华科大无损检测新技术课件02-2远场涡流检测技术

远场涡流检测技术1研究背景2远场涡流检测的理论分析 3建模与仿真分析4应用5研究热点1远场涡流检测技术-研究背景50年代末60年代初，美国壳牌石油公司的T.R.SChm

idt教授研制成功了远场涡流早期的检测仪器，井应用于油井套管的检测。70年代，人们主要依靠实验方法对远场涡流现象进行研究。70年代末，场的数值计算方法得到迅速发展，80年代中期，有限元方法和计算机数值分析技术的应用，大大推动了对远场涡流现象机理的研究。T.R.SChm

idt教授建立了能量通道说，孙雨施和W.Lord教授引入能流的概念，发现了“磁位峡谷”和“相位结点”现象，这些研究阐明了远场涡流现象的机理。2远场涡流检测理论分析-基本原理远场涡流检测所用探头一般为内通过式探头，它由两个螺线管线圈组成：一个为激励线圈，另一个为检测线圈。与常规涡流检测不同检测线圈不是紧靠着激励线圈。而是在离激励线圈2～3倍管内径以外的“远场区”。在激励线圈中通以低频正弦交流电，在此线圈任一端的电磁场都可划分为两个区域2远场涡流检测理论分析-基本原理远场涡流现象取决于管中发生的两个效应，一是沿管子内部对激励线圈直接祸合磁通的屏蔽效应;二是存在能量的两次穿过管壁的非直接祸合路径，它源于激励线圈附近区域管壁中感应的周向涡流，此周向涡流迅速扩散到管外壁，同时幅值衰减、相位滞后，而到达管外壁的电磁场又向管外扩散，由于管外场强的衰减较管内直接藕合区衰减速度慢得多，因此管外场又在管外壁感应产生涡流，穿过管壁向管内扩散，再次产生幅值衰减与相位滞后，这也就是远场区检测到的信号。检测线圈信号-距离特征曲线

2远场涡流检测理论分析-理论推导麦克斯韦方程组

2远场涡流检测理论分析-理论推导激励信号及接收信号均为单频正弦信号，设为60Hz，为了使分析的简化，下面作假设:(1)在金属导体中忽略位移电流的影响。(2)导体电导率为常数。(3)忽视磁铁物质的磁滞效应，并设为各向同性线性媒质。在以上假设条件下，复数形式的麦克斯韦方程为:相应的，场量间的辅助方程为:

2远场涡流检测理论分析-理论推导计算涡流场时，将电流密度分为外施激励电流密度Jc和涡流电流密度Je两部分。下面分两种情况来讨论:(1)无激励电流密度区:此时，对应的涡流电流密度为:引入矢量磁位A，它定义为:将其代入式(2-5)可得:2远场涡流检测理论分析-理论推导根据它的无旋性，引入标量电位函数定义为:所以，电场强度:将式(2-10)(2-11)和(2-15)代入(2-9)式，可得:作规范变换，令新的矢量磁位2远场涡流检测理论分析-理论推导代入(2-16)式经推导得:应用库仑规范，由矢量恒等式:在上述假设的条件下可得:2远场涡流检测理论分析-理论推导(2)有激励电流密度区:同(1)推导，可得:在圆柱坐标下，轴对称涡流场方程式可以简化为。其中矢量磁位A和电流密度J仅有e方向分量，是r，Z的函数。

由以上得的涡流方程，利用泛函数的方法推导出涡流场的变分方程，进一步利用有限元分解的方法就可以对涡流场进行近似模拟

3远场涡流检测技术-建模与仿真1仿真分析模型建立整个模型是轴对称的，因此在进行无缺陷的仿真及全周向缺陷仿真分析时，就可将三维问题转化成二维问题来分析，即只须分析圆柱状模型的一个半截面就能得出整个模型的情况。因此，建立二维模型如图所示

2远场涡流现象的仿真分析图3-4(a)加载激励线圈后的磁力线分布3-4(b)加载激励线圈后的磁感应强度分布3远场涡流检测技术-建模与仿真3远场涡流检测技术-建模与仿真3全周向轴对称缺陷图3-7(a)内缺陷时磁力线的分布

图3-7(b)外缺陷时磁力线的分布3远场涡流检测技术-建模与仿真3远场涡流检测技术-建模与仿真3远场涡流检测技术-建模与仿真3远场涡流检测技术-建模与仿真3远场涡流检测技术-建模与仿真三种缺陷的电压极坐标图

三种缺陷的相位、幅值与探头移动距离的关系

远场涡流检测技术-检测系统远场涡流检测技术-应用实例远场涡流检测技术-应用实例远场涡流检测技术-研究热点远场涡流效应的机理方面：80～90年代美国学者T.R.SChm

idt教授，W.Lord教授，D.L，Atherton及我国访问学者孙雨施教授等用有限元方法及计算机仿真研究了远场涡流现象，应用扩散能量流（DEF）的概念阐明了远场涡流现象的机理。远场涡流检测系统方面：80年代以后，国内外一些研究机构都着手进行远场涡流检测系统的研究。K.Tomita，K.Yasui等人撰文对应用系统进行了介绍。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，但由于信号微弱及噪声干扰不易克服，国内至今尚无成功的样机问世。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探头方面远场涡流检测技术-需要解决的问题如何设计制造一个高灵敏度、高抗干扰能力且造价不是十分昂贵的远场涡流检测系统是RFEC技术实际应用与推广最重要的研究课题。如何利用三维涡流场的有限元方法分析远场涡流现象和设计新型的远场涡流探头，进一步提高信噪比是工程应用的重要研究课题。如何在远场涡流管道检测中实现自动化是一项迫切的任务。多频涡流技术可用来抑制干扰信号，