渦流檢測技術(shù)

利用電磁感應(yīng)原理，通過檢測被檢測工件內(nèi)感生渦流的變化來無損地評定導(dǎo)電材料及其工件的某些性能，或發(fā)現(xiàn)缺陷的無損檢測方法稱為無損檢測。在工業(yè)生產(chǎn)中，渦流檢測是控制各種金屬材料及少數(shù)非金屬（如石墨、碳纖維復(fù)合材料等）及其產(chǎn)品品質(zhì)的主要手段之一。與其他無損檢測方法比較，渦流檢測更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，特別是對管，棒和線材等型材有著很高的檢測效果。

渦流檢測

渦流是將導(dǎo)體放入變化的磁場中時(shí)，由于在變化的磁場周圍存在著渦旋的感生電場，感生電場作用在導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷上，使電荷運(yùn)動(dòng)，形成渦流。

渦流檢測Eddy current Testing（縮寫 ET）。已知法拉第電磁感應(yīng)定律，在檢測線圈上接通交流電，產(chǎn)生垂直于工件的交變磁場。檢測線圈靠近被檢工件時(shí)，該工件表面感應(yīng)出渦流同時(shí)產(chǎn)生與原磁場方向相反的磁場，部分抵消原磁場，導(dǎo)致檢測線圈電阻和電感變化。若金屬工件存在缺陷，將改變渦流場的強(qiáng)度及分布，使線圈阻抗發(fā)生變化，檢測該變化可判斷有無缺陷。

隨著微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種信號處理技術(shù)的采用，渦流檢測換能器、渦流檢測信號處理技術(shù)及渦流檢測儀器等方面出現(xiàn)長足發(fā)展。

渦流檢測的特點(diǎn)

一、優(yōu)點(diǎn)

1、檢測時(shí)，線圈不需要接觸工件，也無需耦合介質(zhì)，所以檢測速度快。

2、對工件表面或近表面的缺陷，有很高的檢出靈敏度，且在一定的范圍內(nèi)具有良好的線性指示，可用作質(zhì)量管理與控制。

3、可在高溫狀態(tài)、工件的狹窄區(qū)域、深孔壁（包括管壁）進(jìn)行檢測。

4、能測量金屬覆蓋層或非金屬涂層的厚度。

5、可檢驗(yàn)?zāi)芨猩鷾u流的非金屬材料，如石墨等。

6、檢測信號為電信號，可進(jìn)行數(shù)字化處理，便于存儲、再現(xiàn)及進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和處理。

二、缺點(diǎn)

1、對象必須是導(dǎo)電材料，只適用于檢測金屬表面缺陷。

2、檢測深度與檢測靈敏度是相互矛盾的，對一種材料進(jìn)行ET時(shí)，須根據(jù)材質(zhì)、表面狀態(tài)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作綜合考慮，然后在確定檢測方案與技術(shù)參數(shù)。

3、采用穿過式線圈進(jìn)行ET時(shí)，對缺陷所處圓周上的具體位置無法判定。

4、旋轉(zhuǎn)探頭式ET可定位，但檢測速度慢。

渦流檢測的信號處理技術(shù)

需要提高檢測信號的信噪比和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)信號的識別、分析和診斷，以得出最佳的信號特征和檢測結(jié)果。

1、信號特征量提取

常用的特征量提取方法有傅里葉描述法、主分量分析法和小波變換法。

傅里葉描述法是提取特征值的常用方法。其優(yōu)點(diǎn)是，不受探頭速度影響，且可由該描述法重構(gòu)阻抗圖，采樣點(diǎn)數(shù)目越多，重構(gòu)曲線更逼近原曲線。但該方法只對曲線形狀敏感，對渦流檢測儀的零點(diǎn)和增益不敏感，且不隨曲線旋轉(zhuǎn)、平移、尺寸變換及起始點(diǎn)選擇變化而變化。

用測試信號自相關(guān)矩陣的本征值和本征矢量來描繪信號特征的方法稱為主分量分析法，該方法對于相似缺陷的分辨力較強(qiáng)。

小波變換是一種先進(jìn)的信號時(shí)頻分析方法。將小波變換中多分辨分析應(yīng)用到渦流檢測信號分析中，對不同小波系數(shù)處理后，再重構(gòu)。這種經(jīng)小波變換處理后的信號，其信噪比會得到很大的提高。

2、信號分析

(1) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量是信號的特征參量，對信號特征參量的正確選擇與提取是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能判別成功的關(guān)鍵。組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用分級判別法使網(wǎng)絡(luò)輸入變量維數(shù)由N2 降到N，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大為簡化，訓(xùn)練速度很快，具有較高的缺陷識別率和實(shí)用價(jià)值。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)缺陷分類，具有識別準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，對不完全、不夠清晰的數(shù)據(jù)同樣有效。

(2) 信息融合技術(shù)

信息融合是對來自不同信息源檢測、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)和綜合等多級處理，得到被測對象的統(tǒng)一最佳估計(jì)。

渦流掃描圖像的融合，將圖像分解為多子帶圖像，并在轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)采用融合算法實(shí)現(xiàn)圖像融合。Ka Bartels等采用信噪比最優(yōu)方法合并渦流信號，并用空間頻率補(bǔ)償方法使合并前高頻信號變得模糊而低頻信號變得清晰。Z Liu等利用最大值準(zhǔn)則選擇不同信號的離散小波變換系數(shù)，選取待融合系數(shù)的最大絕對值作為合并轉(zhuǎn)換系數(shù)。因此融合信號可基于這些系數(shù)，利用逆小波變換來重構(gòu)。小波變換可按不同比例有效提取顯著特征。在融合信號過程中，所有信號的有用特征都被保存下來，因此內(nèi)部和表面缺陷信息得到增強(qiáng)。

3、渦流逆問題求解

換能器檢測到的信號隱含缺陷位置、形狀、大小及媒質(zhì)性質(zhì)等信息，由已知信號反推媒質(zhì)參數(shù)(電導(dǎo)率)或形狀(缺陷)，屬于電磁場理論中的逆問題。

為求解渦流逆問題，先要建立缺陷識別的數(shù)學(xué)模型，有形狀規(guī)則的人工缺陷、邊界復(fù)雜的自然缺陷、單缺陷和多缺陷等模型；在媒質(zhì)類型方面，有復(fù)合材料和被測件表面磁導(dǎo)率變化等模型。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，缺陷模型各種數(shù)值解法也獲得進(jìn)展。出現(xiàn)有限元法、矩量法和邊界元法等。

渦流檢測技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

1824年 加貝 渦流存在

1831年 法拉第 電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1873年 麥克斯韋方程 電磁場理論

1879年 休斯 首次應(yīng)用判斷不同金屬和合金

1926年 渦流測厚儀

1935年 渦流探傷儀

1942年 自動(dòng)化檢測

50年代 福斯特 阻抗分析法 理論和實(shí)踐的完善

60年代 我國開始研究，主要應(yīng)用于航天等領(lǐng)域

美國的EM3300 和MIZ-20 為采用阻抗平面顯示技術(shù)典型產(chǎn)品，而TM-128 型渦流儀是我國首臺配有微機(jī)帶有阻抗平面顯示的渦流探傷儀。

MFE-1三頻渦流儀是我國研制的首臺多頻渦流檢測設(shè)備。隨后，國內(nèi)研制成功多種類型的多頻渦流檢測儀，如EEC-35、EEC-36、EEC-38、EEC-39 和ET-355、ET-555、ET-556 等。

目前，我國在有限元數(shù)值仿真、遠(yuǎn)場渦流探頭性能指標(biāo)分析及檢測系統(tǒng)的研制等方面取得研究成果，推出商品化遠(yuǎn)場渦流檢測儀器，其中ET-556H和EEC-39RFT 已用于化工煉油設(shè)備的鋼質(zhì)熱交換管和電廠高壓加熱器鋼管的在役探傷。

渦流檢測在各行業(yè)高端領(lǐng)域的應(yīng)用

1、航天、航空

渦流檢測技術(shù)已廣泛用于航天、航空領(lǐng)域中金屬構(gòu)件的檢測。為了確保飛機(jī)的飛行安全，必須對相關(guān)部件進(jìn)行定期在役檢測。渦流技術(shù)通常用于檢測航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋、螺栓、螺孔內(nèi)裂紋、飛機(jī)的多層結(jié)構(gòu)、起落架、輪轂和鋁蒙皮下等表面和亞表面缺陷，同時(shí)用于檢測機(jī)翼連接焊縫的缺陷等。檢測中能有效抑制探頭晃動(dòng)、材質(zhì)不勻等引起的干擾信號。金屬磁記憶檢測技術(shù)可用于上述部件應(yīng)力集中部位或早期損傷的診斷。

2、電力、石化

渦流檢測技術(shù)用于電站（火電廠、核電站）、石油化工（油田、煉油廠、化工廠）等領(lǐng)域的有色及黑色金屬管道（如銅管、鈦管、不銹鋼管、鍋爐四管等）的在役和役前檢測。對管道晶間腐蝕、壁厚減薄和外壁磨損等均能可靠檢出，在檢測中能有效地去除支撐板和管板的干擾信號。此外，渦流法還用于汽輪機(jī)大軸中心孔、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，抽油竿、鉆竿、螺栓、螺孔等部件的檢測；聲脈沖檢測技術(shù)可用于各種金屬或非金屬管道的快速檢測；金屬磁記憶技術(shù)用于在役設(shè)備鐵磁性零件早期損傷的診斷。

3、冶金、機(jī)械

渦流檢測技術(shù)用于各種金屬管、棒、線、絲材的在線、離線探傷。在探傷過程中，能同時(shí)兼顧長通傷、緩變傷等長缺陷和短小缺陷（如通孔）；能夠有效抑制管道在線、離線檢測時(shí)的某些干擾信號（如材質(zhì)不均、晃動(dòng)等），對金屬管道內(nèi)外壁缺陷檢測都具有較高的靈敏度；還可用于機(jī)械零部件混料分選，滲碳深度和熱處理狀態(tài)評價(jià)，硬度測量等。

4、核能、軍工

渦流檢測技術(shù)用于核燃料棒、鈦管、螺紋管等金屬管道的檢測；用于軍工兵器的炮筒、導(dǎo)彈發(fā)射架、炮彈底座、彈殼，戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)翼、起落架和輪轂等的役前和在役檢測；金屬磁記憶技術(shù)用于裝甲車、艦艇等金屬結(jié)構(gòu)件的早期診斷；低頻電磁場、漏磁技術(shù)用于甲板、儲油罐等鐵磁性材料及焊縫質(zhì)量控制。

今后渦流檢測技術(shù)研發(fā)包括：完善換能器設(shè)計(jì)理論，研制性能更好的渦流檢測換能器；研究缺陷大小形狀位置深度的渦流定位技術(shù)和三維成像技術(shù)；研究并推廣遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)；進(jìn)一步研究金屬材料表面疲勞裂紋的擴(kuò)展、開裂、機(jī)械加工磨削燒傷及殘余應(yīng)力渦流檢測技術(shù)。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行無損檢測必將得到廣泛應(yīng)用。

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