（信号与信息处理专业论文）基于阻抗分析法的电桥式涡流检测系统研究.pdf

基于阻抗分析法的电桥式涡流检测系统研究 摘要 随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。电子测量技术的各个领域得 到越来越广泛的应用，传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，已经很难满 足实际工作的需要。集成电路和计算机的迅猛发展使电子测量仪器逐渐向数字化、智 能化方向发展，与传统仪器相比表现为：功能更强、处理速度更快、频带更宽、界面 更友好、体积更小、可扩充性更好。微型计算机的普及程度和性能不断提高，使得基 于p c 平台的虚拟仪器系统应运而生。虚拟仪器可以充分利用计算机的运算、存储和 显示功能，因而在降低仪器成本的同时使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可 以更方便地组建测试系统，更好地满足多种测量要求。论文将涡流检测技术、数据采 集技术与虚拟仪器技术有机结合起来，开发出了一套适用于在线检测的数字化涡流检 测系统。 涡流检测硬件电路主要包括激励源、交流电桥、前置放大、平衡、可调增益放大、 相敏检波和滤波等模块。采用直接数字频率合成( d d s ) 技术设计的激励源，能产生 频率幅值稳定、波形良好的激励信号，频率分辨率可达微赫兹级。为提高系统在线检 测的性能，设计出了伺服跟踪的自动平衡电路，能够按设定的方式消除检测系统误差， 实现快速自动平衡。电路的有效增益达到8 6 d b 。 采用p c i 9 8 1 2 数据采集卡以及l a b v i e w 软件开发了上位机检测平台，用于涡流 检测信号的采集、分析、处理与显示。涡流检测信号可以通过带状图和阻抗平面图的 形式显示出来。涡流信号的数据采集可根据检测需要选择不同的触发源和触发模式。 结合具体检测对象，研制了相应的涡流检测传感器，并对带有通孔缺陷的薄壁圆 管进行了检测实验。实验结果表明，本系统具有较好的量化检测能力，较高的稳定性 和可重复性。 关键词：涡流检测，阻抗分析法，交流电桥，数据采集，虚拟仪器 d e v e l o p m e n t o fa cb r i d g ee d d yc u r r e n tt e s t i n gs y s t e m b a s e do ni m p e d a n c ea n a l y t i c a lm e t h o d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h er e q u i r e m e n to nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t t e c h n i q u eh a se x t e n d e dt om o r ef i e l d st h a ne v e r d u et ol i m i t e df u n c t i o n sa n db u l k y ， t r a d i t i o n a le l e c t r o n i cm e a s u r e m e n te q u i p m e n ti sv e r yd i f f i c u l tt om e e td e m a n d so fr e a lw o r k t h a n k st ot h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e d c i r c u i ta n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y ， m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sa r eb e c o m i n gd i g i t i z e da n di n t e l l i g e n t i z e d c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a le q u i p m e n t ，t h en e wi n s t r u m e n t sh a v em o r ef u n c t i o n s ，h i g h e rp r o c e s s i n gs p e e d ， w i d e rb a n d w i d t h ，f r i e n d l i e ri n t e r f a c e ，s m a l l e rs i z ea n db e t t e re x p a n d a b i l i t y t h ep r e v a l e n c e a n dr o c k e t i n gd e v e l o p m e n to fp e r s o n a lc o m p u t e r sg i v eb i r t ht oan e wk i n do fi n s t r u m e n t ， v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) v ii sb a s e do np cp l a t f o r m ，w h i c hm a k e si tc o n v e n i e n tt ou s et h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e so fp ca n dl e t st h ea b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n gf l e x i b l e w i t h v i ，am e a s u r es y s t e mc a nb ee a s i l yb u i l tf o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so fm e a s u r e m e n t i n o r d e rt om e e tt h ed e m a n do fe d d yc u r r e n ti n s y s t e mt e s t i n ga n di m a g i n gt e s t i n g ，an e w e d d yc u r r e n tt e s t i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do nl a b v i e w t h es y s t e mw a sc o m p o s e d o fh a r d w a r ec i r c u i t ，c o m p u t e r ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dr e l a t i v es o f t w a r e t h eh a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e de x c i t a t i o ns o u r c e ，a cb r i d g e ，p r e a m p l i f i e r ， a u t o - b a l a n c ec i r c u i t ，a d j u s t a b l ea m p l i f i c a t i o n ，p h a s e s e n s i t i v ed e t e c t i o na n df i l t e r i n g m o d u l e s d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ( d d s ) t e c h n o l o g yw a su s e di nt h ed e s i g no ft h e e x c i t a t i o ns o u r c e t h ea u t o - b a l a n c em o d u l ec o u l db es e tb yu s e r st oa c h i e v er a p i da u t o m a t i c b a l a n c e ，a n dw i l lg r e a t l ye n h a n c e dt h es y s t e m sc a p a c i t yo fd e t e c t i n gaw e a ks i g n a l t h e t o t a lg a i no ft h ec i r c u i tc o u l db e8 6 d b p c i 9 8 1 2d a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a su s e df o rt h es i g n a ld a t aa c q u i s i t i o n l a b v i e w v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ep l a t f o r mw a su s e dt od e v e l o pt h es o f t w a r es y s t e m t h es y s t e m d i s p l a y e dt w ot i m e - b a s e ds t r i pc h a r t sa n dp r e s e n t e dt h ep h a s ea n da m p l i t u d ev e c t o r so ft h e e d d yc u r r e n ts i g n a la sat w o d i m e n s i o n a ll i s s a j o u sf i g u r e e d d yc u r r e n tt r a n s d u c e r sw e r e d e v e l o p e d t e s t i n ge x p e r i m e n t sw e r ed o n et h r o u g ht h es y s t e m ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h es y s t e mh a dg o o dt e s t i n gc a p a b i l i t y ，h i g hs t a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y k e y w o r d s ：e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，i m p e d a n c ea n a l y t i c a lm e t h o d , a cb r i d g e ，d a t aa c q u i s i t i o n ， v i r t u a li n s t r u m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：叠垒洼 日期：型：生：迎 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 日期：兰竺! ：墨 日期： ) 望尹事 一 中北大学学位论文 1 引言 1 1 无损检测技术概述 无损检钡l j ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g 简称n d t ) ，是以不损害被检测对象的使用性能为 前提，根据材料内部因有缺陷或组织结构上的差异存在而引起的对超声、光、射线、电 磁信号等的变化来发现反映材料物理特性的特性参数变化的一种技术手段1 1 j 。它综合了 现代物理学、电子学、材料学和计算机学科的形成就应用于材料和产品的检验，能够了 解和评价材料、产品、设备构件直至生物等的性质、状态或内部结构等等，因此在工业 生产、物理研究、生物工程以及医疗诊断灯光大领域获得极大的重视和迅速发展。目前， 无损检测技术中有五大常规检测方法，分别是超声法、射线法、磁粉法、渗透法、涡流 法【2 ，3 1 。 超声检测( u t ) 利用超声波传播时遇到界面会发生反射的特性来检测物体的缺陷或 某些物理特性。在超声检测中常用的超声频率为o 5 5 m h z ，主要包括脉冲反射法、穿 透法、共振法。它对于平面状的缺陷可以获得很好的缺陷回波，但对于球状的缺陷难以 获得足够的回波。 射线检测( r t ) 利用x 射线或r 射线在穿透被检物体各部分时强度衰减的不同，来 检测被检物体的缺陷。若将受到不同程度吸收的射线投射到x 射线胶片上，经显影后可 以得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片。如使用荧光屏代替胶片，可以直接观 察被检物体的内部情况。 磁粉检测( m t ) 当铁磁材料被磁场强烈磁化后，如在材料表面或近表面存在与磁化 方向垂直的缺陷，即会造成磁力线外溢，形成漏磁场。若在漏磁场施加磁粉或磁悬液， 则漏磁场对磁粉产生吸引从而显示缺陷痕迹。它对检测表面缺陷最为灵敏，对表面以下 的缺陷随着埋藏深度的增加检测灵敏度迅速下降，而且被检测物体必须具有铁磁性。 渗透检测( p ，r ) 利用荧光渗透液或着色渗透液对狭窄缝隙良好的渗透性来探测表面 缺陷，经过渗透清洗、显示处理之后显示放大了的探伤显示痕迹，用目视法来观察，对 缺陷的性质和尺寸作出适当的评价。优点是应用广泛，检查经济，设备简单，显示缺陷 直观。但它对埋藏在表面以下的缺陷无能为力，只能检查开口暴露在表面的缺陷，操作 工序也较为烦琐。 涡流检测( e t ) 当载有交变电流的检测线圈靠近导电材料时，由于线圈磁场的作用， 材料中会感生出涡流。当材料有裂纹时，会使涡流场发生畸变，最终会导致检测线圈的 阻抗发生变化。通过测定检测线圈阻抗的变化，可以得到被检材料有无缺陷的结论。 1 中北大学学位论文 通过对比分析五大常规无损检测方法，可以得出对于管材、棒材等导电材料的无损 检测，采用涡流法检测相对于其他方法检测有其独特的优点：( 1 ) 与超声法和射线法相 比，它不需要耦合剂，可以非接触性测量；( 2 ) 与磁粉法相比，对磁性和非磁性材料均 有效，而且不污染环境，操作简单，省工省力；( 3 ) 与渗透法相比，它不需要清洗试件， 可以实现在线检测。所以相比之下，涡流法具有快速、方便、无污染、成本低、可以非 接触性测量、对被检物体表面及近表面缺陷检测灵敏度高，特别适合于检测小尺寸物件、 便于现场检测等优点。因此，基于此本文采用了涡流检测方法设计了一套适合在线检测 的涡流无损检测系统对对相关材料进行检测。 1 2 课题提出的背景及意义 以电磁感应定律为基础的涡流检测可用于导电材料的探伤、测厚和材质评估等，它 是一种非破坏性检验方法，可以实现与工件非接触、无耦合剂的高速检测，保证生产过 程中的产品质量以及在役设备的安全运行。由于涡流检测技术具有设备简单、操作方便、 速度快、易于实现自动化等优点，因此在机械、航空等许多工业部门中得到了广泛的应 用。 随着现代工业的发展，许多生产线、检修线需要进行在线、在役检测，这对检测仪 器的要求越来越高。因此，研制性能优良且具备较高自动化、智能化水平的涡流检测仪 器，是现代工业发展的必然要求。如何实现微弱信号的测量与量化，是新型涡流检测仪 器所面对的问题，同时，新型的涡流检测仪器应当适用于在线检测。 计算机技术的飞速发展，极大地促进了检测技术和检测仪器的革新，虚拟仪器技术 就在这种背景下应运而生。虚拟仪器是一种计算机仪器系统，它利用计算机的显示功能 来模拟传统仪器的控制面板，用以控制底层硬件，并利用强大的软件来完成信号的采集、 分析、显示和存储。与传统的仪器开发技术相比，采用虚拟仪器技术有利于提高检测仪 器的数字化、智能化水平，并且能缩短仪器的研发周期，降低研发成本1 4 j 。 薄壁圆管具有管型金属材料、薄壁( 壁厚为0 6 2 0 m m ) 、中空截面等特点，大量 用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等，它的 质量的好坏将对输送管道产生重大的影响。因此在生产阶段就需要对薄壁圆管进行严格 的无损检测鉴定，以防止有缺陷的产品应用到工业现场而造成严重的经济损失。 基于此，研制一种新型的涡流检测电路，并结合上位计算机、数据采集卡以及 l a b v i e w 虚拟仪器平台，设计一套适用于在线检测的涡流无损检测系统，对于提高现 代工业部门的生产线、检修线等在线检测的效率，提升产品的出厂成品率，具有重大的 研究价值和经济意义。 2 中北大学学位论文 1 3 涡流检测技术的最新进展 近几年来，涡流检测技术有了较快的发展，目前，涡流检测中主要涉及到以下几种 技术【5 ，6 】： 1 3 1 阻抗平面分析法 涡流检测时，采用正弦电流源激励。 当探头在试件表面移动时，随着材料特性 的变化，探头的阻抗也发生变化，对应的 涡流阻抗图上的轨迹就表明了材料的特 性。因此若在荧光屏上显示出阻抗曲线 图，就可以给出被测试件信号的幅值信息 和相位信息，从而鉴别出干扰及有用信 号。图1 1 就是热交换管上标准孔缺陷的 阻抗平面图川。也有通过对试件及其周围 空间区域的电磁场列出麦克斯韦方程及 图1 1热交换管上标准孔缺陷的阻抗平面图 定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈阻抗特征的变化与被测工件各种影响因素之 间的关系，从而直接通过线圈阻抗的分析来评价工件的某个待测量。这种方法避开了对 磁场的具体影响去研究一个等效阻抗值，其中掩盖了许多有用信息。 1 3 2 多频涡流检测技术 多频涡流检测技术【8 】是l i b b y ( 美国) 于1 9 7 0 年首先提出的。该方法采用几个频率同 时工作，能成功的抑制多个干扰因素，提取有用信号。多频涡流检测技术的基本原理是 当几个不同频率的正弦电流源同时激励探头线圈时，检测线圈对应于不同频率的输出响 应信号随被测试件特性参数 变化而变化，通过对输出信 号分析处理，就可以有效抑 制干扰因素，实现多参数测 量。图1 2 是多频涡流检测 实例。 国内外先后研制出多种 类型的多频多通道检测仪， 如e e c 3 5 ，e t - 5 5 5 ， 肛嘴 a ) 低频b ) 高频c ) 相减 图1 2 多频涡流检测实例 3 中北大学学位论文 e e c 一3 8 ，e e c 一3 9 ( 爱德森公司) 和e t - 3 5 ，e t - 5 5 5 ，e t - 5 5 6 ( 厦i f 电大工业检测所) 等。这 些仪器不仅有2 0 个独立工作频率，而且采用先进的计算机技术进行控制与处理，可实 现多参数检测，并同时得到多个频率信号，反映出来的差动或绝对信号的矢量信息可一 次完成管子的探伤与测厚任务。我国多频涡流检测技术的研究与应用已基本达到国际同 类水平。 1 3 3 脉冲涡流检测技术 传统的涡流检测技术采用固定频率的j 下弦信号作为激励线圈的激励源信号，脉冲技 术则是采用一个阶跃脉冲作为涡流探头的激励源。显然这个阶跃信号中包含了一系列连 续的频率，因此对于几个不同频率的响应可以仅用一个单阶跃响应测量出来涡流穿透 深度与激励源频率有关，则采用一个阶跃函数就可以得到某一范围深度的信息。脉冲涡 流测量技术是在时域中进行的，首先在检测线圈得到试件上无缺陷区域部分的脉冲响应 信号，将其数字化后可根据测量值描绘出其曲线图，储存后作为标准参考曲线。然后将 随后所测得的各样本的脉冲响应曲线与该标准参考曲线相减，比较二者不同就可以分析 出包含了缺陷特点在内的信息。 1 3 4 远场涡流检测技术 远场涡流p j r f e c ( r e m o t ef i e l de d d yc u r r e n t ) 是一种能穿过金属管壁的低频涡流检 测技术，其探头是内通过式探头。它是由两个与管轴同轴的螺线管线圈组成，其中一个 是通以低频交流电的激励线圈，另一个是检测线圈。与常规涡流检测探头不同的是，检 测线圈是在远离激励线圈2 _ 倍管内径处的远场区( 如图1 3 ) ，能有效的接收穿过管壁 后返回管内的磁场，从而检测管子内壁缺陷与腐蚀。另外，检测量不是线圈的阻抗变化， 而通常是测量检测线圈的感应电压与激励电流之间的相位差。r f e c 技术克服了常规涡 流检测由于趋肽效应带来的局限性，适于检测铁磁性和非铁磁性管子表面及内部缺陷， 可以同样灵敏度检测管壁内外表面的凹坑、裂缝和总的壁厚收缩。 激励线圈检测线圈 图1 3 远场涡流检测原理图 远场涡流技术最早文献是1 9 5 1 年美国发表的一篇专利报告。5 0 年代末6 0 年代初， 美国壳牌石油公司的s c h m i d tt r 教授研制成功了远场涡流早期的检测仪器，并应用于 4 中北大学学位论文 油井套管的检测。7 0 年代未到舯年代中期，场的数值计算方法，有限元方法和计算机 数值分析技术的应用，大大推动了远场涡流现象机理的研究。同期，s d l m i d t t r 教授等 建立了能量通道说，孙雨施和l d nw 教授引入能流的概念都阐述了远场涡流现象的 机理。近年来，我国有关高校和研究机构都开展了远场涡流检测系统的研制工作。但进 一步抑制干扰信号及提高整个检测系统的信噪比仍是需要研究解决的困难问题。 13 5 涡流成像技术 现有的涡流成像技术主要是阻抗c 扫描成像1 1 0 , n l 。图像是信号的图画，将每一信号 值与坐标o b ”联系起来就建立了一幅图形或图像。信号数据可以通过不同的方式表示 出来，最常用的是伪三维显示( 图1 4 a ) 。加 年代中期这种伪三维图像已被美国的z 慨 公司用于工业涡流探伤。图中每一条线代表 。 沿x 方向的连续扫描，线间距表示传感器位 置沿y 轴的移动。如果数据以不同的灰度水 平显示就称为灰度等级图( 图1 4 b ) 。f s c h o u r 采用这种技术得到了铆钉孔洞周围的裂纹图 像。1 9 9 2 年t r e l 【等人采用另一种方法获得 同样类型的图像，所不同的是他们利用一个 。 阵列探头在探测面仅仅扫描几次就可获得探 测面的全部结果。这种成像技术比较简单， 但一个突出的缺点就是不能显示表层以下深 度缺陷的情形。圈14 阻抗c # j 描成像 14 涡流检测的发展方向与展望 随着现代工业和科学技术的发展，必然会推动涡流检测技术的发展。今后涡流检测 的投展方向可以大致归纳为以下几个方面： ( 1 ) 涡流检测探头是检测设备的关键器件，目前，有关探头设计的理论研究尚不 充分，探头的制作多是凭经验或依据实验进行。通过理论分析来进行探头的设计是很重 要的研究课题。有必要加紧研制适合各种应用场合的高性能新式探头。 ( 2 ) 涡流检测技术对缺陷大小形状的三维评价是产品质量不断提高的必然要求， 因此涡流检测三维成像是今后要求的发展方向。 ( 3 ) 涡流，超声一体化检测技术。由于超声、射线属内部件检测，对材料内部深层 5 口 中北大学学位论文 和亚表面缺陷较为敏感，这正是涡流比较难检测到的，而祸流对表面及近表面比较敏感， 使它们能相互弥补各自的缺点。 ( 4 ) 研究将涡流场的分布和等效电路阻抗有机结合的问题，涡流阻抗的变化实质 上是由试件中涡流场的分布和大小的变化所引起的，应研究不同的场是如何影响阻抗的 特性，阻抗特性是如何反映涡流场以及被测体测量特征的。 ( 5 ) 涡流检测的信号处理技术的发展是为了更有效地利用检测信号所包含的信息， 因而提高信噪比一直是信号处理的重要任务。用多参数来评价材料的性能和缺陷是当前 信号处理的趋势。 ( 6 ) 涡流无损检测定量分析的发展。经过近几年的研究，相关技术获得了进展， 使新一代涡流无损检测技术从定性检测转化到定量检测，提高检测水平和可视化程度。 作为一种新型的无损检测方法，涡流检测技术和理论研究进展很快。随着电子技术， 尤其是计算机和信息处理技术的发展，涡流检测设备不断向微机化和智能化方向发展， 对缺陷定量评价和显示技术不断提高。 1 5 本课题所要研究的内容 课题的目标是研制适合于在线检测的涡流检测系统，要求系统具备优良的检测性 能，并且具备较高的自动化及智能化水平。本系统能够实现导电材料的在线缺陷检测， 检测结果以带状图和阻抗平面图的形式显示出来。论文各章节的内容安排如下： 第一章：对当前几种常规的无损检测技术进行了阐述，简单介绍了涡流检测的特点、 新进展以及发展方向，提出了本文所要研究的内容。 第二章：详细介绍了涡流检测的工作原理，对涡流阻抗分析法以及涡流传感器的类 型进行了讨论，并以此为理论依据，给出了本文所要设计的涡流检测系统的总体方案设 计以及性能指标。 第三章：对检测系统的硬件电路设计进行了详细的叙述。该检测电路包含了单片机、 激励源、交流电桥、前置放大、平衡、可调增益放大、相敏检波以及滤波等模块。其中 自动平衡电路是硬件电路设计中的重点和难点，自动平衡电路对检测系统放大微弱信号 的能力起着决定性的作用。最后对设计电路中的抗干扰措施进行说明。 第四章：介绍了涡流信号的采集以及上位机软件系统的设计。本系统的数据采集卡 选用p c i 9 8 1 2 ，上位机软件系统采用l a b v i e w 虚拟仪器平台进行设计。 第五章：完成系统的组装，以钛合金薄壁圆管为主要检测对象进行实验，并对检测 结果进行了分析。 第六章：给出了本课题的研究结论。 6 中北大学学位论文 2 涡流检测原理分析及系统方案设计 整个检测系统的设计需要立足于峰实的理论基础，本章将对涡流检测的原 理、涡流阻抗分析法以及涡流传感器进行详细讨论，并在此基础上进行系统方 案设计及性能指标的确定。 2 1 涡流检测的基本原理 由于电磁感应，当金属处在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，金属体 内会感生出漩涡状流动的电流，称为电涡流。电涡流的产生必然消耗一部分磁 场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，涡流检测是涡流效应的一项重 要的应用，其原理如图2 1 所示。 线圈1 线圈2 l 1 l 2 ( a )( b ) 图2 1 涡流检测原理 在图2 1 ( a ) 中，线圈1 接交流电源，线圈2 接上负载r 2 构成回路。当线圈 1 中电流变化时，由于互感，线圈2 中产生变化的感生电动势和感生电流。又由 于互感，线圈2 中变化的感生电流又在线圈1 中产生感生电动势，使线圈中的 电流发生变化。若改变线圈2 中负载r 2 ，则线圈1 中的电流会随着发生变化。 根据欧姆定律，线圈1 中的电流与电压关系为 ，1 一巨z ， ( 2 1 ) 式中巨一线圈1 两端的电压； ，1 一线圈1 中的电流； z 1 一线圈1 中的阻抗。 7 中北大学学位论文 由式( 2 1 ) 可知，当电源电压一定时，电流随阻抗z ，增大而减小。因此测 出线圈1 中电流，的变化，便可得知其阻抗z 1 的变化，进而探知线圈2 中负载 r 2 的变化。 若用金属块来代替线圈2 ，如图2 1 ( b ) 所示。当线圈中电流变化时，由于电 磁感应，则会在金属试块中产生涡流。涡流的大小、分布等与金属试块的状况 有关。当金属试块中存在缺陷或电导率、磁导率等物理性质发生变化时，试块 中的涡流就会发生变化，而涡流产生的磁场反作用于线圈，使线圈阻抗发生变 化。因此，测定线圈阻抗的变化，就可得知金属试块中缺陷或其他物理性质变 化的情况。 趋肤效应 直流电通过圆柱体导体时，导体横截面上的电流密度基本上是均匀的。但当 交流电通过圆柱导体时，横截面上的电流密度不再是均匀的了，而是导体表面 电流密度大，中心电流密度小，这种现象称为趋肤效应。 电流密度从表面到中心的变化规律为 ，= ，n e - x 州口 ( 2 2 ) 式中l 一导体表面的电流密度 ，一至表面x 深处的电流密度 x - 至表面的距离 1 l - 为频率 p 一磁导率 口一电导率 由式( 2 2 ) 可知，电流密度随至表面的距离增加而减少。当电流密度减少到 表面电流密度的1 e 时的深度，称为渗透深度，用6 表示 6 1 万，肛口 ( 2 3 ) 由此可见，导体的电流频率、磁导率和电导率增加，渗透深度就减小。 由于通过交变电流的线圈在邻近金属试块中产生的涡流也是交流电，因此 涡流同样具有趋肤效应，金属试块表面电流密度大，中心电流密度小。 2 2 涡流检测的特点 如图2 2 揭示了工件在无缺陷和有缺陷情况下涡流的流动情况。 8 中北大学学位论文 检测线嘲 r 件 ( a ) 无缺陷 ( b ) 有缺陷 图2 2 涡流检测原理图 因为涡流检测方法是以电磁感应为基础的检测方法，所以原则上说，所有 与电磁感应有关的影响因素，都可以作为涡流检测的检测对象。 与其它的检测方法相比，涡流检测主要具有以下优点： 1 、对金属管、棒、线材的检测，不需要接触，也无需耦合介质，所以检测 速度高，易于实现自动化检测，特别适合在线普检。 2 、对于表面缺陷的探测灵敏度很高，且在一定的范围内具有良好的线性指 示，可对大小不同缺陷进行评价，所以可以用作质量管理与控制。 3 、影响涡流的因素很多，如裂纹、材质、尺寸、形状及电导率和磁导率等。 采用特定的电路进行处理，可筛选出某一因素而抑制其他因素，由此有可能对 上述某一单独影响因素进行有效的检测。 4 、由于检查时不需接触工件又不用耦合介质，所以可进行高温下的检测。 由于探头可伸入到远处作业，所以可对工件的狭窄区域及深孔壁( 包括管壁) 等进行检测。 5 、由于是采用电信号显示，所以可存储、再现及进行数据比较和处理。 2 3 涡流阻抗分析与计算 在涡流检测中，被检试件自身各种因素( 如电导率，磁导率，形状，尺寸 和缺陷等) 的变化，会导致感应电流的变化，最后反映在检测线圈的阻抗或次 级线圈感应电压的变化。而且各因素对阻抗或电压的影响程度各不相同，因此 9 中北大学学位论文 为了了解涡流检测中被检对象的某些性质与检测线圈的电气参数间的联系，就 需要对检测线圈进行阻抗分析1 1 2 1 。 阻抗分析法是以分析涡流效应引起的线圈阻抗及其相位变化之间的密切关 系为基础，从而鉴别各影响因素的一种分析方法。从电磁波传播的角度来看， 这种方法实质上根据信号有不同相位延迟的原理来区别试件中的不连续性。因 为在电磁波的传播过程中，相位延迟是与电磁信号进入金属中的不同深度和折 返回来所需的时间联系在一起的。阻抗分析法直到目前仍是涡流检测中应用最 广泛的一种方法。在阻抗分析法的发展过程中，由于傅斯特的开拓性工作和实 用化资料的积累，在一般的实际应用中，以傅斯特建立的阻抗分析法表述较为 - 萎1 1 3 ，1 4 1 日o 2 3 1 线圈的阻抗分析 在交流电路中，串联电路的电压受电路总阻抗的影响，电压的变化和阻抗 的变化之间有着相似的规律。根据这个道理，在涡流检测中为了确定受检测试 件性能影响而产生的涡流的变化，既可以用检测线圈的电压效应来确定，也可 以用检测线圈的阻抗变化来确定。后者就是目前在涡流检测中广泛使用的阻抗 分析法。 1 、线圈自身的阻抗 用金属导线绕成的线圈，除了有电 感外，导线还有电阻，各匝线圈之间还 有电容。因此，一个线圈并不是一个纯 电感，而是需用电阻、电感、电容组合 而成的等效电路来表示。但是，在不同 的条件下，线圈还可以用不同的等效电 路来代替。例如，频率较低时可以不考 虑电容，如果与电路中其他元件的电阻 相比，线圈的电阻很小，电阻也可以忽 略不计，则可用纯电感来表示。 l y y 卅a l i t b 图2 3 线圈的等效电路 在涡流检测中，检测线圈的等效电路可根据对电路的要求程度，用图2 3 中 的4 种形式来分析研究。图中的a 表示无损耗的理想线圈；b 表示l 和r 的串联 等效电路；c 表示l 和r 的并联等效电路；d 是考虑了线圈各匝之间有分布电容 1 0 中北大学学位论文 的等效电路。在涡流检测中，一般用b 的形式；频率较高的时候采用d 的形式。 根据交流电路中复阻抗的概念，线圈自身的复阻抗z 为 z ；r + j m l ( 2 - 4 ) 根据线圈自身的阻抗，就可以用复电压平面图把通过线圈中的电流和电压 之问的关系表示出来，如图2 4 所示。 i 执 l 魄 ( a ) 线圈等效电路( b ) 电压三角彤( c ) 阻抗三角形 图2 4 线圈的等效电路及其复平面 2 、耦合线圈的阻抗 涡流检测中，在载流线圈的作用下，试件中由于电磁感应而产生的涡流若 是在多层密迭在一起的线圈中流过的电流，就可以把被检测的金属试件看作一 只和激励线圈耦合的次级线圈。因此，从电路的角度看，涡流检测类似于电感 耦合电路，从而可以将耦合线圈的知识应用于涡流检测中对线圈的阻抗分析。 涡流环 u r 1r 2 ( a )( b ) 图2 5 检测线圈与涡流环的等效电路 在图2 5 ( b ) 中，用向量表示电流、电压，由回路电流法得： 中北大学学位论文 甍：黜_ j w m l ，= 0 1 5 ， ( 尺2 + j f n 厄2 ) ，2 1 一 。 式中： r 线圈空载状态( 即不与导体耦合) 时线圈的损耗电阻； 厶线圈空载状态时线圈的电感； r ，涡流环的电阻； 厶涡流环的电感； m 线圈与涡流环之间的互感系数。 令：z 。r 1 + j 础。= r 。+ j x 。表示检测线圈的自阻抗，即线圈空载阻抗， x ，= w l 为空载的感抗； z 2 2 一r 2 + j w l 2tr 2 + 皿2 表示涡流环的自阻抗x 21w l 2 为涡流环的感抗； z 。：- j 肼一j w m 表示检测线圈与涡流环的耦合阻抗，x ，- t o m 称为耦合电 抗。式( 2 - 5 ) 简化为： 篡rill-z1212。-。ui 10 1 6 ) z 2 22 一z 1 2l 一 解得： 小鑫。鑫。焘 7 ， 由式( 2 - 7 ) 可以画出检测线圈的等效 电路，如图2 6 所示。它是由检测线 圈的自阻抗和因与涡流环耦合增加的 阻抗z ：串联而成。z ：，称为涡流环对 检测线圈的反射阻抗，它反映了被测 导体上的涡流场对检测线圈的影响。 引入反射阻抗z ：，以后，我们就把检测 线圈与涡流环两个本来相连的耦合电 路问题变成了单个等效检测线圈回路 1 2 图2 6 检测线圈的等效电路 中北大学学位论文 问题，这对检测线圈阻抗的分析十分方便，下面具体分析涡流环对线圈的反射 阻抗z i 。 3 、反射阻抗与视在阻抗 z ：。；堕；旦。r + 弘 ( 2 8 ) “ z 2 2r 2 + i x 2 。 一 式中尺和x 。称为涡流环对检测线圈的反射电阻和反射电抗，具有： ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可以看出，反射电抗x 。 1 ，f f g = 2 万舡仃a2 ，z z 0 = 纠e o = 1 一刀+ 哟。 可见j c lr 不仅影响f f 。，而且直接影响e e 。这说明i c lr 具有双重影响。当肛r 增大时，一方面使。仃增大，即阻抗值要落到新的j c lr 增大了的曲线上；另一方 面，它又使f f 。增大，故阻抗值沿着同一条曲线移动到新的位置上。两者影响的 总效果使磁导率变化引起的效应方向发生在弦向曲线方向上。 ( 3 ) 试件几何尺寸 试件几何尺寸通常是指试件直径。由公式可知，试件直径的变化具有双重 1 8 中北大学学位论文 影响。不仅影响参数f f 。，而且影响填充系数，7 。f f 。使线圈阻抗沿曲线方向变 化，7 使阻抗沿交线方向变化。两者共同作用结果使阻抗沿弦线方向变化。 ( 4 ) 缺陷 缺陷对线圈阻抗的影响可以看作是电导率、几何尺寸两个参数影响的综合 结果。它的效应介于电导率效应和直径效应之间。由于试件中的裂纹位置、深 度和形状的综合影响结果，使缺陷效应的大小很难进行理论计算，所以，通常 都是借助模型进行试验，取得各种材料的不同形状、尺寸和位置的缺陷，在不 同频率下的实验结果，制成参考图表，以便为实用试验提供依据。 ( 5 ) 试验频率 由于线圈电压或阻抗是频率比f f 。的函数，因此试验频率对线圈阻抗有直接 的影响。f 不同，f f 不同，由此引起阻抗沿曲线方向变化。在涡流检测中，为 了有效分离各种影响因素，提高检测灵敏度，应尽量选择最佳试验频率。f f 过 小，电导率变化方向与直径变化方向角小，采用相位法分离困难。f f 过大，趋 肤效应显著，也不理想。因此一般取f f = 10 4 0 。 ( 6 ) 提离效应 探头式线圈至试件表面的距离对线圈阻抗产生影响，这种由于距离的变化 而引起线圈阻抗急剧变化的现象称为提离效应。在实际检测中，必须采取有效 措施抑制提离效应的不利影响【1 5 , 1 6 , 1 7 1 。 2 4 涡流传感器结构及分类 涡流传感器又称为探头。在涡流检测中，工件的情况是通过涡流传感器的 变化反映出来的。只要对磁场变化敏感的元件，如霍尔元件、磁敏二极管等都 可以被用来作为涡流检测的传感器，但目前用得最多的是检测线圈。根据涡流 检测原理，传感器首先需要一个激励线圈，以便交变电流通过并在其周围和受 检工件内激励形成电磁场；同时，为了把在电磁场作用下反映工件各种特征的 信号检测出来，还需要一个检测线圈。因为涡流传感器的激励线圈和检测线圈 可以是功能不同的两个线圈，也可同一线圈具有激励和检测两种功能。因此在 不需要区分线圈的功能时，通常把激励线圈和检测线圈统称为检测线圈。或称 为涡流传感器。一般地说，涡流传感器具有下列结构和功能【18 】。 1 9 中北大学学位论文 2 4 1 涡流传感器的基本结构和功能 涡流传感器根据用途和检测对象的不同，其外观和内部结构各不相同类 型繁多。不管什么类型的传感器其结构总是出激励绕组、检测绕组及其支架和 外壳组成，有些还有磁芯、磁饱和器件等。 涡流传感器的功能有下列三个；激励形成涡流的功能，即能在被检工件中 建立一个交变电磁场，使工件产生涡流的功能；拾取所需信号的功能，即检测 获取工件质量情况的信号并把信号送给仪器分析评价；抗干扰的功能，即要求 涡流传感器具有抑制各种不需要信号的能力，如探伤时需要抑制直径、壁厚变 化引起的信号，而测量壁厚时，要求抑制伤痕的信号等。 2 4 2 涡流传感器的分类 涡流传感器的类型多种多样，分类方法也很多，阻下是两种常见的分类方 法。 1 、按检测线圈与工件的相对位置分类 可分为外穿过式线圈、内通过式线圈和放置式线圈三类。 ( ”外穿过式线圈。这种线圈是将工件插入并通过线圈内部进行检测( 如 图2 1 0 ) 。它能检测管材、棒材、线材等可以从线圈内部通过的导电试件。由 于采用穿过式线圈，容易实现涡流探伤的批量、高速检验，且易实现自动化检 测，因此，外穿过式线圈广泛地应用于小直径的管材、捧材、线材试件的表面 质量检测。 ” 圈墨圜疆嘲夕 97 ) ， 9 圈叠蕊蕊旷 图2 1 0 外穿过式线圈结构示意闰 ( 2 ) 内通过式线圈。在对管材进行检验中，有时必须把探头放入管子的内 部，这种插入试件内部进行检测的探头称为内通过式探头( 如图2 ”) ，也叫 内通过式线圈，它适用于玲凝器管道( 如钢管、铜管) 的在役检测。 2 0 中北大学学位论文 试件线圈线圈架 图2 1 1内通过式线圈结构示意图 ( 3 ) 放置式线圈。又称为点式线圈或探头式线圈。在探伤时，把线圈放置 于被检工件表面进行检测。这种线圈体积小，线圈内部一般带有磁芯，因此具 有磁场聚焦的性质，灵敏度高。它适用于各种板材、带材和大直径管材、棒材 的表面检测，还能对形状复杂的工件某一区域作局部检测。放置式线圈的结构 如图2 12 所示。 线l 糊磁j 芷：外壳 图2 1 2 放置式线罔结构示意图 2 、按线圈的绕制方式分类 可分为绝对式、标准比较式和自比较式三种。只有一个检测线圈工作的方 式称绝对式，使用两个线圈进行反接的方式称差动式。差动式按试件的放置形 式不同又有标准比较式和自比较式两种。具体如下： ( 1 ) 绝对式。如图2 1 3 ( a ) 所示，直接测量线圈阻抗的变化，在检测时 可用标准试件放入线圈，调整仪器，使信号输出为零，再将被试工件放入线圈， 这时，若仍无输出，表示试件和标准试件的有关参数相同。若有输出，则依据 检测目的的不同，分别判断引起线圈阻抗变化的原因是裂纹还是其它因素。这 中工作方式可用于材质的分选和测厚，又可以进行探伤。 2 1 中北大学学位论文 w 、 ( a ) 绝对式( b ) 标准比较式( c ) 自比较式 图2 1 3 检测线圈的接线方式 ( 2 ) 标准比较式。典型的差动式涡流检测，采用两个检测线圈反向联接成 为差动形式。如图2 1 3 ( b ) ，一个线圈中放置标准试件( 与被测试件具有相同 材质、形状、尺寸且质量完好) ，而另一个线圈中放置被检试件。由于这两个 线圈接成差动形式，当被检试件质量不同于标准试件( 如存在裂纹) 时，检测 线圈就有信号输出，因而实现对试件的检测目的。 ( 3 ) 自比较式。是标准比较式的特例。采用同一检测试件的不同部分作为 比较标准，故称为白比较式。如图2 1 3 ( c ) 所示，两个相邻安置的线圈，同时 对同一试件相邻部分进行检测时，被检测部位的物理性能及几何参数变化通常 是比较小的，对线圈阻抗影响也比较微弱。如果将两个线圈差动联接，这种微 小变化的影响便几乎被抵消掉，如果试件存在缺陷，当线圈经过缺陷( 裂纹) 时将输出相应急剧变化的信号，且第一个线圈或第二个线圈分别经过同一缺陷 时所形成的涡流信号方向相反。 涡流检测线圈也可以接成各种电桥形式。现代通用的涡流检测仪器使用频 率可变的激励源和一个交流电桥相连，测量因缺陷产生的微小阻抗变化。电桥 式仪器一般采用带有两个线圈的探头。两个线圈设置在电桥相邻桥臂上。 绝对式探头对影响涡流检测的各种变化( 如电导率、磁导率以及被测材料 的几何形状和缺陷等) 均能作出反