（机械制造及其自动化专业论文）电涡流检测技术在多层厚度检测中的应用研究.pdf

兰二里坠 1 2 涡流检测技术的研究现状及发展 1 2 1涡流检测技术发展历史 涡流检测方法是以电磁感应为基础的检测方法，当一块导体置于变化的磁场中或相对于 磁场运动时，导体内部就会产生感应电流，电流的路径往往犹如水中的漩涡。因此称之为涡 流，由于导体自身各种因素( 如导电率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等) 的变化，会导致感 应电流的变化，利用这种便可以判知导体的性质和状态。涡流检测方法具有的快速、非接触 测量的特点使其广泛地应用于电力、机械、航空、化工、原子能等工业部分。涡流现象的发 现和利用已有上百年的历史。早在1 9 世纪初期，法国科学家傅科就在实验中发现了涡流现 象。首先利用涡流现象进行检测始于1 8 7 9 年，当时休斯( h u g h e s ) 利用感生电流的方法对 不同金属和合金进行了判断试验。首次将电涡流现象同检测联系起来，揭示了应用涡流对导 电材料进行检测的可能性。但在休斯以后相当长的一段时间内，由于各种试验参数对涡流检 测的影响在理论上的研究很不充分，没有找到抑制干扰因素的有效方法，涡流检测技术发展 缓慢，到第二次世界大战期间，才有少量的涡流检测设备。真正在理论和实践上完善涡流检 测技术的是德国的福斯特博士，他在1 9 5 0 1 9 5 4 年间发表了一系列的论文，提出了以阻抗 分析法来抑制涡流检测仪中的干扰因素，为涡流检测机理的分析和设备研制提供了理论依 据，开创了现代涡流检测方法和设备的研制工作。此后，各国都在涡流检测方法做了大量的 工作。1 9 7 0 年美国人l i b b y 提出了多频涡流技术p 。该方法采用几个频率同时工作，通过 对各个不同频率阻抗增量的分析，能够成功地抑制或消除多个干扰因素，提取所需信息，大 大增强了涡流技术的检测能力。2 0 世纪8 0 年代初，w i t t i n g 等人提出了脉冲涡流技术”。 该方法将矩形脉冲送入激励线圈，对接收信号进行频谱分析，得到各种谐波的响应进行分析 处理。这些科学家的工作大大推动了全世界涡流检测技术的发展。在近2 0 多年里，由于电 子技术，尤其是计算机技术和信息理论的飞速发展，对涡流试验产生了深刻的影响，促进了 涡流检测原理的理论研究，研制和生产了各种性能更加完善的涡流检测设备，极大的开拓了 涡流检测的应用范围，使涡流检测成为五大常规无损检测技术之一。 1 2 2 涡流检测技术发展现状 涡流检测方法是以电磁感应为基础的检测方法，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方法的检测对象。而在电磁检测的理论研究中，确定导电材料中 缺陷或裂缝的形状、大小和位置的问题就其本质上来说属于电磁场逆问题的求解。电磁场 逆问题( 或反问题) 是相对于电磁场顺问题( 或正问题) 而言的。顺问题是指已知场源和缺 陷参数来求解散射场的大小和分布起着由因推果的作用。对顺问题的研究在理论上和应用 上都比较成熟至今仍占主导地位。大多数的正向问题的数学模型( 定解问题) 有解且唯一， 如果选择合适的汁算方法，一般情况下数值解是稳定的，即正向问题是适定的。对正向问题 的求解已有许多有效地计算方法，其代表性的方法有有限元法、边界元法和矩量法等。与顺 第一章绪论 问题不同，逆问题则是利用有限个场点的散射场强来确定缺陷媒质及分布，起着由果及因的 作用。由于逆问题的复杂性，目前逆问题的理论基础还不是非常坚实，例如目标函数的选取， 逆问题的适定性及其求解方法的确定都需要从理论上予以澄清。涡流法识别缺陷的检测装置 包括场的发射、散射场的测量和数据处理三个部分其中数据处理最关键，这是实现涡流缺 陷成像的瓶颈。从当前发表的文章看，电磁场逆问题的数值计算方法主要有以下几种“： ( 1 )最优化方法 该方法的特点是反复求解顺问题来不断逼近目标函数的极小值，其计算顺序是先假定一 组初始值，然后计算对应的顺问题，通过不断的调整初始值，使顺问题的解与己知测量值在 某种数学意义下为最小。 ( 2 ) 模拟退火法和遗传算法 模拟退火法和遗传算法是模仿自然界某些现象而提出的算法。模拟退火的概念很简单， 它是把逆问题的求解模仿成一个物理系统，如某一金属，首先在高温下被熔融，然后逐渐冷 却，直至形成良好的结晶结构，也就是进入一种具有最小能量的状态，把逆问题的目标函数 极小值与最小能量状态相对应，就可依此方法搜索，形成模拟退火算法。遗传算法则是模拟 自然界生物群优胜劣汰的进化过程而提出的，算法中包括选择、交叉和变异三部分。遗传算 法的特点是容易找到全局最优解，且不要求目标函数的连续性和可微性。 ( 3 ) 矢量的正交化方法 傅立叶变换法和q r 分解法等正交方法可有效确定二维物体的形状，对三维缺陷和非线 性场不适用。 ( 4 ) 近似方法 就是对于三维缺陷，散射场和缺陷参数呈复杂的非线性关系时，在某些情况下，采用近 似的方法来简化计算。 ( 5 ) 人工神经网络方法”“2 。”+ 2 ” 近几年来迅速发展的人工神经网络法，在确定缺陷时无需建立数学模型，通过大量的实 例学习来识别缺陷，是一种唯象处理方法，从理论上讲，人工神经网络用并行方式处理信息， 所以识别缺陷的速度主要取决于硬件的响应速度比用数值方法快得多。但对于事先没有学 习过的缺陷则是无能为力。 与其他的无损检测技术一样，涡流检测也包括 获取信号( 传感器) 、测量参数的选择、信号处理和 结果显示。人们也总是围绕这几个方面来开展研究， 推动涡流检测技术的发展。与这几方面相对应，涡 流检测技术主要包括：检测探头技术( 传感器技术) 、 测量参数的c a d 优化技术、缺陷信号的处理技术以 及显示技术。 ( 1 ) 传感器( 检测探头) 技术研究传感技 术是检测技术的关键，近年来人们在传感器的数字 模型、结构、集几何尺寸自动优化、特征值的测定、 有效屏蔽以及与计算机结合等方面进行了大量的研 幽l _ 2a 胤传感器 4 第一章绪论 究。针对管材涡流检测中常用探头的不足，美国西屋科学技术中心的c l a r k 设计了直规传感 器l ( 图1 - 2 ) 。他是将内通过式传感器分割成若干独立的小线圈，分别由计算机控制，当 某一小线圈扫套到缺陷后，, - r t i 口断开此线圈并继续行走到另一个小线圈发现缺陷，再由计算 机对线圈空间距离进行计算得到缺陷的大小。此时将传感器定位并变频测量以求得缺陷距表 面的深度。另外为了保持材料表面及近表面高检测灵敏度的同时，提高有效渗透深度，c l a r k 和m e t a i 于1 9 8 9 年设计出了牛眼传感器【“i ，如图1 3 所示。其结构为同轴排列若干线圈， 线圈之间被屏蔽，使之独立工作。它的工作原理是首先对不同大小的线圈施以高频检查，当 发现某种缺陷信号时，停止扫查并开始对各线圈以不同频率检测缺陷的深度。 为了同时提高涡流检测的轴向和周向缺陷的检出敏感性，一个较为有效的方法是采用 阵列探头，显然它需要有与探头同样多的通道及信息融合技术。8 0 年代中期出现了商业相 控阵传感器，m ts h y a m s u n d e r 对这种传感器作出了说 明，它是由三个线圈组成，相互间隔1 2 0 度，线圈之间 是由星状结构相连。这种结构的传感器可以对管材的轴 向和周向的缺陷同时敏感，高效率地捡出多个方向的缺 陷。还有另外一些专用的涡流传感器，如日本n i b o n 大 学的hh o s h i k a w a 等教授为了对焊接区背景噪声较为 复杂的工件进行探伤所设计的新型传感器等。还有一些 科学家为了提高传感器的灵敏度和分辨力，通过有限元 计算，在激励线圈和测量线圈之间设置了杯状有源屏 蔽，改变传感器敏感区域的磁场分布，使磁场聚焦，有 效减少外部磁场的干扰，而通达距离没有改变。这一方 幽l 一3 ，f 眦传感器 面做的较为出色的是法国的i d u f o t i t 等人。 ( 2 ) 测量参数的优化技术通过研究传感器的磁场特征从而对传感器结构以及测量参 数实现优化，这也是涡流检测的一个很重要的研究方向。有限元法是研究这一个方向的基本 手段，目前取得了很大的进展。近几年，f t o l l o n 等人将有限元法和遗传算法结合，对传感 器的几何参数和测量参数进行了优化。结果显示，该方法优化设计的传感器与经验法相比， 灵敏度和线性度都有了明显的提高。另外对传感器激励方式的研究也取得了相当大的进展， 脉冲涡流技术的发展对检测深层的缺陷提供了很好的前景。在这一方面英国的f a r n b o r o u g h 的d e f e n c ee v a l u a t i o na n dr e s e a r c ha g e n c y ( d e r a ) 和美国的i o w a 州立大学等研究机构做 了很多的工作1 1 , 2 7 , 2 8 1 。 ( 3 ) 信号获取和处理技术信号的获取及其处理决定了检测设备的总体性能，近年来 随着电子技术特别是计算机技术的飞速发展，信号处理成为涡流理论研究进展最快的方面。 这极大的推进了涡流无损检测从定性分析到定量分析的演变。从国内外发表的论文看当前对 涡流信号处理的新方法研究比较多的是小波分析技术和人工神经网络技术。小波分析是现代 信号处理的新技术，它的多尺度的特性在对在无损检测中信号的去噪和边缘检测具有相当好 的效果为定量识别缺陷提供依据。而人工神经网络技术由于其集知识表示、存储和计算功 能的插值系统的优点，在涡流检测定量化中具有独特的优势。 从目前公开发表的论文来看，国内在涡流检测的研究主要围绕以下几个方面进行的： 鹅一章绪论 涡流检测中的传递函数方法及缺陷成像的研究m 】，谭明娟、马信山，清华大学博士学位论 文2 0 0 0 年。为克服现行阻抗分析方法的缺点，该文将传递函数引入涡流无损检测，提出 了新的分析方法一涡流传递函数法。该文以空心圆柱线圈为探头的涡流检测系统研究对象， 定义了涡流阻抗传递函数，并从电磁场基本方程和线性系统理论出发，推导出被测导体材料 无缺陷和有缺陷两种情况下的传递函数表达式，并进行了仿真计算。这将为涡流检测结果的 在线自动识别和缺陷成像提供更多的信息量。 涡流无损检测中数值模拟与信号处理的研究【9 ”，陈德智，盛剑霓，西安交通大学 博士学位论文，1 9 9 8 年。该文选取半无限大导体中的理想裂纹为研究对象，研究涡流问题的 求解、缺陷与线圈阻抗增量的关系、缺陷与扰动磁场的关系以及小波分析方法在涡流检测信 号处理中的应用。 涡流无损检测中体积分方程法及缺陷重构智能系统研究”，唐磊，盛剑霓，西安 交通大学博士学位论文，1 9 9 7 年。该文首先从正问题的求解出发，利用体积分方程法对有 一定厚度的平板导体和圆柱分层导体中存在有三维缺陷时的涡流场的并矢格林函数的表达 式进行了详细的推导，然后探讨了探头设计的一般原则，最后基于信号处理的方法，建立了 一个缺陷重构的智能系统。 三维涡流探伤的正问题和逆问题【9 ，雷银照，马信山，清华大学博士学位论文， 1 9 9 4 年。 1 9 9 7 年以来发表的文章大都着眼于三维缺损响特征的仿真技术研究、数字处理技 术研究、检测系统研制等。清华大学博士后雷银照的课题是核电站石墨涡流检测理论和技 术，华中科技大学c a d 中心博士后蒋齐密在国家自然科学基金项目“基于h p 有限元和电磁 场分布的产品质量检测技术的研究”中主要研究有限元数值仿真技术o ”l i ”i 。 1 2 3 涡流检测技术发展趋势 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 发展方向可以大致归纳为以下几个方面： 1 ) 研究将涡流场的分布和等效电路阻抗有机结合的问题。这是解决涡流检测中各种应 用技术的根本问题。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，应研究不同的场如何影响阻抗的特性，阻抗特性是怎样反映涡流场以及被测体所具有的 待测量特征。这是需要大力研究的方面。 2 ) 远场涡流技术给人们提出了另外一个新的理论问题，即间接