【《电涡流检测技术探究的国内外文献综述》5600字】

电涡流检测技术研究的国内外文献综述1.1涡流检测发展现状1831年从法拉第发现电磁感应并在实验基础上提出电磁感应定律。此后一百多年里，大量学者对电磁学的理论和实验不断进行完善和发展ADDINCNKISM.Ref.{5D52D84384FE45029360D24D28D25F3B}[6]。基于这一基石，经过许多学者和技术人员的研究，电磁检测才开始走入人们的视野。早在19世纪的末期，人们就发现电磁方法可以用来进行铁磁性材料的分选上。在20世纪开始之初，电涡流检测方法主要应用于材料分选和不连续检测。1890-1920研究人员主要研究薄钡板中的涡流和磁滞损耗；1921-1935年涡流探伤仪和测厚仪先后被发明。此后，依托于许多领域的技术的快速发展，无损检测理论和实践终于开始被完善。弗洛伊德·法尔斯将超声探伤仪，涡流仪及磁传感器系统应用于无损检测系统中。19世纪70年代，查理·普鲁图斯·斯坦迈茨发展了一种复数平面信号分析法，用二维平面阻抗来表示检测线圈的复阻抗，极大的方便了检测人员，人们可以直观的从复阻抗平面图对检测线圈阻抗影响因素进行分析。1935-1945年，真空管和充气电子管的快速发展，提升了涡流检测系统的整体性能，许多涡流探伤仪和铁磁性分选装置应运而生。在涡流检测技术理论和实践研究中，以德国的福斯特博士的工作，尤为突出。福斯特对电涡流检测中线圈系统进行阻抗分析，并制作了绝对式，差分式和对比式检测系统和线圈，建立了一套以阻抗分析法为基础的理论体系，真正的在理论和实践上完善了涡流检测技术ADDINCNKISM.Ref.{C7D37F94B6D14a1e8C37CEF980571AFF}[7]。由于福斯特的卓越贡献，他的涡流检测技术和仪器开始走向世界，广泛应用于工业部门。1970年美国学者Libby提出了采用多个激励频率的多频涡流检测技术（Multi-frequencyECT,MPECT）能够有效抑制干扰因素并提取所需信息ADDINCNKISM.Ref.{29C5A98028BF4938B3675F8F26291883}[8]，扩大了电涡流检测的应用范围，为电涡流检测领域提供了理论和实验基础。20世纪70年代以后，电子技术进入高速发展，进一步带动了配套产业的产业升级，例如规模化的集成电路，这进一步提升了涡流检测在探测导电材料表面或亚表面缺陷的能力。紧接着以脉冲为线圈激励源的脉冲涡流检测技术（PulsedECT，PECT）也被大量的研究学者的关注，这一技术随之也进入了蓬勃发展ADDINCNKISM.Ref.{FD176BF5DA4B44b9A234C152CC83E699}[9-11]。 20世纪80年代以后，计算机技术的快速发展集成电路的大规模的发展和高性能电子器件的出现，为电涡流检测技术注入了新的活力。于此时，学者施密特提出了远场涡流远场涡流检测技术（RemoteFieldECT,RFECT），在油气管道运输等日常检测中得以运用ADDINCNKISM.Ref.{587E51B9F9F440fd9D84592083652B9E}[12-14]。1.2电涡流检测技术的应用与特点电涡流检测是一种以电磁感应为基础的无损检测方法。例如,当通过带有交变电流的多匝线圈接近导体时,线圈所产生的交变磁场就会在整个导体中感生并产生涡流,反过来这些涡流又同样会直接作用于线圈,使得该线圈的阻抗发生变化ADDINCNKISM.Ref.{C4BA75FEABDA4e9584C95467AFCEE2A8}[15]。线圈阻抗主要影响因素有电导率，磁导率，工件几何尺寸，缺陷的影响和激励频率ADDINCNKISM.Ref.{E198405DB668418aAD64EFA9C7A5E517}[16]。因此，线圈阻抗的变化，可以作为判断金属试件是否有缺陷。电涡流检测是一种广泛应用于工业现场的无损检测方法ADDINCNKISM.Ref.{99473DF879B740beB42E08AEA9D4D386}[17]。电涡流检测有如下优点：（1） 可以检测工件表面或者亚表面的缺陷由于电涡流的趋肤效应，其渗入被测试件的深度与检测时激励频率的平方根成反比。给线圈通以高频激励信号时可以提高渗透深度和检测灵敏度。（2） 检测速度快，易实现自动化结合上文涡流检测原理，电涡流探头可以不使使用耦合剂，就可以以非接触的方式，检测工件。因此可实现高效自动化，尤其适用于管、棒、线等结构性工件，检测速度可达每分钟数十米。（3） 缺陷数据可视化电涡流检测的硬件一般包括线圈，检波电路，正弦波震荡器，测量比较电路和报警电路。利用检测信号是电信号这一特点，使用计算机对检测数据加以数字化处理使结果易于查看和管理。后续也可以将原始数据导入数据处理软件，利用软件处理和分析原始数据，获得关键信息，生成检测报告。（4）可在高温环境下检测金属工件在高温的条件下同样具有导电性，因此在现场环境比较恶劣，温度较高时，电涡流检测同样可以检测出材料的多种特性。这是电涡流检测一大优点相比于其他检测手段，可作为参考依据之一。1.3电涡流检测新技术随着制造业的蓬勃发展，单一的检测技术已经难以满足各行各业的差异化的检测需求。涡流检测虽有自身的优点，但也有一些局限性，无法解决趋肤效应下的深层次缺陷的检测，提离效应下难以精确的耦合线圈与工件的以及信号分离和辨别。基于此研究人员提出了许多新的检测方法。目前主要流行的有涡流阵列检测技术，远场涡流检测，多频涡流检测，脉冲涡流检测，磁光涡流检测以及ADDINCNKISM.Ref.{03B022CB19994fb582D8BAD4A6CE8245}[18]。（1）远场涡流检测技术远场涡流检测技术是一种针对金属管壁开发的涡流检测技术，利用远场涡流探测金属管壁以便发缺陷。远场涡流检测系统采用内通式线圈，检测线圈与激励线圈间隔距离是管道内径的2-3倍ADDINCNKISM.Ref.{37E72DB0620343baB644C396EF94611D}[19]。由于探头可以以相同的灵敏度检测管内壁的缺陷，不受趋肤深度的限制，检测效果优于普通涡流检测技术ADDINCNKISM.Ref.{E64578265AF046a6884BB66284D7FBDE}[19-20]。图1-3所示为涡流远场检测原理图，远场涡流检测线圈的感应电压及相位与线圈间距相关ADDINCNKISM.Ref.{5AB0436E9C7946b7B2991622334F0E27}[21]。图1-3远场涡流检测原理图（1）多频涡流检测技术多频涡流检测技术即将多种不同激励频率的电流源信号同时施加于线圈，这种多频方式可以抑制干扰信号，通过分析处理一次性提取一种或数种所需信号ADDINCNKISM.Ref.{92C5FB814F4241fa8D2D2341568654EF}[22]。实际检测过程中，根据检测对象和干扰信号来源不同，针对性的选择多个频率去激励线圈，然后将试件作用参数调制的输出信号放大，使得各个信号通道仅输出与待测参数相关的信号。（2）脉冲涡流检测技术脉冲涡流检测技术利用宽频谱的激励信号作为激励源，导体上产生瞬态涡流，分析时域下的响应信号的峰值时间和过零时间，利用检测线圈测量时域上感应磁场最大值对应的时间来进行缺陷检测ADDINCNKISM.Ref.{91A5DFF5C458400d8BDBE0F062947E42}[23]。因此，脉冲涡流适用检测金属工件各个深度均有缺陷的无损探伤。一个脉冲信号具有很高的频谱特性。脉冲电流或电压作为激励源，可以获得待测工件更多的参数信息，易实现多参数检测。（3）磁光涡流检测技术磁光涡流检测技术是美国PRI仪器公司于1990年开发的一种新型涡流检测技术ADDINCNKISM.Ref.{5F105C7A18954b63AEC80920BDBC2A76}[24]。磁光效应在物理学上是指磁场中的线性偏振光经过旋转介质时，偏正平面会被扭曲的现象ADDINCNKISM.Ref.{20AF957AF60A479f94F2BA022FAD226A}[25-26]。磁光涡流成像仪是利用磁光效应在传感器薄片上产生变化磁场，再利用电荷耦合器件作为接受待测工件反射回的磁光信号。反馈回的磁光信号经过磁光传感器的处理得到相应的光强变化，经分析处理后将检测数据显示在显示器上ADDINCNKISM.Ref.{F9DB075974BA44eeA0BD036559EB1A47}[27-29]。1-4所示为涡流成像仪原理图。磁光涡流成像仪能克服常规涡流检测法的检测区域小，速度慢的缺点，能快速检测，实时成像。没有提离效应，检测大小不一的裂纹灵敏度均比较高。图1-4磁光涡流检测技术原理图（3）涡流阵列检测技术电涡流阵列（EddyCurrentArray,ECA）检测技术是通过对探头线圈结构的特殊设计，实现探头对试件的快速，高效检测ADDINCNKISM.Ref.{E93BA533041E4093966E3A133ED04ACF}[30]。根据线圈摆放的位置不同，又可分为两种阵列探头，具体结构如图1-6所示。与传统检测技术相比，涡流阵列检测技术的探头具有更多的线圈，线圈与线圈感应磁场互不干扰。激励线圈与检测线圈之间传递磁场的方式在方向上是垂直的，这种放置方式能够探测到取向不同的线装缺陷ADDINCNKISM.Ref.{AB1B9C7AFDFF4b8cA5B026C3AA9B263E}[31-32]。阵列探头尺寸通常较大，因此可以根据待测件外形尺寸进行设计，容易克服和消除提离效应。图1-5电涡流阵列线圈探头结构图1.4涡流自动化技术应用现状我国的无损检测技术起源于20世纪30年代。当时一些无损检测技术已经开始在一些领域得到运用,但是由于当时社会条件和历史原因,并没有发展起来ADDINCNKISM.Ref.{50C1A09205A3421f82A9A58EDFD6B9BA}[33]。20世纪50至60年代，国家在多个建设领域全面展开，航空，冶金，钢铁，轨道交通等领域的研究和机械自动化不断发展，开始探索自动化无损检测的可行性ADDINCNKISM.Ref.{5534CA38AC9443f6913BBE1DB3887BF5}[34]。20世纪60至70年代，此时的自动化检测技术应用对象是批量化量产的零部件，这一时代的自动化上技术主要特征还是以实现扫描工序为主。通过专门的往复式扫描机构，解决零部件的自动化无损检测。这一时期，航天，机械，煤矿，钢铁等工业领域对无损检测的需求开始增加，因此自动化无损检测技术得以研究与应用。鉴于超声检测和涡流检测对工业条件要求较低，适用范围广，因此这一时期这两种方法普遍被自动化无损检测技术所采用。20世纪80～90年代，得益于改革开放，对外贸易需求的增加，越来越多的外资开始进入市场，航空航天、机械、电子、煤矿、冶金、钢铁等工业部门的大力支持，自动化无损检测技术进入了蓬勃发展的阶段。此时自动化无损检测的技术特征是实现缺陷的可视化。管棒材的超声自动化检测系统，复合材料结构超声自动扫描成像检测系统均是北京航空制造工程研究所研制并得以在实际工业领域应用。进入2l世纪，改革开放不断扩大，经过一二十载的经济积累，我国科学水平开始追赶发达国家，自动化无损检测领域开始以高质，高量，低成本，可靠性的目标。在一些领域要求在满足上述目前的前提下实现检测过程自动化，检测结果可视化。近年来在自动化无损检测技术等方面，学者和相关行业人员均做过不同程度的研究，相关公司也有针对不同检测对象的产品，在已经开始应用于相关领域。MulchinV.V.等研究人员将涡流无损检测和超声检测结合在一起用于研发无缝钢管在线检测系统ADDINCNKISM.Ref.{40B2221E2047432f88F34B262D0D27B6}[35]。瑞典学者Rosell等人以平面构件为研究对象，开展了涡流自动检测和评估工作ADDINCNKISM.Ref.{8D72FEC2DEB045dfAC9FBA566403EA1A}[36]。国内浙江大学的周晓军、杨辰龙等人以圆柱型材为对象，相继研制出了无缝钢管的涡流超声检测系统以及棒材自动超声检测系统ADDINCNKISM.Ref.{A83C8AA702BB4b1cA222A4965B381DAD}[37-38]。目前国内外对自动化无损检测系统的研究主要是针对平面直线型的简单结构工件，对于复杂构件的自动化无损检测系统研究不够深入ADDINCNKISM.Ref.{0B7070532DA7434084ACC05C680655F0}[39-40]。中国矿业大学教授范孟豹等人设计了气门推杆质量控制的自动化涡流检测系统，能够实现气门推杆的自动上料、工位传输、仪器检测、自动分选等功能ADDINCNKISM.Ref.{B86C6F17916D4b87BFC29E8C07014CBF}[41]。德国迪林根钢铁公司在其中厚板轧机上安装了世界首创的涡流检测系统，该探伤系统自动检测中厚板表面局部麻点热斑ADDINCNKISM.Ref.{05C8875B243B457289DEE8E1B15E0D5D}[42]。南京博克纳自动化系统有限公司研制的滚子全自动涡流探伤机GZET-01可用于滚子外表面的涡流探伤。整套系统包括检测仪器、探头、机械、电气四部分组成。采用多频多滤波技术、阻抗平面分析、多幅相位幅度区域报警技术，实现缺陷自动检测、自动报警、同时自动分选ADDINCNKISM.Ref.{25E75B8EC20B44a19F4E53DA8BB7B503}[43]。实物如图1-9图1-6滚子全自动涡流探伤机2001年，爱德森(厦门)电子有限公司研制出EEC-KU机电一体化多通道涡流检测系统，该设备主要用于带接箍油管的全自动化涡流探伤ADDINCNKISM.Ref.{0573792E26ED4bda89473A51C18CBA17}[44]；在轨道交通领域，2019年余海军等人针对电力机车用的不同规格的螺栓用自行研发的自动化涡流检测装置进行了自动化涡流检测试验研究，实现了不同规格螺栓表面缺陷的快速检测ADDINCNKISM.Ref.{9A901EA9075049319ED6BE1331113D81}[45]。矩阵科技有限公司自主研发机器人无损检测系统，可实现复杂轮廓工件的检测，多个过程集成在同一系统内，可实现全自动化检测。检测过程中，不需要操作人员的干预，即可实现，提高了效率ADDINCNKISM.Ref.{1B1D5938B0184ff98D8BC9A2438F1C0E}[46]。机器人无损检测系统实物如图1-6所示。图1-7机器人无损检测系统图1-8C-Scan2D/3D设备IBGNDTSystems公司的显示屏HeatmapC-Scan2D/3D设备（如图1-7所示）可快速查看裂纹和磨床烧损。具有自动生成的360°公差带，可同时在多达30个带通滤波器中进行测试。可对批量生产的零件和半成品进行无损检测，主要检测零部件的裂纹，气孔和烧损情况。虽然市面上有很多自动化无损检测的设备，但均是针对相关行业的产品，适用性不强。目前在动车组车体无损检测领域，相关自动化设备寥寥无几，且大多数是针对结构形状规整的工件，对于结构复杂的部件，目前还是停留在人工检测阶段，检测效率低下，相关检测数据也停留在简单报表，没有形成规范化，数字化的数据管理。在这一背景下，基于该动车组横梁返厂检修的需求研发一套动车组横梁自动化涡流无损检测系统，满足检修厂大批量的检测需求，提高检测效率是很有必要的。1.5横梁检测的主要问题目前横梁检测的主要问题是横梁结构尺寸复杂，整体零件三维图如下图1-10所示。传统的检测手段无法有效检测出缺陷，容易漏检，同时无法满足数字图像自动分析的观测指标要求。基于以上问题，设计一套自动化的检测设备，实现横梁各个面的检测，引入成像技术，实现横梁局部区域的可视化，实现检测结果的数字图像处理过程。图1-10动车横梁三维结构图参考文献[1]徐志欣.590MPa级高强钢轮辋接头组织性能与失效分析[D].华侨大学,2017.[2]王翔.高速动车组车体关键位置疲劳裂纹扩展研究[D].北京交通大学,2019.[3]韦青山,王曦,邹骅,等.高速动车组铝合金横梁疲劳裂纹扩展研究[Z]:铁道车辆,2019.[4]马建,孙守增,芮海田,等.中国筑路机械学术研究综述·2018[J].中国公路学报,2018,31(6):1-164.[5]吴鹏.起重机制造的无损检测[J].科技资讯,2011,282(33):82.[6]王洛印,胡化凯,孙洪庆.法拉第力线思想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