤穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头分别置于工件的相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可是脉冲。其工作原理如图6所示。接收探头发射探头高频发生器放大器接收探头发射探头高频发生器放大器显示工件图6穿透法探伤示意图⑵反射法探伤反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明其检测原理。图7反射法探伤示意图B工件图7反射法探伤示意图B工件缺陷FT探头高频发生器接收放大TFB超声波。超声波以一定的速度向工件的内部传播。一局部超声波遇到缺陷反射回来〔缺陷波F〕；另一部分超声波继续传至工件底面也反射回来〔底波B〕。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收，又变为电脉冲。发射波T、缺陷波F及底波B经放大后在显示器荧光屏上显示出来。由发射波T、缺陷波F及底波B在扫描线上的位置，可确定缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷的大小；由缺陷波的形状，可判断缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面积时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件内无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。对于两种无损探伤检测传感器的分析观点电涡流传感器电涡流检测速度快，特别适合管、棒材的检测，对于外表和近外表缺陷有较高的灵敏度，可对大小不同的缺陷进行评价，能在高温状态下进行探伤，可用于异形材和小零件的检测，不仅适用于导电材料的缺陷检测，而且可检测材料的电导率、磁导率、热处理状况、硬度和几何尺寸等，使用广泛。但电涡流探伤仪在实际使用时会受到诸多因素的影响，例如环境温度变化、外表硬度、机械转动不均匀、抖动等，用单个电涡流探头易受上述因素影响，严重时无法分辨缺陷和裂纹，因此必须采用差动电路。在楔型探头的尖端部位设置发射线圈，在其上方的左、右两侧分别设置一只接收线圈，它们的同名端相连，在没有裂纹信号时输出互相抵消。当裂纹进入左、右接受线圈下方时，由于相位上有先后差异，所以信号无法抵消，产生输出电压，这就是差动原理。温漂、抖动等干扰通常是同时作用于两只电涡流差动线圈，所以不会产生输出信号。涡流探伤的显著特点是对导电材料就能起作用，而不一定是铁磁材料，但对铁磁材料的效果较差。其次，待探工件外表的光洁度、平整度、边介等对涡流探伤都有较大影响，因此常将涡流探伤用于形状较规那么、外表较光洁的铜管等非铁磁性工件探伤。超声波传感器超声波检测是无损检测中应用最为广泛的方法之一，适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属，都可以采用超声法进行检测，包括各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工容器等．就物理性能而言，用超声法可以检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、剩余应力和胶接强度等，但无法检测外表和近外表的延伸方向平等于外表的缺陷、外表粗糙、形状复杂的试件，此外，该方法对缺陷的定性、定量表征常常不准确．两者进一步比照电涡流无损探伤检测是应用于导电材料检测的一种常规方法。与超声波检测相比拟，它的测量范围那么相对较小，同时它又容易受到多种因素的影响。并且涡流的鼓励频率的上下也直接影响涡流检测的效果。一般而言，鼓励频率高，灵敏度就高，但涡流更集中于试件外表。而超声波检测的适应性强、检测灵敏度高、不易受影响、对人体无害、使用灵活、设备轻巧、本钱低廉、可即时得到探伤结果，适合各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备进行检验。虽然超声波检测难以识别缺陷的种类，但采用超声波频谱分析和超声波全息成像方法，都有助于对缺陷的定性。可见相较于电涡流检测，超声波检测是无损探伤检测应用领域中更适用且更活泼的检测方法。技术改良近几年来，针对超声波检测的缺陷，在其根底上一种新的检测技术成为研究的热点——超声相控阵技术。相控超声相控阵技术是使用不同形状的多阵元换能器来产生和接收超声波波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的时间延迟，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方向的变化，然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像．与传统超声检测相比，由于声束角度可控和可动态聚焦，超声相控阵技术具有可检测复杂结构件和盲区位置缺陷和较高的检测频率等特点，可实现高速、全方位和多角度检测．对于一些规那么的被检测对象，如管形焊缝、板材和管材等，超声相控阵技术可提高检测效率、简化设计、降低技术本钱．特别是在焊缝检测中，采用合理的相控阵检测技术，只需将换能器沿焊缝方向扫描即可实现对焊缝的覆盖扫查检测．这就使得该技术与传统超声波检测相比，具有信噪比高、超声束更窄、有效探伤深度范围大、分辨力高和效率大的特点。近年来，无损检测技术的开展比以往任何时候都更快、更新，无损检测已经更深入、更广泛地参与到国计民生的各个领域．相信在不远的将来，新生领域如纳米材料、微机电器件等行业的无损