电磁无损检测技术及应用.ppt

,周德强联系方式:zhoudeqiang,电磁无损检测及应用,内容,个人基本情况电磁无损检测常规涡流无损检测远场涡流无损检测多频涡流无损检测脉冲涡流无损检测漏磁无损检测,一、个人基本情况,2007.4-2010.6南京航空航天大学测试计量技术及仪器博士学位2008.9-2009.9受国家留学基金委资助在英国纽卡斯尔大学电气电子与计算机学院从事合作研究2002.9-2005.6华中农业大学农业机械化工程硕士学位1997.9-2001.6长江大学机械电子工程学士学位,学习经历,2011.10-至今无锡国盛精密模具有限公司博士后2010.6-至今江南大学机械工程学院讲师硕士生导师2005.7-2007.1江苏技术师范学院机械与汽车工程学院2001.7-2002.6武汉钢铁集团公司建设公司,一、个人基本情况,工作经历,主持项目（1）国家自然科学基金青年基金（051107053）方向性脉冲涡流无损检测机理与应用研究25万（2）中国博士后基金5万（3）2012年入选“江苏省企业博士集聚计划”20万申获专利3项，其中发明专利2项，实用新型1项。发表论文20余篇，其中国际期刊3篇（SCI检索），国内重要核心期刊3篇（EI检索）。,一、个人基本情况,科研情况,二、电磁无损检测,电磁无损检测,定义：利用材料在电磁场的作用下呈现出的电磁特性变化来判断被测材料组织及有关性能的一类试验方法。,分类：,二、电磁无损检测,分类，以方波为例：,、,和,式中，、分别为基准角频率、振幅谱和相位谱。,二、电磁无损检测,分类,1）当时，为直流漏磁检测，此时被测试件中不产生涡流。,2）当，且多项式中仅有一项时，产生单频激励。,3）当时，且多项式中有多项式时，产生多频激励。,4）当具有全频时，产生脉冲激励。,二、电磁无损检测,激励磁场的成分,从磁场的穿透能力来看，直流磁化能够穿透铁磁性构件的全断面，因而能够激发出各个部位的缺陷产生出的磁场信息，但对非铁磁性构件直流磁化则无能为力；交流频率随着频率的提高，涡流渗入层面不断变薄，同时检测的灵敏度也将不断提高。,2.从信息获取的角度来看，增加激励电流中的多项式以至达到脉冲激励，使得激励频率成分不断丰富，从而有可能得到更多的检测参数和方程去评估被测缺陷特征参数，如多频涡流、相控阵涡流技术等。,3.从信号处理上看，直流磁化仅包含幅度信息，考虑磁场空间分布即可，交流激励含有了幅度、相位、频率等时空信息，因而分析的范围和参量更复杂。,二、电磁无损检测,三、常规涡流无损检测,研究意义,输出与被测体电磁特性有关,电涡流传感器,性能与探头线圈结构和几何参数相关,三、常规涡流无损检测,线圈,被测体,输入,一级磁场,二级磁场,涡流,三、常规涡流无损检测,三、常规涡流无损检测,涡流等效电路,单匝线圈的阻抗求解模型,1区：z0)2区：-cz,三、常规涡流无损检测,轴对称时谐电磁场,本构方程,约束方程,内边界条件,无限远边界条件,定解问题,三、常规涡流无损检测,柱坐标系下,SL型本征值问题方程,(1),(2),三、常规涡流无损检测,t=,BESSEL方程,无限远边界条件内边界条件,三、常规涡流无损检测,圆柱线圈阻抗求解模型,y,1区：zd+h,三、常规涡流无损检测,三、常规涡流无损检测,5区：hzd+h,P(,z),上部线圈单独作用,下部线圈单独作用,三、常规涡流无损检测,入射场阻抗,散射场阻抗,三、常规涡流无损检测,圆柱线圈阻抗的数值计算,三、常规涡流无损检测,传感器磁场有限元仿真及线圈阻抗计算,假设,三、常规涡流无损检测,有限元仿真,3D模型,(a)模型1,(b)模型2,探头线圈,被测体,近场空气,远场空气,探头线圈,被测体,被限定的空气,三、常规涡流无损检测,3D分析结果,(b)模型2,磁场强度分布图,涡流密度分布图,(a)模型1,三、常规涡流无损检测,3D分析结果,(a)模型1(b)模型2,被测体半径(mm),涡流密度(103A/m2),123511331031929827725623521419317215,01.83.65.47.29.0,0.92.74.56.38.1,被测体半径(mm),122911271025923821719617515413311209,涡流密度(103A/m2),01.83.65.47.29.0,0.92.74.56.38.1,涡流密度沿被测体径向分布曲线图,三、常规涡流无损检测,3D分析结果,表1,表2,三、常规涡流无损检测,有限元仿真,2D模型,x,三、常规涡流无损检测,2D仿真结果和3D仿真结果比较,可用2D模型代替3D模型进行电涡流传感器的电磁场仿真和线圈阻抗计算,表4,三、常规涡流无损检测,线圈阻抗理论和有限元计算值比较,相关计算参数,表5,表6,三、常规涡流无损检测,结论：,三、常规涡流无损检测,非磁性材料的自旋排列图,铁磁性材料的自旋排列图,三、常规涡流无损检测,消除传感器与被测材料相关性的方法,方法的提出,感抗L,电阻R,投影平面,Zp(x3),Zp(x2),Zp(x1),x1,x2,x3,Z1,Z2,Z3,Zp3,Zp2,Zp1,O,验证过程：1.线圈电阻感抗线性2.关系曲线平行3.线性变化,验证方法：有限元法和试验法,三、常规涡流无损检测,方法的验证有限元法,材料参数,三、常规涡流无损检测,感抗=76.17467+1.70342电阻RSDNP0.999811.4143360.0001,同一检测距离同一条直线,三、常规涡流无损检测,不同检测距离平行,三、常规涡流无损检测,三、常规涡流无损检测,有限元法验证结论,1.在同一检测距离下、不同被测材料下线圈电阻和感抗呈线性关系；2.在不同检测距离下，线圈电阻和感抗的关系曲线相互平行；3.检测距离和各条直线截距不是线性变化的。,三、常规涡流无损检测,方法的验证试验法,三、常规涡流无损检测,同一检测距离线性,三、常规涡流无损检测,图4-14不同检测距离、不同被测材料下线圈电阻和电感之间的关系(900KHz),电阻(),9085807570656055,255075100125,(0.10mm2.00mm),不同检测距离平行,三、常规涡流无损检测,直线的相关参数,三、常规涡流无损检测,试验法验证结论,1.在同一检测距离下、不同被测材料下线圈电阻和感抗呈线性关系；2.在不同检测距离下，线圈电阻和感抗的关系曲线相互平行；3.检测距离和各条直线截距不是线性变化的。,三、常规涡流无损检测,两种验证方法结果比较,实验法,有限元法,基础理论,斜率,表明：增加非线性校正环节后，可通过提出的方法实现与被测材料无关的功能,三、常规涡流无损检测,四、远场涡流,远场涡流技术最早发表于1951年美国学者W.R.Maclean的一篇专利报告中。20世纪50年代末,壳牌公司的T.R.Schmidt教授成功研制出第一个在役远场涡流检测系统，用于油井套管检测。德国汉诺威大学利用远场涡流技术对接焊缝进行检测。日本横滨国立大学利用远场涡流现象对石油储罐的底板进行了检测。美国的IMTT公司已经成功的开发出可应用于金属以及金属基复合材料的远场涡流检测仪器，并且具有渗透深、灵敏度高等特点。,2019/11/25,47,管道远场涡流检测机理示意图,管材,23管内径,激励线圈,检测线圈,低频交流电,近场区,过渡区区,远场区区,能量直接耦合通道,能量的间接耦合通道,四、远场涡流,四、远场涡流,远场涡流效应的特征：1.幅值特性曲线出现拐点。2.相位特性曲线出现90的相位急剧变化。3.间接耦合通道的能量二次穿过待检测材料。,(a)幅值特性曲线(b)相位特性曲线,三、远场涡流,将管道中的远场涡流检测方法应用到平板导体件中的一个关键就是，能否设计一个系统，当激励线圈和检测线圈同在平板导体件的一侧时，使得检测线圈检测的也是两次穿过板厚的间接耦合通道的能量。,五、多频涡流,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，最多只能鉴别受检测工件中的两个参数（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。,五、多频涡流,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，对受检工件做出正确评价。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）。,多频涡流检测基本原理,多频涡流法是同时用几个频率信号激励探头，它比用单一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。,五、多频涡流,二、脉冲涡流检测技术的理论基础,脉冲涡流检测原理,六、脉冲涡流检测,二、脉冲涡流检测技术的理论基础,涡流集肤深度的计算,单频涡流趋肤深度,脉冲涡流趋肤深度,六、脉冲涡流检测,七、漏磁检测,漏磁检测方法是一项自动化程度较高的磁学检测技术，其原理为：铁磁材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁场，通过检测漏磁场来发现缺陷。从这个意义上讲，压力容器检测中常用的磁粉检测技术也是一种漏磁检测，但习惯上人们把用传感器测量漏磁通的方法称为漏磁检测，而把用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测，且将它们并列为两种检测方法。,七、漏磁检测,漏磁检测的原理及特点：,利用励磁源对被检工件进行局部磁化，若被测工件表面光滑，内部没有缺陷，磁通将全部通过被测工件；若材料表面或近表面存在缺陷时，会导致缺陷处及其附近区域磁导率降低，磁阻增加，从而使缺陷附近的磁场发生畸变，此时磁通的形式分为三部分，即（1）大部分磁通在工件内部绕过缺陷。（2）少部分磁通穿过缺陷。（3）还有部分磁通离开工件的上、下表面经空气绕过缺陷。第三部分即为漏磁通，可通过传感器检测到。对检测到的漏磁信号进行去噪、分析和显示，就可以建立漏磁场和缺陷的量化关系，达到无损检测和评价的目的。,七、漏磁检测,七、漏磁检测,漏磁检测的特点：,易于实现自动化。漏磁检测方法是由传感器获取信号，然后由软件判断有无缺陷，因此非常适合于组成自动检测系统。实际工业生产中，漏磁检测被大量应用于钢坯、钢棒、钢管的自动化检测；较高的检测可靠性。漏磁检测一般采用计算机自动进行缺陷的判断和报警，减少了人为因素的影响；可实现缺陷的初步定量。缺陷的漏磁信号与缺陷的形