（检测技术与自动化装置专业论文）电涡流检测系统开发及正向问题研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 作为无损检测领域的检测方法之一，电涡流检测技术具有成本较低、检测速度 快以及非接触式测量等特点，在航空航天、制造及核工业方面有广泛的应用。本文 结合国家自然科学基金项目，围绕新型电涡流检测实验系统关键子系统的研究与开 发以及电涡流检测的正向问题进行了较为深入的研究，主要工作和创新点如下： 1 、研究了电涡流检测实验系统若干关键模块的实现和开发技术。设计了具有纹 波小等优点的电源，实验表明其纹波在l m v 之内；研究了探头信号平衡电路，以便 充分利用后续放大电路的动态范围；采用对比分析方法，应用运放芯片加多路开关 的设计方案，完成了程控增益放大功能，从而大幅提高装置的自动化程度；研究并 设计了锁定放大及相敏检测电路，去除中频干扰能力强，相敏检测结果误差小于2 ； 为了充分利用采集卡的动态范围，设计了自动调零电路；使用m s p 4 3 0 作为控制核 心，设计了控制器软件，实现了程控增益、自动调零、数据采集及串口通讯等功能。 2 、开发了基于l a b v i e w 的电涡流检测上位机软件。该软件具有信号采集、显 示及存储等基本功能。显示窗口可提供阻抗分析法中x 分量、y 分量、相位图和幅 值四种信息。采用5 阶中值滤波技术，有效地抑制了高频干扰；应用文本格式进行 数据文件的存储，实现了检测数据的有效共享。提出并对比分析了数字相敏检测方 案，开发了数字相敏检测软件，以实现硬件电路的简化。设计了串口通讯协议，该 协议对命令帧和数据帧进行区分，且命令帧带和效验，实验验证了其可行性。 3 、设计了一种包含三个巨磁电阻( g m r ) 传感器的电涡流检测探头，分析并 指出该检测探头在多层导电结构检测中的可行性及优点。通过缺陷检测对比实验， 分析了g m r 传感器和线圈式传感器的特性，证实线圈式传感器的输出电压与激励 频率相关，而g m r 传感器输出电压与激励频率无关，这表明g m r 探头应用于多层 结构深层缺陷电涡流检测可行性和优越性比较突出。 4 、推导并分析了多层导电结构的电涡流厚度检测阻抗变化模型，发现探头阻抗 相角的变化几乎不受探头提离变化影响，并应用数值仿真和实验证实了该特性的存 在，在此基础上，提出了利用阻抗平面图分析相角消除提离干扰的方法。 关键词：无损检测电涡流检测g m r 传感器l a b v i e w 提离消除 浙江人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，a so n em e t h o do ft h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，i sal o wc o s t ，f a s t d e t e c t i o na n dn o n - c o n t a c tt e c h n i q u e ，a n dh a sb e e nb e i n gw i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c e ， m a n u f a c t u r ea n dn u c l e a r i n d u s t r i e s s u p p o s e db y t h en a t i o n a ln a t u r e s c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ，t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e do nt h ed e s i g no fc r i t i c a ls u b s y s t e m so fa n e wt y p eo fe d d yc u r r e n tt e s t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e ma n dr e s e a r c h e do nt h ef o r w a r d p r o b l e m so fe d d yc u r r e n tt e s t i n g t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n tt e c h n i q u e so fs e v e r a lc r i t i c a ls u b s y s t e m so ft h ee d d yc u r r e n t t e s t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r ei l l u m i n a t e d ap o w e rs o u r c ew h o s er i p p l ei sl i m i t e di n lm vw a sd e s i g n e d ab a l a n c ec i r c u i to fp r o b e sw a su s e dt ot a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e a m p l i f i e r d i f f e r e n t m e t h o d so fp r o g r a mc o n t r o l l e d a m p l i f i e r w e r e c o m p a r e d a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o db a s e do no pa n dm u l t i - c h a n n e lc h i p si st h e b e s to n ea n dt h u si th a sb e e na d o p t e di nt h ec i r c u i t t h ep h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o nw a s d e s i g n e d 、析t hs m a l le r r o r s a u t o - z e r oc i r c u i tw a su s e dt ot a k ef u l la d v a n t a g eo fa d c a n dt h es o f t w a r eo fm i c r o c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ed e g r e eo fa u t o m a t i o no f t h es y s t e m ( 2 ) t h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r eo ft h ee d d yc u r r e n tt e s t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m w a sd e v e l o p e db a s e do nt h el a b v i e wp l a t f o r m s i g n a lc o l l e c t i o n ，d i s p l a ya n ds t o r a g e m o d u l e sw e r ed e v e l o p e d ，i nw h i c hap a n e ld i s p l a y sf o u rp a r a m e t e r s t h em e d i a nf i l t e r w a su s e dt oe l i m i n a t et h eh i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e d a t ac a nb et r a n s f o r m e di n t ot x t f i l e sf o rt h es a k eo fs h a r i n g t h ed i g i t a lp h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o nw a su s e dt os i m p l i f yt h e h a r d w a r e w h e ns c a ns p e e di sl o w , t h ep r e c i s i o no ft h ed i g i t a lp h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o ni s 1 1 i g h t h ep r o t o c o lo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a sd e s i g n e da n dh a sb e e nv e r i f i e db y e x p e r i m e n t s ( 3 ) t h en e c e s s i t yo fi n t r o d u c i n gg m rs e n s o r st oe d d yc u r r e n tt e s t i n gi nc o n d u c t i v e m u l t i - l a y e r e ds t r u c t u r e sw a sa n a l y z e d ap r o b ew i t ht h r e eg m rs e n s o r sh a sb e e n d e s i g n e d t h eo u t p u to fc o i ls e n s o r sa n dg m rs e n s o r sw e r ec o m p a r e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w st h a tt h es e n s i t i v i t yo fc o i ls e n s o r sh a sr e l a t i o n s h i pw i t ht h ei n c e n t i v e f r e q u e n c yw h i l eg m r s e n s o r sa r ei nc o n t r a s t ( 4 ) t h el i f i o f fe l i m i n a t i o nt e c h n i q u eo fe d d y c u r r e n t t e s t i n g o nc o n d u c t i v e m u l t i - l a y e r e ds t r u c t u r e sh a sb e e ns t u d i e d am e t h o dt oe l i m i n a t ei n t e r f e r e n c eo fl i f t o f fb y p h a s et e s t i n go fs i g n a lw a sp r e s e n t e d t h e o r ya n a l y s e s ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sw e r e 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t u s e dt os u p p o r tt h i sm e t h o d k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，g m rs e n s o r , l a b v i e w , l i f t o f f e l i m i n a t i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝垄态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：耋荔脚签字日期：2 口矿琴年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿苤堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。： ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1 垄孙 签字日期：p 孑年f 月罗f t 别醛名j司睁砰到睁蚪 签字日期：p3 年6 月呵f t 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 摘要 本章介绍了研究课题的来源和意义，概述了电涡流检测技术的发展历程和趋势， 简述了多层导电结构的电涡流技术的研究现状，介绍了g m r 效应及其应用，最后 提出了本文的研究内容。 1 1 课题来源与研究意义 在国民经济与国防部门的许多重要应用领域中，为了保证生产和运输的安全， 要求检测系统能在早期检测到疲劳裂纹、腐蚀等缺陷以避免重大事故。这要求无损 检测技术可以可靠地检测到微小缺陷；同时，为了更加全面而有效的做出安全评估， 要求无损检测系统能尽可能深的检测到深层缺陷。因此，经常会遇到这些急需解决 的多层导电结构深层缺陷检测问题：航空航天领域1 一，飞行器机翼或机体3 卅的多 层搭接结构深层缺陷( 如脱铆、气隙、腐蚀、层间剥离、疲劳裂纹情况) 的检测7 ，8 1 ； 其它领域，如石化管道、工程车辆、舰船以及核电站的重要部位多层结构缺陷的检 测等【9 ，1 0 】。这些领域都需要一种可定量、可靠性好、自动化程度高、操作方便的检 测方法和仪器。此外，在信息产业中，多层p c b 电路板导电部分厚度和间隙的量化 检测，对保证电子产品的质量有重要的意义，这也需要一种针对多层导电结构的， 分辨率高的检测技术。 目前，无损检测技术包括【1 1 1 6 】：射线、超声、磁粉、激光跟踪和电涡流等方法。 使用射线检测法需要放射源，存在安全问题，使用急不方便，属于劳动密集型，且 经济性较差；超声检测方法有共振法、脉冲反射法等，可满足测量精度要求，但是 超声法需要耦合剂，有时候会使被检测对象受潮或者受污染，会影响被测对象的力 学强度和尺寸的稳定性，由于空气等气体的声阻很大，超声法无法检测多层导电结 构中有空气层( 如脱胶、脱粘、脱铆) 的情况，此外超声厚度检测中，如果厚度过 小会影响检测精度；磁粉的检测方法操作复杂，并且无法作用于表层以下的缺陷： 激光跟踪法难以应用于多层导电结构缺陷检测中。电涡流检测方法对于上述问题， 具有其它检测方法彳i 具备的优势1 1 7 - 1 9 】，如不需要耦合剂与被测件直接接触、检测速 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 度快、灵敏度高、适用于所有导电材料、造价低等。并且，除了缺陷和厚度检测外， 电涡流检测还能应用于电导率、磁导率、硬度、外形尺寸的测量。 近几十年来，国内外的研究人员应用电涡流检测技术，试图解决多层导电结构 深层缺陷检测的问题1 1 ，1 2 】，如英国的d e r a ( d e f e n s ee v a l u a t i o na n dr e s e a r c h a g e n c y ) 、澳大利亚的a m r l ( a e r o n a u t i c a la n dm a r i t i m er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 和美国 海军的s r p ( s u s t a i n e dr e a d i n e s sp r o g r a m ) ，爱荷华州大学n d e 中心等均着手研究采 用各种电涡流检测方法( 如低频、多频电涡流法和脉冲涡流法) 试图定量的检测飞 机机身多层导电结构内部腐蚀问题。同时，被检结构的属性、缺陷尺寸、位置十分 复杂，尚有一些关键技术有待解决，如线圈式电涡流检测探头对于多层结构内部缺 陷的敏感性及空间分辨率是一对矛盾，不能同时提高。为了检测深层缺陷，必须研 究传感器的优化设计或采用新型的检测传感器。又如目前用于电涡流检测的正向模 型和仿真器，计算复杂、量大，难以针对小缺陷进行快速建模与计算，无法为反演 算法及时提供正向解。 由无损检测中电涡流检测技术的特点可以发现，电涡流检测系统的设计和正向 问题的研究有较高的工程应用价值和理论研究价值，对于提高航空航天、工业生产 等领域的安全保障有很重要的意义。新型的电涡流检测系统能够更精确、更及时的 发现被检结构的表面及深层缺陷，或者能检测到以往无法检测到的区域，从而做出 快速而全面的安全评估，以提高航空航天、工业生产等领域的安全性。为了能制造 出这样新型的电涡流检测系统，除了在系统结构设计上的改进之外，还需要研究电 涡流检测的正向问题。只有分析清楚了电涡流中各个参数和检测结果之间的关系， 针对检测系统的改进设计出合理的检测方法，从而更好的发挥电涡流检测技术的优 点。 本文即是结合国家自然科学基金项目“多层导电结构深层缺陷电涡流定量化检 测与评估的新方法研究”，开展新型电涡流检测实验系统关键子系统的研究和设计工 作，并对多层导电结构的电涡流检测的正向问题进行了研究，提出了消除提离影响 的方法。 1 2 电涡流检测技术及其发展 电涡流检测技术1 1 3 1 4 ，2 0 垅1 是一种以电磁感应原理为基础的最常用的五种无损检 2 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 测技术之一。当导体置于变化的磁场中或相对于磁场运动时，导体内部会产生感应 电流，这个电流被称之为电涡流。导体自身各种因素( 如电导率、磁导率、形状、 尺寸和缺陷等) 的变化，会导致电涡流的变化，从而可以利用导体中涡流的变化测 量上述特性参数。现在，电涡流检测方法己广泛的应用于各行各业，可以进行厚度、 缺陷、电阻率等参数和特性的检测。电涡流缺陷检测的示意图如图1 1 所示： 图1 1 电涡流缺陷检测示意图 电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。1 8 7 9 年，英国人d e h u g h e s 幂l j 用感应电流的方法对 不同的金属和合金进行了判断。这一年，可以作为电涡流检测技术的开端，因为他 首次将电涡流的物理现象同检测联系了起来。但是当时没有找到有效抑制干扰的方 法，因而并没有形成一种技术。到了二十世纪5 0 年代，德国人f r i e d r i c hf o r s t e r 提出 了阻抗分析的方法【2 3 1 ，为涡电流检测技术的设备研制提供了一条可行的途径，从此， 电涡流检测技术开始步入实用化的阶段。至今，以阻抗分析为基础的电涡流检测方 法依然是使用最为广泛的检测方法。1 9 7 0 年，美国人l i b b y 提出了多频涡流技术 ( m u l t i f r e q u e n c ye c t ) 2 4 】。此项技术使用包含多个频率的激励信号，对各个频率 的信号进行阻抗分析。由于得到了更多的检测信号信息，此项技术可以很好的抑制 干扰并能同时提取多个信息，从而提高了电涡流检测技术的实用性。在此基础上， 还提出了脉冲涡流等新的电涡流检测技术。1 9 8 4 年，s c h m i d tt r 根据实验提出了远 场涡流现象中能量耦合通道及耦合方式的假说，同时其他研究人员根据电磁波导理 论建立了一种半经验模型，这些工作大大促进了远场涡流技术的发展1 2 引。 随着现代工业技术的不断发展，无损检测技术的应用范围越来越广泛。电涡流 检测技术的理论和技术发展面临的问题如下【2 每3 1 】： 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 电涡流检测正向问题研究。主要内容有：不同检测情况下( 探头移动、缺陷、 厚度等) 电涡流检测正向模型的建立；三维电涡流的解析及数值建模、仿真技术的 发展；基于阻抗分析和场论分析的电涡流检测技术的发展和融合等。 ( 2 ) 电涡流检测逆向问题研究。主要内容有：缺陷的快速判别、缺陷分类、电涡流 成像；信号缺陷逆向数学模型的建立、逆向问题数值计算等。 ( 3 ) 高性能电涡流检测系统研究开发。包括：检测系统各种参数优化选择，如工作 频率、激励类型、提离距离( 探头底部到达被检测对象上表面的距离) 等：高性能 电涡流检测探头的研究及应用，改进探头结构参数或传感器类型，从而提高探头检 测对深层信号的灵敏度和空间分辨率。 ( 4 ) 先进信号处理方法的应用。如：小波分析技术、数据挖掘和智能检测技术等。 电子技术和微电子技术的迅速发展，为研制高度智能化的涡流检测仪器提供了 坚实的基础。未来的涡流检测设备的发展方向是【3 2 - 3 7 】： ( 1 ) 高智能化和更直观的显示功能。高度智能化表现在拥有良好的用户界面，它能 开机后自检，并自动选择仪器测试参数。检测过程中，仪器能根据检测对象的变化 及时调整自身参数。未来涡流检测仪器还需要有可以将检测结果用直观显示的装置。 ( 2 ) 数据库及自动识别功能。未来的电涡流仪器的一个重要的进步是能对检测对象 的缺陷类型进行自动识别以及根据被检对象的状态进行自动评估。这需要仪器具有 完备的数据库和专家评价系统。 ( 3 ) 模块化和便携化。随着检测技术的发展，电涡流检测技术很可能和其他检测技 术混合使用，这需要仪器具有模块化的特性。同时，为了方便检测的开展，需要仪 器可以便携使用。 ( 4 ) 检测系统的自动化。为了提高效率，检测系统的自动化和检测耗时的缩短是各 个检测应用领域的要求。 1 3 多层导电结构的电涡流检测技术的研究现状 多层导电结构的电涡流技术的应用开始与二十世纪6 0 年代。主要研究内容有3 8 ， 3 9 l ：电磁场正向问题的研究，工程上常使用有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ， f d m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ， b e m ) 和体积分方程法( v o l u m ei n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ，v i e m ) 等方法求解电磁 4 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 场的分布情况；建立多层导电结构的探头阻抗模型，研究不同条件下线圈探头阻抗 和材料属性之间的关系；设计针对多层导电结构的方针研究，使用e c t 软件验证各 种思路与方法、演示探头响应、教育和培训操作人员或者应用于检测现场，帮助专 家进行解释，通过直接仿真他们的猜测，即时跟检测数据对比；多层导电结构的逆 向问题的研究，主要工作为重构缺陷或板材厚度等参数；多层导电结构扫描技术的 研究，提高扫描机构的定位精度，减少因探头摆动、板材形状带来的干扰。 现在，多层导电结构的电涡流检测技术已在航空航天和核工业中有了重要的应 用4 0 郴】。航空公司和飞机制造商在二十世纪六十年代初期就采用电涡流检测方法检 测飞机部件极小的表面裂缝；随后，由于相位分析仪的出现，以及电涡流检测仪的 检测频率降4 氐至l j l 0 0 h z ，并减小了的探头直径，开始对飞机多层导电结构剥离腐蚀 进行检测；1 9 8 2 年，d j h a g e m a i e r 和a p s t e i n b e r g 使用低频电涡流检测技术对飞机 铝结构内部剪切裂痕进行了检测；1 9 9 3 年，j e f f r e yg t h o m p s o n 采用双频电涡流检测 方法研究了飞机搭接结构内部深层腐蚀的检测问题，研究了消除飞机搭接结构间空 气间隙对探头阻抗变化影响的方法；1 9 9 4 年，d j h a g e m a i e r 和k e nn g u y e n 介绍了美 国联邦航空局国家对老龄飞机研究的规划，以及道格拉斯飞机公司提出的老龄飞机 检测需要解决的问题，研究了飞机机身蒙皮结构腐蚀检测的电涡流自动扫描方法。 在核工业领域中，研究人员探讨了采用e c t 检测铀棒料表面涂层厚度的技术。在其 它领域，s y a m a d a 研究了采用e c t 技术检澳j p c b 电路板导电结构断裂和局部厚度 减薄的问题；梁鸿生等研究了电缆生产过程中，电缆铝护套外壁形状及其壁厚电涡 流检测方法，并初步实现了检测智能化。 1 4g m r 效应及其应用 巨磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 是一种在磁场作用下，阻值会发生巨 大变化的电刚4 4 - 4 6 1 。1 8 5 7 年，w t h o m s o n 首先发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻 效应，但由于当时技术水平和应用要求的限制，数值微小的各向异性磁电阻效应并 未引起太多关注；1 9 8 8 年，法国巴黎大学物理系b a i b i c h ，b r o t o 和f e r t 等人发现 ( f e c r ) 多层膜的磁电阻效应比坡莫合金的各向异性磁电阻效应约大一个数量级， 他们采用分子束外延的手段，在g a a s 基片上外延生长了f e c r 超晶格，在一定条件 下可获得磁电阻变化率达到5 0 ；19 9 2 年b e r k o w i t z 与c l c h i e n 科研组分别独立 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 地发现在c o c u 颗粒膜中存在同样的效应；1 9 9 3 年h e l m o l t 等人在类钙钛矿铁磁薄 膜中发现室温磁电阻效应可高达6 0 ；1 9 9 5 年m i y a z a k 等人发现f e a 1 2 0 3 f e 隧道 结室温磁电阻效应可达1 8 ；1 9 9 6 年在c o ( n i ) 一s i 0 2 颗粒膜中发现具有隧道效应的 磁电阻效应。上述磁电阻效应的电阻值变化巨大，所以被称为g m r 效应。具体说 来，g m r 效应是指：被非铁磁层隔开的铁磁多层膜结构放置在绝缘基片上，当铁磁 层的磁化与施加的外部磁场方向一致时，结构的电阻率有巨大的降低的现象。g m r 效应的幅值变化范围可从百分之几到百分之几百，同时随温度变化很小。 g m r 具有重要的应用价值，一经发现就受到广泛关注1 4 7 】。1 9 7 1 年，h u n t 提出 利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁盘系统的读出磁头的设想。1 9 8 5 年， i b m 公司制作出这样的磁盘读出系统。1 9 9 1 年日立公司实现在了在3 5 寸磁盘上较 高记录密度结果。此外，各向异性磁电阻还被用来制成了位移传感器，用于数控机 床，非接触式开关；制成角度传感器和旋转编码器，用于汽车速度控制等。这些磁 电阻传感器都具有灵敏度高、功耗小、体积小、可靠性高、耐恶劣环境能力强等优 点。应用g m r 效应可以制造出比各向异性磁电阻器件更灵敏的g m r 器件，因此 g m r 的发展速度非常快。它的基础研究和应用开发研究几乎是齐头并进的，不仅在 学术界，而且在工业界均受到重视。1 9 9 4 年i b m 公司利用g m r 研制成硬磁盘读出 磁头的原型，将磁盘系统的记录密度提高1 7 倍，超越现有光盘的记录密度，这是计 算机电子工业的重大突破；而各类g m r 传感器，灵敏度大为增强，从而可简化信 号条理电路，使仪器做的更小。 在电涡流检测领域，针对g m r 也开始了一些研究和应用4 2 1 。由于g m r 具有 高灵敏度、体积小等特点，其应用对象都是如飞机搭接部这样的复杂结构。2 0 0 1 年， 美国的t e o d o r d o g a r u 和s t u a r t ts m i t h 首先分析了使用g m r 作为电涡流检测的性； 同年德国的w e m e rr i c h e n 和j i g o ul i u 等将g m r 电涡流检测探头应用在压力测量 上；2 0 0 4 年，日本的sy a m a d a 和kc h o m s u w a n 等人使用g m r 探头检测印制电路 板；美国的s a n d e e pb a j j u r i 和j o c h e nh o f f m a n 等将基于g m r 检测探头的电涡流检 测方法应用于高温环境；2 0 0 5 年，美国的jkn a 和m a f r a n k l i n 研究了g m r 探头 检测深层缺陷的可行性；2 0 0 6 年，jkn a 和maf r a n k l i n 等使用基于g m r 的电涡 流检测技术应用在飞机机翼铆钉的缺陷检测上；德国的a n d r ey a s h a n 等使用g m r 检测探头开展飞机搭接处的缺陷检测：法国的g h r i s t o p h epd o l a b d j i a n 等研究了g m r 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 检测探头的脉冲涡流技术；2 0 0 7 年，美国的s i m o no b e i d 和f a r i dmt r a n j a n 使用g m r 探头进行了薄膜上微小缺陷的检测。 1 5 论文的研究内容 本文拟结合项目研究，开展新型电涡流检测实验系统中关键模块的研究和设计 工作，并对多层导电结构的电涡流检测的正向问题进行研究，提出消除提离干扰的 方法。本文章节安排如图1 2 所示： 第l 章绪论 u 第2 章电涡流检测技术理论基础 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 第3 章电涡流检测系统关键模块设计 l l t ， 一一 电祸侃能硼 第4 章电涡流检测系统上位机软件设计 系统开发 j l 第5 章g m r 电涡流探头设计及分析 l 1 。u 一一 电祸、侃氍硼止 第6 章多层导电结构电涡流检测提离消除技术 向问题研究 第7 章总结与展望 图1 2 本文章节安排 7 浙江大学硕士学位论文第2 章电涡流检测技术理论基础 第2 章电涡流检测技术理论基础 摘要 本章介绍了电涡流检测中的阻抗分析法，论述了电涡流检测中的集肤效应及其 影响，概述了电涡流检测中的正圆柱空心探头模型。 2 1 电涡流检测阻抗分析法 电涡流检测中，阻抗分析法是应用最广泛的一种分析方法【1 3 1 4 ，5 3 1 。检测过程中 的诸多检测参数，如：被检材料厚度、电导率、磁导率、缺陷大小、缺陷深度、提 离等，都会对检测结果产生影响。为了达到检测某一参数的目的，必须消除其他参 数对电涡流检测结果的影响。历史上，正是阻抗分析方法的引入，才使电涡流检测 技术被广泛的应用变成可能。 2 1 1 线圈探头的阻抗分解 电涡流检测技术中，一般在绕线线圈中通入交流电流，从而在被检测材料中产 生电涡流，这个绕线线圈被称为激励线圈。被检测材料的各个参数( 电导率、磁导 率，缺陷) 以及提离等因素会影响激励线圈中交流电压信号的幅值和相位。阻抗分 解就是为了得到激励线圈中电压的幅值和相位改变的信息。 在阻抗分析方法中，把激励线圈置于被检测材料上方时的相互作用模型化为变 压器中原边线圈和次边线圈的关系。激励线圈的模型是带有交流激励的电阻和电感 串联的形式，被检测材料的模型是闭合的电阻与电感串联的形式，如图2 1 所示： m 图2 1 电涡流检测阻抗分析等效电路 图中r l 和厶表示激励线圈等效后的电阻与电感；r 2 与三2 表示被检测材料等效 8 浙江大学硕士学位论文 第2 章电涡流检测技术理论摹础 后的电阻与电感；，- 代表原边线圈中的电流；厶代表次边线圈中的电流。原边线圈 的复阻抗z 1 表示为： 互2 置+ 弘厶 ( 2 1 ) 次边线圈的复阻抗z 2 表示为： z 2 = 心- - i - 歹缈岛 ( 2 2 ) m 代表变压器模型中的互感，其值为： m = k , z 1 厶 ( 2 3 ) 其中k 为耦合系数。 电涡流检测阻抗分析方法中，所检测参数会影响上述等效电路中l 2 和尺2 的大 小，而通过激励线圈只能得到原边线圈中等效的电阻和电感值，所以需要得到次边 线圈中l 2 和r 2 在原边线圈中等效值。 根据基尔霍夫电流定律 局+ 厶缈厶一厶缈m = ( 2 4 ) 【一i i j 6 0 m + 1 2 垦+ 1 2 j a ，l 2 = 0 求解方程，探头阻抗z 为： z = 置+ j 芋；马+ ( 厶一j 车鲁厶) ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可得探头线圈置于被测物体上方时的等效电阻尺和等效感抗x 分别为： 肚墨+ 熹恐 ( 2 6 ) 小缈厶吲熹铬厶 ( 2 7 ) 其中，瓦鲁马为次边线圈电阻在原边线圈中的等效值，一国瓦鲁厶为次 边感抗在原边线圈中的等效值。 2 1 2 阻抗平面图 为了直观的分析检测结果，在阻抗分析法中常常分局检测信号绘制出阻抗平面 图。由式( 2 5 ) ，次边线圈变化时原边线圈等效阻抗会随之发生变化。当l 2 = d 或 r 2 为无穷大时，等效电阻r 和等效感抗石分别为r l 和厶；当三2 为无穷大或r 2 = o 9 浙江大学硕士学位论文笫2 章电涡流检测技术理论基础 时，等效电阻r 和等效感抗x 分别为r l 和c o a ( 1 一k 2 ) ，其中k 为耦合系数。当l 2 和r 2 中只有一个量在从0 到无穷大变化时，等效电阻r 和等效感抗x 变化的路径将 会是一条半圆曲线，半径为! 笋。阻抗平面如图2 2 所示： c o l l ( 1 一k 图2 2 阻抗平面图 在阻抗平面图中，每一时刻电涡流检测线圈的电压信号值对应一个坐标点，通 过分析这些坐标点的变化，就可以在一定程度上检测所检测参数的变化，并去除其 他参数变化带来的干扰。 2 1 3 阻抗规范化 在阻抗平面图中可以发现，检测结果在阻抗平面图上的位置与激励线圈参数r l 和l 有关，为了使激励线圈参数不影响检测结果在阻抗平面图上位置，从而统一不 同电涡流检测仪器的检测结果，需要将变换阻抗平面坐标，将检测得到的阻抗信号 规范化。具体操作是将横坐标向正方向移动r l 的距离，然后将移动后的坐标除以 缈厶，变换后结果如图2 3 所示： 1 0 浙江大学硕士学位论文第2 章电涡流检测技术理论基础 1 k 2 图2 3 归一化后的阻抗平面图 规范化后，上述半圆形轨迹的端点分别为1 和1 k 2 ，这时阻抗平面上点的坐标 已经不包含激励线圈的参数在内，这就使阻抗分解的分析方法具有了通用性。 2 2 电涡流集肤效应及其影响 根据平面电磁波理论，可以推导出电涡流检测中的集肤效应深度【l l 】： 万：三, 1 1( 2 8 ) 扣历葛 心名 其中万为集肤效应深度，定义为磁场强度和电流密度的幅值均降至表面上对应的 3 6 7 处，厂为探头激励频率，为导电结构磁导率，盯为导电结构电导率。 由式( 2 8 ) ，电涡流检测中的集肤效应深度决定于激励频率、磁导率、电导率。 在一般的检测工作中被检材料的磁导率和电导率都是固定不变的，所以可以暂时不 考虑这两个参数对集肤效应深度的影响。从而影响集肤效应深度的参数只有激励频 率，激励频率越低，集肤效应深度越深。为了解决多层导电结构的深层缺陷，只有 选择能够达到集肤效应深度要求的激励频率，才能得到强度足够大的检测信号。 同时，根据f a r a d a y 电磁感应定律，当激励电压为正弦交流信号时，线圈式电 涡流检测探头的感应电压可如下表示： v = 一j o n x r 2b ( 2 9 ) 式中，y 为线圈感应电压，国为角频率，为线圈匝数，厂为线圈半径，b 表示通 过线圈的磁感应强度幅值。其中缈= 2 n f 。由( 2 9 ) ，当激励频率降低时，线圈感应 浙江大学硕士学位论文第2 章电涡流检测技术理论基础 电压的幅值会随之降低，即线圈探头的灵敏度会随着激励频率的降低而降低。 所以，在针对多层导电结构的深层缺陷检测时，为了达到目标检测，不得不降 低激励频率。此时，使用线圈探头的不良后果就是，传感器灵敏度会降低。为了解 决这个问题，有如下解决方案： ( 1 ) 设计使用大功率激励线圈，提高式( 2 9 ) 中的磁感应强度b ，以补偿因激励频 率减低而带来的激励电压幅值下降； ( 2 ) 增加线圈匝数，也是用来补偿因激励频率减低而带来的激励电压幅值下降； ( 3 ) 增加线圈半径，还是用来补偿因激励频率减低而带来的激励电压幅值下降； ( 4 ) 使用其他传感器，检测磁感应强度的变化，而此种传感器灵敏度不受激励频率 影响。 2 3 线圈探头阻抗模型 为了从理论上分析电涡流检测中各个参数对传感器探头检测结果的影响，从而 指导检测数据的分析，需要研究电涡流检测的探头模型。传统的电涡流检测系统使 用线圈作为探头，应用非常广泛，因而本文研究了一个正圆柱空心探头置于单层金 属结构上方的探头阻抗解析模型。金属板的电磁特性假设为均匀、各向同性，如图 2 4 所示。图中，为线圈内半径；r 2 为线圈外半径；，l 是探头的提离距离( 指探头 与被检结构之间的距离) ；厶是线圈顶部到金属板上表面距离；z 为金属板的磁导率， 盯为金属板的电导率，h 为待测金属板厚度。 ：只 卜f 互叫 ：_ 一 i 图2 4 空心线圈检测图 2 3 1 时谐场下m a x w e l l 电磁场方程组及矢量磁位引入 电涡流检测装置的激励电压一般为确定频率的正弦交流信号，这时处在稳态下 浙江大学硕士学位论文 第2 章电涡流检测技术理论皋础 的电磁场就是时谐电磁场。研究正圆柱空心线圈探头的阻抗模型需要从时谐场下的 m a x w e l l 电磁场方程开始。时谐场下的m a x w e l l 电磁场方程如下1 5 4 1 ，其中日为磁场强 度，以为外源电流密度，盯为电导率，为介电常数，e 为电场强度，b 为磁感应 强度，d 为电位移矢量，p 为自由电荷体密度。 v x 日= 以+ ( 盯+ j a 腰) e ( 2 1 0 ) v e = - j a m b ( 2 1 1 ) v b = 0( 2 1 2 ) v d = p ( 2 1 3 ) 为了简化时谐电磁场的数学计算和分析，引入了矢量磁位爿，描述时谐场的边 值问题，这样时谐场的m a x w e l l 方程组可以用a 进行表达。 在矢量运算中，求任意矢量的旋度之后再求散度，其值必为零，即对任意矢量4 ， 必有： v ( v x a l 三0 ( 2 1 4 ) 带入电磁场m a x w e l l 方程组中v b = 0 ，可得到： 曰= v 爿( 2 1 5 ) 此等式意义为，磁感应强度曰可以用矢量a 的旋度来表示。4 就是所谓的矢量磁位。 注意，a 只是为简化问题而引入的辅助矢量，在实际的电磁场中，并没有直接的物 理含义。 把式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 1 ) 中，得到： v ( e + j a j a ) = 0 ( 2 1 6 ) 在矢量运算中，对于任意的标量函数缈恒有： v x ( v 妒) 兰0 ( 2 1 7 ) 对比式( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) ，定义： 浙江大学硕士学位论文 第2 章电涡流检测技术理论基础 + j c o a = 一v 缈 其中，妒为标量电位。可借助函数4 和妒来描述电场强度e 。 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 0 ) ，并由b = , u h ，为磁导率，得： ( 2 1 8 ) v x ( v a ) = 正一a ( o - + j c o c ) ( v r p + j o a ) ( 2 1 9 ) 根据矢量分析公式vx ( v xf ) = v ( v f ) 一v 2 f ，式( 2 1 9 ) 变换为： v zj + 七zj ：一z + v ( v 一_ k 2 驴)( 2 2 0 ) j c o 式中，k 2 = 一j c _ o p ( o + j c o c ) 。 利用关系d = 施和式( 2 1 8 ) ，式( 2 1 3 ) 可以写成： v 2 西弘v j ：一旦 占 引入满足洛伦兹规范的矽和a 的关系： v 二一呈易：0 j c o 利用此规范，方程( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 分别成为： v 2a + k 2a = 一正 v z 讧七z 易：一旦 占 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 这样，原方程( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 中的a 和缈的被解耦了，并且具有简单对称形式。 由于所有宏观电磁现象的物理规律都可用e 和b 表达，而矢量磁位彳可以确定 e 和b ，所以，只要能唯一地确定矢量磁位4 ，便可以唯一地确定电磁场的各个分 量。 2 3 2 正圆柱空心线圈探头阻抗模型 上世纪，d o d d 5 5 1 等人利用矢量磁位4 的引入，对检测探头位于导电结构上方时 的探头阻抗数学模型进行了研究，如图2 4 。根据该研究得到了检测探头位于单层导 电结构上方时探头阻抗数学表达式，为了便于分析阻抗和相位之间的关系，经合并 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章电涡流检测技术理论基础 整理，表达式变换成如f 的形式： z = k f 争2 ( m ) 2 ( ，2 - f 1 ) + 口1 ( 2 e - a t 2 - t , ) _ 2 + 舷) 纰删口( 2 2 5 ) 式中： 肛器( ，2 一) 2 ( 吃一) 2 f = 刍垒 2 a ( a ) = ( e 吨，l e - a 如) 2 斛普篙鬻鬻菩 t ) c t ， l ( o t ) = l x j l ( x ) a x m 。 喁= 口2 + 缈o 其中：z 为探头阻抗值；是虚数单位厅；缈为角频率；刀为线圈的匝密度( 即单位 截面面积上的匝数) ；吒为线圈内半径；r 2 为线圈外半径；i i 是探头的提离距离；乞 是线圈上端到金属板表面的距离；口为积分变量；以( x ) 是第一类一阶b e s s e l 函数， 为金属板的磁导率，仃为金属板的电导率，办为金属板厚度。 根据表达式( 2 2 5 ) ，经过适当的