脈沖渦流檢測-專注聲發(fā)射產(chǎn)品與技術(shù)

1、脈沖渦流檢測,黑龍江省電力科學(xué)研究院池永斌,概述,金屬厚度的檢測在許多方面都有應(yīng)用，如，金屬板軋制過程中的厚度檢測、金屬中缺陷的檢測等。目前，射線測厚存在射線源防護問題，對操作人員身體易造成傷害；接觸式測厚雖然測量精度較高，但在被測金屬高速運動情況下，被測金屬之間長時間接觸會造成傳感器的磨損，影響測量精度，嚴重時，還會劃傷金屬表面，降低產(chǎn)品的質(zhì)量；超聲波測厚在檢測薄金屬厚度時，檢測精度不高。渦流檢測方法與上述幾種方法相比具有結(jié)構(gòu)簡單、

2、成本低等優(yōu)點，可以應(yīng)用到其他檢測方法難以進行檢測的特殊場合（ 如高溫等）等優(yōu)勢，但其檢測受材料、溫度等影響較大，難以保證高精度。脈沖渦流檢測方法是近幾年發(fā)展起來的一種新的無損檢測技術(shù)，傳統(tǒng)的電渦流采用正弦電流作為激勵，而脈沖渦流的激勵電流為具有一定占空比的方波。脈沖渦流相對于傳統(tǒng)電渦流其檢測參數(shù)較多，可同時測量出距離和厚度。因此，采用脈沖渦流檢測技術(shù)進行金屬厚度檢測的研究具有重要意義。,概述,渦流檢測的有效性和可達性密切依賴于激勵信號

3、的頻率。 一般地，頻率越高，則渦流趨于被檢測對象的表面分布，對于表面微小缺陷的檢出能力越高，但由于隨著透入深度的增大而高頻渦流急劇衰減，因此對于表面下具有一定深度的近表面缺陷則難以產(chǎn)生有效的響應(yīng)；相反，頻率越低，則渦流在被檢測對象表面下的透入深度增大，可對試件近表面一定深度范圍內(nèi)的缺陷產(chǎn)生響應(yīng)，但對于表面缺陷的檢測靈敏度隨激勵信號頻率的降低而明顯下降。 以降低檢測靈敏度來提高渦流檢測深度，或

4、以減小渦流透入深度來提高檢測靈敏度，長期以來一直是常規(guī)渦流檢測應(yīng)用中在二者之間權(quán)衡取舍的焦點。,概述,寬帶脈沖信號可按傅立葉級數(shù)變換理論分解為無限多低、中、高頻的正弦波之和； 以重復(fù)的寬帶脈沖（如方波）代替正弦交變信號進行激勵和檢測的脈沖渦流響應(yīng)信號中包含有被檢測對象被檢測對象表面、近表面和表層一定深度范圍內(nèi)的質(zhì)量信息，較好地解決了常規(guī)渦流所不能兼顧的檢測靈敏度和檢測深度的矛盾； 近年來成為國

5、內(nèi)外渦流檢測技術(shù)與應(yīng)用研究中最受關(guān)注的熱點領(lǐng)域之一。,缺陷加速腐蝕(FAC),缺陷加速腐蝕(FAC)破壞機理包括因液體流動而加速的材料溶解。它主要是一個材料的溶解過程，是因在過程中單相或雙相介質(zhì)流動造成材料損耗。是一個化學(xué)腐蝕過程，導(dǎo)致了管壁內(nèi)表面的保護氧化膜和金屬表面被蝕掉。隨氧化層（磁鐵礦）厚度的減少，保護能力降低，使腐蝕加速。最終磁鐵礦的溶解速率及腐蝕速率達到平穩(wěn)成為穩(wěn)定態(tài)。殼壁的失效會導(dǎo)致泄漏或瞬間爆破。電廠給水加熱器殼的壁

6、厚損失也是由沖刷腐蝕-腐蝕造成的。這是機械沖刷腐蝕和化學(xué)腐蝕的綜合現(xiàn)象。此失效機理的機械沖刷腐蝕部分包括高速液滴或進來的固體顆粒對內(nèi)表面撞擊。,脈沖渦流檢測的基本原理,脈沖渦流通常是以一定占空比的方波作為激勵信號施加于初級線圈，當載有方波電信號的初級線圈接近導(dǎo)電材料或試件時，在導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生瞬變的渦流和再生磁場。瞬時渦流的大小、衰減狀況與導(dǎo)體的電磁特性、幾何形狀及耦合狀況相關(guān)，次級線圈（或電磁傳感器）接收到的渦流再生磁場包含有被檢測對象

7、導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率及形狀尺寸的相關(guān)信息，據(jù)此可實現(xiàn)脈沖渦流的檢測與評價。,脈沖渦流檢測的理論,脈沖渦流采用的激勵電流是具有一定脈沖寬度的方波。在激勵電流作用下，線圈中會產(chǎn)生一個快速衰減的脈沖磁場，變化的磁場在導(dǎo)體中感應(yīng)出瞬時渦流，瞬時渦流又感應(yīng)出一個與脈沖磁場反向的磁場，從而使線圈的等效阻抗發(fā)生變化。一般來講，電渦流線圈的有效阻抗變化與被測導(dǎo)體的電導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電源頻率以及線圈到被測導(dǎo)體的距離有關(guān)。如果改變上述參數(shù)中

8、的一個參數(shù)，而其余參數(shù)恒定不變，則阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當只有導(dǎo)體的厚度或激勵線圈到被測金屬導(dǎo)體間距離變化時，阻抗的變化就可以反映出被測導(dǎo)體的厚度或激勵線圈到被測金屬導(dǎo)體間距離的大小變化。,脈沖渦流檢測的理論,一個正圓柱形空心線圈放置在金屬層上，使用階躍電壓信號激勵線圈，線圈中得到感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流減去無金屬層時線圈中的感應(yīng)電流，得到感應(yīng)電流的變化值。通過感應(yīng)電流變化值分析金屬不同厚度和金屬與線圈之間不同距離的變化趨勢。結(jié)

9、構(gòu)框圖如圖。,結(jié)構(gòu)框圖,脈沖渦流檢測的理論,另一種穿過保溫層測量壁厚的方法是脈沖渦流技術(shù)PEC。這一系統(tǒng)通過一個脈沖磁場在給水加熱器外殼產(chǎn)生渦流。每當磁場變化時，按照楞茨定理在和磁場相反的方向產(chǎn)生渦流。脈沖發(fā)生器通過發(fā)送線圈將脈沖磁場送出。渦流產(chǎn)生后就由殼體的外表面向內(nèi)表面?zhèn)鞑?。在傳播過程中渦流就產(chǎn)生一個磁場，這個磁場由傳感器的接收線圈所接受。當一條磁力線穿過線圈時就感應(yīng)生成電壓。接受線圈接到這個電壓后就將其送到系統(tǒng)的硬件中進行信號放大

10、。然后系統(tǒng)將測試的渦流到達的時間和來自校正樣品的信號的到達時間進行比較，然后計算壁厚。保溫層厚度或保護網(wǎng)對壁厚的測量影響不大。按照公式? = ?ρt2，通過監(jiān)測一個渦流脈沖在材料壁厚內(nèi)的衰減（?是時間，?是磁導(dǎo)率，ρ是電導(dǎo)率，t是材料厚度）可以測定給水加熱器外殼的剩余平均壁厚。需作校正試驗來求得?ρ乘積。PEC軟件將特征信號的傳播的回波時間和相應(yīng)的校正試驗的結(jié)果進行比較來計算預(yù)計的厚度。,脈沖渦流檢測的理論,按照公式? = ?ρt2，

11、通過監(jiān)測一個渦流脈沖在材料壁厚內(nèi)的衰減（?是時間，?是磁導(dǎo)率，ρ是電導(dǎo)率，t是材料厚度）可以測定給水加熱器外殼的剩余平均壁厚。需作校正試驗來求得?ρ乘積。PEC軟件將特征信號的傳播的回波時間和相應(yīng)的校正試驗的結(jié)果進行比較來計算預(yù)計的厚度。,脈沖渦流檢測系統(tǒng),脈沖渦流檢測的基本原理,檢測信號，即瞬態(tài)感應(yīng)電壓Vf的大小可根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律計算得出： 其中，Vp為理想點線圈的感應(yīng)電壓，其表達式為：,脈沖渦流典型時域波形及特征

12、參數(shù),脈沖渦流時域信號在不同頻段的功率譜曲線,脈沖渦流傳感器的設(shè)計與制作,常規(guī)渦流線圈通常由激勵線圈和檢測線圈組成，一般均采用線徑很細的銅漆包線繞制。 脈沖渦流檢測中，除了采用上述傳統(tǒng)方式設(shè)計、制作激勵線圈和檢測線圈外，還較多地采用以銅線繞制激勵線圈，用霍爾片制作探測元件。,脈沖渦流傳感器的設(shè)計與制作,零件表面和近表面裂紋缺陷檢測線圈的設(shè)計、制作參數(shù)： 激勵線

13、圈為用直徑為0.24mm的漆包線繞制，內(nèi)徑為10.2mm、外徑為22.4mm、高為10mm，纏繞圈數(shù)為400匝，檢測線圈用直徑為0.07mm的漆包線繞制，內(nèi)徑為2mm、外徑為5mm、高為2mm，纏繞圈數(shù)為800匝。文獻[4] 從獲得均勻磁場和較大透入深度考慮，設(shè)計、制作了一種幾何尺寸為40mm×20mm×20mm（長×寬×高）、厚度為1mm的矩形線圈，共繞了400匝，并在線圈中加了磁芯以增大磁場強

14、度；在保證較好靈敏度的前提下，較小尺寸的檢測線圈有利于提高測量分辨率和精確度，因此檢測線圈的設(shè)計、制作參數(shù)為：內(nèi)徑1.5mm、外徑3mm、高2mm，共繞了800匝。,脈沖渦流傳感器的設(shè)計與制作,針對普通的脈沖渦流傳感器在腐蝕檢測中出現(xiàn)的信號變化復(fù)雜、特征量難以提取的問題，研究人員還設(shè)計、制作了一種新型斜角式陣列傳感器。 這種傳感器的激勵線圈為矩形，檢測線圈陣列是由多個直徑很小的圓柱形線圈組成，并排位于激勵線圈底部的中

15、線上。直角式陣列探頭的檢測線圈與激勵線圈的底面相互垂直，與之不同，斜角式陣列探頭的檢測線圈與激勵線圈的底面之間形成一個小的夾角。試驗發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的改變時的感應(yīng)信號的波形發(fā)生了根本性變化，脈沖渦流信號的各項特征值的提取變得非常簡單。,脈沖渦流傳感器的設(shè)計與制作,基于霍爾傳感器具有小型化、可以實現(xiàn)對磁場的直接測量，并且在較寬的低頻范圍內(nèi)具有比檢測線圈更高靈敏度的特點，較多的研究試驗采用細的銅漆包線繞制激勵線圈、以霍爾傳感器作為探測元件而構(gòu)

16、成了另一類脈沖渦流檢測用傳感器。 與常規(guī)渦流檢測線圈類似，有用一個霍爾片作為檢測單元的“絕對式”霍爾傳感器，也有將兩個反向連接的霍爾片作為檢測單元的“差動式”霍爾傳感器。近年來研究人員還采用了集成的霍爾傳感器，如95A型、UGN3505型等線性集成傳感器。,脈沖渦流檢測系統(tǒng),首先，由激勵源得到脈沖信號，其信號形式為一定占空比的矩形波信號。此脈沖信號激勵渦流傳感器的線圈進行檢測;然后，試件感應(yīng)產(chǎn)生瞬時渦流信號，此渦流信

17、號產(chǎn)生的次生磁場和原生磁場相互作用，系統(tǒng)使用渦流傳感器拾取該磁場特征，并轉(zhuǎn)換為電壓信號;而后，通過程控放大器進行放大處理;最后，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，并采樣，對采樣得到的數(shù)字信號存儲于計算機中。便于下一步進行信號處理。其主要組成有:激勵源、放大檢測電路、渦流探頭、計算機、傳感器電路等主要部分田。系統(tǒng)簡單框架如圖所示。,激勵源,硬件部分 因為利用脈沖渦流進行無損檢測實驗時，對脈沖頻率、占空比(脈寬)的選擇沒有具

18、體的理論計算公式，且脈沖信號的頻率、幅值、占空比等參數(shù)的改變對檢測結(jié)果有著不同的影響。所以，本文作者特制作了一個能產(chǎn)生多個波形，且頻率、電壓、占空比均可以調(diào)節(jié)的高精度、功率較大的激勵源。該激勵源的核心由單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、運算放大部分等3個主要部分組成。,激勵源,軟件部分 為了獲得頻率、幅值、占空比等參數(shù)可以改變脈沖信號。系統(tǒng)利用計算機通過對單片機實現(xiàn)控制，具體程序流程如圖所示。,檢測和A/D轉(zhuǎn)換,由于渦流傳感器的電流信號微弱，

19、為mA級的電流信號。因此，必須進行信號的后續(xù)處理。從檢測線圈直接得到的信號是電流信號，不便于后續(xù)信號處理與放大，因此，應(yīng)將電流信號轉(zhuǎn)換為便于后續(xù)處理和放大的電壓信號。,傳感器模塊,傳感器模塊包括激勵線圈和檢測線圈兩部分，激勵線圈采用矩形線圈，檢測線圈采用內(nèi)徑小一些的同軸空心線圈.,系統(tǒng)參數(shù)對檢測性能的影響,激勵線圈尺寸 無論對于表面缺陷還是表面下缺陷的檢測，使用小的激勵線圈均比使用大的激勵線圈渦流響應(yīng)信號峰值變化量大，也就是說小線

20、圈比大線圈的靈敏度高。這是由于小的激勵線圈阻抗較小，因此在激勵電壓相同的情況下，可以產(chǎn)生更大的電流和磁場，從而在試件表面及近表面感生出更強的渦流，因此具有較高的缺陷檢出能力。,系統(tǒng)參數(shù)對檢測性能的影響,激勵脈沖頻率的影響 當激勵頻率從100Hz變化到400Hz的過程中，對于表面缺陷和表面下缺陷，隨著激勵頻率的增加，峰值的變化量很小。從400Hz以后，隨著激勵頻率的增加，渦流響應(yīng)信號峰值的變化量開始明顯增大。這是由于對表面缺陷來說

21、，隨著頻率的增加，脈沖渦流檢測能力變強;而對于表面下缺陷是由于實驗中采用的缺陷深度較小的緣故(位于表面下1mm 處)。根據(jù)集膚效應(yīng)的原理，在實際的檢測過程中，應(yīng)根據(jù)缺陷可能出現(xiàn)的位置，合理選擇激勵頻率，以達到較好的檢測效果。,系統(tǒng)參數(shù)對檢測性能的影響,激勵脈沖占空比的影響 對于表面缺陷和表面下缺陷的檢測，在占空比變化時，脈沖渦流響應(yīng)信號峰值的變化量很小，這是由于實驗所采用的試件中表面缺陷和表面下缺陷的深度不夠深引起的。

22、對脈沖進行傅里葉分析可以知道，小占空比的脈沖頻譜的能量分布比較均勻，因此，在高頻時也具有較高的能量，這對于表面缺陷的檢測有利。而占空比較大的脈沖其頻譜的能量主要集中在低頻處，這對于表面下深層缺陷的檢測有利。對于深度較深的表面下缺陷，可以適當?shù)靥岣呙}沖的占空比，增大激勵脈沖的能量，以達到較好的檢測效。,系統(tǒng)參數(shù)對檢測性能的影響,隨著激勵脈沖電壓的升高，不管對于表面缺陷或表面下缺陷，峰值的變化量逐漸變大，這是由于激勵電壓升高后，脈沖渦流檢測

23、系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場強度會變大，因此有利于缺陷的檢出，但是，在實際檢測過程中，激勵電流不能太大，否則線圈容易達到飽和狀態(tài)。,檢測應(yīng)用,多層結(jié)構(gòu)檢測腐蝕檢測裂紋檢測,脈沖渦流檢測技術(shù)應(yīng)用,到目前為止，國內(nèi)尚沒有商品化的脈沖渦流檢測儀，本節(jié)所述的脈沖渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用研究進展，主要是指相關(guān)研究人員利用自行設(shè)計、制作的簡單脈沖渦流儀和傳感器，針對模擬一些實際需求中的問題在實驗室以帶有人工缺陷的試樣為對象，開展脈沖渦流檢測應(yīng)用研究的情況。此外，對

24、利用進口的脈沖渦流儀在不去除隔熱層和保護層條件下檢測輸油管線和蒸汽管道的實際應(yīng)用情況作簡要說明。,脈沖渦流檢測技術(shù)應(yīng)用,金屬表面、近表面裂紋缺陷的模擬檢測 針對表面和次表面兩類裂紋缺陷，在8mm厚的銅合金和鋁合金板上分別加工制作了寬度為2mm，深度為2mm、4 mm和6 mm人工缺陷。試驗結(jié)果表明：對于表面下裂紋，隨著缺陷深度的增大，感應(yīng)磁場最大值出現(xiàn)的時間就會越長；但是，對于表面裂紋，不同深度裂紋的感應(yīng)磁場最

25、大值出現(xiàn)的時間幾乎相同。 這說明脈沖渦流更適用于表面下深層裂紋的定量檢測。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同深度人工缺陷的響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制出深度與感應(yīng)磁場最大值出現(xiàn)時間的對應(yīng)曲線，實際檢測中測出缺陷響應(yīng)信號最大值出現(xiàn)的時間后，對應(yīng)到參考曲線上就可以確定缺陷的深度。,脈沖渦流檢測技術(shù)應(yīng)用,腐蝕缺陷的定量檢測及掃描成像 文獻提出了利用峰值掃描波形對腐蝕缺陷長度的定量檢測，利用瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號的過零時間對腐蝕缺

26、陷深度的定量檢測，利用瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號的峰值對腐蝕缺陷體積的定量檢測。 文獻介紹了采用在激勵線圈底部的正中央，按照電流的流向?qū)ΨQ的排列了8個檢測線圈的渦流陣列線圈掃查加工有模擬腐蝕缺陷試樣時，對稱位置上的兩個檢測線圈接收到渦流響應(yīng)信號最大峰值的比值之間存在的規(guī)律：對于不同的腐蝕深度,當探頭陣列完全經(jīng)過腐蝕掃描時，比值都大于或等于0.5；當探頭陣列不完全經(jīng)過腐蝕掃描時，比值都小于或等于0.2。因此，可以將這個比值作為

27、一個特征參數(shù)，來判斷檢測線圈是否經(jīng)過腐蝕，對于沒有經(jīng)過腐蝕的探頭，在顯示腐蝕圖像的時候，其經(jīng)過的掃描路徑將不會被顯示出來，這樣就可有效地消除圖像的失真。,脈沖渦流檢測技術(shù)應(yīng)用,在役管線、管道的實際檢測 凝析油管線： 規(guī)格為直徑Φ=80mm、壁厚δ=7.6mm，材質(zhì)為鐵磁性鋼，在管線外面包有38mm厚的海綿狀玻璃體隔熱層和1mm厚的鋁合金外表保護層。 在不去除保護層和隔熱層狀態(tài)下，采

28、用脈沖渦流技術(shù)檢測內(nèi)部管線的腐蝕情況，與利用超聲波在去保護層和隔熱材料條件下的檢測結(jié)果比較，對于腐蝕深度測量的最大誤差僅有0.4mm，檢測精度接近達到±5%。,脈沖渦流檢測技術(shù)應(yīng)用,蒸汽管道： 規(guī)格為直徑Φ=400mm、壁厚δ=10mm，材料為20號鋼，在管道外面包有100mm厚的巖棉隔熱層和約為1mm厚的鋁合金外表保護層。 在不去除保護層和隔熱層狀態(tài)下，采用脈沖渦流技術(shù)檢測內(nèi)

29、部管道時發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷，采用脈沖渦流法對于腐蝕深度的測量結(jié)果，與去保護層和隔熱材料條件下超聲的測量結(jié)果相比，最大誤差分別為0.69mm、0.64mm，可滿足工程檢測標準要求的測量精度。,結(jié)束語,任何一項無損檢測技術(shù)的生命力都在于其技術(shù)原理存在著有別于其它技術(shù)的特殊性，同時每一項無損檢測技術(shù)又都存在各自的局限性; 脈沖渦流不僅在檢測深度上比常規(guī)渦流具有較大突破，而且其響應(yīng)信號中包含有可深入挖掘和廣泛利用的豐富信息；