多频涡流无损检测的干扰抑制和缺陷检测方法研究

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国防科学技术大学
博士学位论文
多频涡流无损检测的干扰抑制和缺陷检测方法研究
姓名:***
申请学位级别:博士
专业:仪器科学与技术
指导教师:***
2011-03
摘要
多频涡流检测作为一种涡流无损检测新技术,具有实现检测过程干扰抑制和被检对象多参数检测的优点。

本文对多频涡流检测中的信号参数估计及混合运算、同步合成激励峰值因数优化及检测信号谱分析、线性调频激励及检测信号细化谱分析、脉冲激励的多频分析等进行深入研究,并应用于干扰抑制、缺陷检测等方面。

主要研究内容及创新如下:
以时谐电磁场理论为基础,探讨了多频涡流检测问题的物理模型和计算方法,并对线圈涡流传感器的感生涡流分布和阻抗特性进行有限元仿真研究。

从麦克斯韦方程组出发,对正弦信号激励下的时谐电磁场问题采用电磁位函数进行数学表述。

对典型圆柱形线圈涡流传感器,简化为轴对称模型,在轴坐标系下,分析涡流效应对线圈等效阻抗的影响。

对任意涡流检测问题,采用有限元法表述其数值计算方法。

介绍了常用的多频涡流检测数据处理方法,如线性代数法、相位旋转相减法、频谱分析法等。

采用Ansoft Maxwell有限元分析软件,建立涡流检测问题模型,仿真研究了激励频率、提离高度、被检对象厚度、缺陷等对涡流场分布和线圈等效阻抗的影响。

研究了基于参数混合运算的多频涡流检测技术,采用正交锁定放大器实现检测信号参数估计,提出基于线性最小二乘法的检测信号参数估计方法,对管道检测中支撑干扰和双频涡流检测中提离效应的抑制方法进行研究。

在多频涡流检测中,当激励信号的频率分量数目较少时,提取各频率分量的两个参数进行混合运算,确定被检对象特性。

讨论了采用带通滤波器和正交锁定放大器的多频涡流检测信号参数估计方法,主要采用硬件实现,成本较高。

对正弦信号进行线性化处理,提出基于线性最小二乘法的多频涡流检测信号参数估计方法,降低硬件实现成本。

对管道检测中的支撑干扰抑制方法进行研究,采用相位旋转相减法,消除了检测过程的支撑干扰,增强了缺陷信号。

对双频涡流检测中的提离效应抑制方法进行研究,分析提离和缺陷对各频率分量的影响差异,在检测信号分量图中提出“缺陷区域”,区分提离信号和缺陷信号,从而抑制提离效应。

研究了基于同步合成激励和谱分析的多频涡流检测技术,提出基于遗传算法的多频激励信号峰值因数优化方法,采用矩形激励线圈的涡流传感器,基于谱能量变化实现缺陷长度检测,基于主成分分析法实现缺陷分类。

设计矩形激励线圈的涡流传感器,将被检对象表面的涡流场转变为匀强场,通过检测缺陷引起的扰动场,识别缺陷特征参数。

在同步合成多频激励信号发生中,频率分量数目的增加必然导致激励信号峰值因数的增大,对涡流传感器驱动电路的工作电压范围要求加宽。

文中提出基于遗传算法进行多频激励信号峰值因数优化,定义适应度函
数,计算得到各频率分量的优化初始相位。

与直接搜索算法相比,其明显提高了搜索速度。

采用多频激励后,通过分析多频涡流检测信号的谱能量变化,可以对缺陷长度进行定量检测。

当涡流传感器进入缺陷时,检测信号谱能量达到最大值;当涡流传感器离开缺陷时,检测信号谱能量达到最小值。

提取最大值和最小值之间的扫描时间,结合涡流传感器的移动速度,即可得到缺陷长度。

不同类型的缺陷对多频涡流检测信号中各频率分量影响程度是不同的,即谱图曲线变化趋势不同。

采用主成分分析法,降低信号维数,提取特征量,实现缺陷分类。

研究了基于调频激励和细化谱分析的多频涡流检测技术,提出“调制多频涡流检测技术”,并定义谱图能量、谱图重心、谱图峰度、谱图偏度、频谱差峰值频率点等五个特征量,应用于缺陷识别及分类和内部缺陷深度位置识别。

文中提出的调制多频涡流检测技术,是将调频信号作为涡流传感器的激励信号,通过对检测信号多级放大,采集并进行细化谱分析,进而实现干扰抑制或者多参数检测。

与常规多频涡流检测技术相比,该技术的优点为:采用调频信号,降低了峰值因数;调频信号是多个频率信号的连续激励,避免了多路复用模块的使用,减少了检测时间;将检测信号的离散谱转变为连续谱,易于谱图的特征提取和分析。

该技术的不足之处为:如果需要采用各频率分量参数的混合运算进行被检对象特征识别,则该技术不能满足。

研究中,激励信号选为常用的线性调频信号,驱动涡流传感器,放大并采集检测信号,采用Chirp-Z变换进行细化谱分析。

对检测信号施加Tukey Window函数,有效抑制了其谱图中的纹波。

结合检测信号谱图特点,定义谱图能量、谱图重心、谱图峰度、谱图偏度、频谱差峰值频率点等五个特征量用于缺陷的多参数检测。

通过涡流检测实验和数据分析,谱图能量可用于缺陷识别;谱图重心、谱图峰度和谱图偏度可用于缺陷分类;频谱差峰值频率点可用于内部缺陷深度位置识别。

将脉冲激励看作一种多频信号,研究了脉冲涡流检测的多频分析方法,在幅频谱中提出“谱相对变化”用于缺陷分类,在相频谱中提出“相位过零点”用于缺陷分类和提离抑制。

广义上讲,脉冲涡流检测技术是多频涡流检测技术的一种,其时域分析方法已经得到了比较广泛的研究。

文中对脉冲激励信号的占空比和时移位置进行比较选择,并将其看作一组不等幅正弦谐波的合成信号,分析脉冲涡流检测信号的频谱特性。

由于脉冲激励信号中各频率分量能量随着频率的增加迅速减小,在检测信号幅频谱中,采用相对变化量能更有效地发现不同类型缺陷对各谐波分量的影响特点。

提出“谱相对变化”特征量可有效地应用于脉冲涡流检测中的缺陷分类,其变化明显,物理意义清楚。

对于表面缺陷,高频谐波分量的相对变化量恒定或略有上升趋势;而对于内部缺陷,高频谐波分量的相对变化量具有明显的下降趋势。

这种变化是由于高频谐波分量的趋肤深度减小导致的。


相频谱中,低频谐波分量的相位值为正,相位值随着频率的增加逐渐减小并变为负,存在一个“相位过零点”。

对于不同的提离高度,相位过零点保持不变;对于表面缺陷,相位过零点比无缺陷时变大;对于内部缺陷,相位过零点比无缺陷时变小。

但当缺陷较小时,相位过零点的变化比较微弱,缺陷分类作用并不明显。

设计和实现了用于参数混合运算和谱分析的多频涡流检测系统。

多频涡流检测系统的设计实现比其它类型涡流检测系统复杂。

用于参数混合运算的多频涡流检测系统利用DDS技术发生多路正弦信号并通过加法器合成多频激励信号,采用带通滤波器和正交锁定放大器实现微弱涡流检测信号的参数估计。

用于谱分析的多频涡流检测系统采用虚拟仪器技术实现,采用D/A单元发生任意多频激励信号,对微弱涡流检测信号经过充分放大后,采集并进行谱分析。

关键词:多频涡流检测;参数混合运算;谱分析;细化谱分析;干扰抑制;缺陷检测
Abstract
As one new eddy current nondestructive testing (NDT) technology, multi-frequency eddy current testing (MFECT) has the merits of interference elimination in testing procedure and multi-parameter detection of unit under test (UUT). This paper lucubrated signal parameter estimation and mixing, crest factor optimization of synchronously synthetical excitation and spectrum analysis of testing signals, linear frequency modulation excitation and zoom spectrum analysis of testing signals, multi-frequency analysis of pulsed excitation, et al in MFECT technology, and these are applied in interference elimination, defect detection and so on. The brief of these researches and the novel approaches are as follows:
Based on time harmonic electromagnetic field theory, physical model and calculation method of MFECT are discussed. Induced eddy current distribution and impedance characteristic of the probe coil are simulated and researched with finite element method. According to Maxwell law, time harmonic electromagnetic field problem based on sine signal excitation is expressed mathematically with electromagnetic potential. The typical eddy current testing problem with an aircore coil is simplified and analyzed in cylindrical coordinate, and then the coil’s equivalent impedance affected by eddy current effect is analyzed. The arbitrary eddy current testing problem is expressed and calculated with finite element method. The common data processing methods of MFECT including linear algebra method, phase rotation and subtraction, spectrum analysis method are introduced. The eddy current testing problem is modeled with Ansoft Maxwell finite element software, and then eddy current distribution and coil’s equivalent impedance characteristic influenced by excitation frequency, lift-off height, UUT’s thickness, defects and so on are simulated and researched.
MFECT technology based on parameter mixing is researched. Testing signal’s parameter estimation method based on orthogonal lock-in amplifiers is introduced and a new method based on linear least square method is proposed. Support interference elimination in tube testing and lift-off effect elimination in dual-frequency eddy current testing are researched. When the amount of frequency components is relative small in MFECT, two parameters of each frequency component are extracted and mixed to characterize UUT. Parameter estimation method based on band pass filters and orthogonal lock-in amplifiers is discussed but it takes a high hardware cost. Sine signal linearzed, a new method for MFECT signal’s parameter estimation based on linear least square method is proposed, and it reduces the hardware cost. Support interference elimination method is researched. The support interference is removed based on phase rotation and subtraction, so the defect signal is enhanced.
Lift-off effect elimination in dual-frequency eddy current testing is researched. The component variation difference between lift-off and defects is analyzed and the defect zone is proposed to distinguish lift-off signals and defect signals and to realize lift-off effect elimination.
MFECT technology based on synchronously synthetical excitation and spectrum analysis method is researched. Crest factor optimization of the multi-frequency excitation signal based on genetic algorithm is proposed. The eddy current sensor with a rectangular excitation coil is adopted. The length of defects is quantitatively detected based on spectrum energy variation, and the classification of defects is realized based on principal component analysis (PCA). The eddy current sensor with a rectangular excitation coil is designed which can convert eddy current field in the surface of UUT to a uniform field. Defect characteristic can be identified by detecting the disturbance field which arises from defects. When the multi-frequency excitation signal is generated in synchronously synthetical mode, the crest factor of excitation signals will increase with the amount of frequency components rapidly. Therefore, that broadens the work voltage range of eddy current sensor’s driving circuit. An optimization method of excitation signal’s crest factor based on genetic algorithm is proposed. A fitness function is defined and the optimized initial phase of each frequency component is got. Compared with direct search algorithm, this method improves the search speed obviously. When the eddy current sensor is drived with a multi-frequency signal, the length of defects can be quantitatively detected based on spectrum energy variation. The spectrum energy reaches maximum when the eddy current sensor comes into defects. The spectrum energy reaches minimum when the eddy current sensor departs from defects. The length can be calculated with the time span between maximum and minimum and the moving speed of the eddy current sensor. Each frequency component is affected differently and the trend of spectrum curve varies differently when different types of defects are detected. The signal dimension is reduced based on PCA and defect classification is realized.
MFECT technology based on frequency modulation excitation and zoom spectrum analysis method is researched. Modulated MFECT is proposed, and five features including spectrum energy, spectrum barycenter, spectrum kurtosis, spectrum skewness and spectrum difference’s peak frequency point are defined to realize identification and classification of defects and depth detection of inner defects. Modulated MFECT technology proposed in this paper adopts frequency modulation signals as the excitation signal of eddy current sensors. After a multi-level amplification, testing signals are sampled and analyzed in frequency domain to realize interference elimination or multi-parameter detection. Compared with conventional MFECT technology, the crest factor of excitation signals is reduced because of
frequency modulation excitation, and the testing time is reduced because that the frequency modulation signal is a continuous excitation of many frequency components and the multiplex module is not needed. As a result, the discrete spectrum of testing signals becomes continuous and it will be easily characterized and analyzed. But this technology can’t satisfy the need of component parameter mixing. The linear frequency modulation is adopted to generate excitation signals and testing signals are amplified, sampled and analyzed with zoom spectrum method (Chirp-Z Transform). Tukey window function is added to testing signals to eliminate ripples in spectrum curves. According to spectrum characteristic, five features such as spectrum energy, spectrum barycenter, spectrum kurtosis, spectrum skewness and spectrum difference’s peak frequency point are defined to realize multi-parameter detection of defects. The eddy current testing experiment shows that spectrum energy can be used to identify defects, spectrum barycenter, spectrum kurtosis, spectrum skewness can be used to classify defects, and spectrum difference’s peak frequency point can be used to detect inner defect’s depth position.
Pulsed excitation is considered as a multi-frequency signal, and multi-frequency analysis method of pulsed eddy current testing (PECT) is researched. Spectrum relative variation (SRV) in amplitude frequency spectrum is proposed to classify defects, and phase cross zero point (PCZP) in phase frequency spectrum is proposed to eliminate lift-off effect and classify defects. Generally speaking, PECT can be considered as a kind of MFECT technology, and its time domain analysis method has been investigated widely. The duty ratio and time shift position of pulsed excitation signals is compared and selected, then the excitation signal is expressed as a series of unequal amplitude harmonics and testing signal’s spectrum characteristic is analyzed. Because the energy of each harmonic component decreases with frequency rapidly, relative variation in testing signal’s amplitude frequency spectrum can be used to reflect the variation characteristic of each harmonic component influenced by different types of defects effectively. SRV in amplitude frequency spectrum is proposed to classify different types of defects. This feature with clearly physical meanings varies obviously. High frequency harmonic component’s SRV of surface defects keeps constant or has a little upward trend, but that of inner defects has an obvious downward trend. The reason is that the skin depth of high frequency harmonic components becomes smaller. In phase frequency spectrum, the phase value of low frequency harmonic components are positive and it decreases with frequency gradually to negative. PCZP is proposed from that. When the lift-off of the eddy current sensor varies, PCZP keeps constant. PCZP of surface defect’s testing signals become bigger than that of no defect. PCZP of inner defect’s testing signals become smaller than that of no defect. When the defects are too tiny, this feature varies a little and the
classification function is not evident.
MFECT systems for parameter mixing and spectrum analysis method are designed and implemented. MFECT systems are more complicated than other eddy current testing systems. DDS technology is adopted to generate sine signals in MFECT system for parameter mixing, and these sine signals are added to synthesize the multi-frequency excitation signal. Then the parameters of weak eddy current testing signals are estimated based on band pass filters and orthogonal lock-in amplifiers. MFECT system for spectrum analysis method is realized based on virtual instrument (VI) technology. Arbitrary multi-frequency excitation signals are generated by a D/A module. The weak eddy current testing signal is amplified enough and sampled, and then it is converted to frequency domain and analyzed.
Key words:Multi-frequency eddy current testing, Parameter mixing, Spectrum analysis, Zoom spectrum analysis, Interference elimination, Defect detection
表目录
表2.1 仿真模型的几何和材料属性 (36)
表3.1 差动线圈尺寸和电气参数 (49)
表3.2 线圈尺寸和电气参数 (53)
表4.1 第一组激励频率下数据主成分分析 (72)
表4.2 第二组激励频率下数据主成分分析 (73)
表5.1 线圈尺寸和电气参数 (78)
表5.2 内部缺陷检测信号频谱差特征 (89)
表7.1 AD9850和AD9854各主要性能参数 (106)
图目录
图1.1 无损检测运用于产品质量保证的各个环节 (1)
图1.2 单频涡流检测技术的激励信号 (10)
图1.3 多频涡流检测技术的激励信号 (10)
图1.4 预多频涡流检测技术的激励信号 (11)
图1.5 国外推出的多频涡流检测仪器 (14)
图1.6 多频涡流检测仪器工作模式 (15)
图2.1 涡流趋肤深度求解模型 (21)
图2.2 轴对称线圈阻抗求解模型 (25)
图2.3 涡流问题的典型求解区域 (28)
图2.4 Ansoft Maxwell有限元仿真流程 (35)
图2.5 二维仿真模型 (36)
图2.6 三维仿真模型 (36)
图2.7 频率对导体中涡流场的影响 (37)
图2.8 频率对线圈等效阻抗的影响 (37)
图2.9 提离对导体中涡流场的影响 (38)
图2.10 提离对线圈等效阻抗的影响 (38)
图2.11 被检对象厚度对涡流场的影响 (39)
图2.12 被检对象厚度对线圈等效阻抗的影响 (39)
图2.13 缺陷对线圈等效阻抗的影响 (40)
图3.1 正交锁定放大器原理 (42)
图3.2 具有支撑的管道缺陷检测 (48)
图3.3 被检管道试件 (48)
图3.4 8字图显示原理 (49)
图3.5 线圈轴向间距对8字图的影响 (49)
图3.6 差动线圈传感器 (50)
图3.7 400Hz频率分量的检测信号 (50)
图3.8 800Hz频率分量的检测信号 (51)
图3.9 相位旋转相减后信号波形 (51)
图3.10 双频涡流检测电桥 (52)
图3.11 自制圆柱形线圈涡流传感器 (53)
图3.12 试件横截面示意图(单位:mm) (53)
图3.13 双频涡流检测的提离曲线 (54)
图3.14 缺陷存在时双频涡流检测信号曲线 (54)
图3.15 缺陷和提离同时存在时双频涡流检测信号曲线 (55)
图4.1 基于直接搜索算法的峰值因数优化 (57)
图4.2 基于遗传算法的峰值因数优化 (58)
图4.3 矩形线圈激励下的涡流检测 (60)
图4.4 矩形线圈激励下的涡流场 (60)
图4.5 矩形激励线圈下的涡流场分布仿真 (61)
图4.6 多频激励信号峰值因数优化比较 (62)
图4.7 场量式涡流传感器结构 (63)
图4.8 场量式涡流传感器实物 (63)
图4.9 试件横截面示意图(单位:mm) (64)
图4.10 第一组激励频率的检测信号 (65)
图4.11 第二组激励频率的检测信号 (65)
图4.12 第一组激励频率时同深不同宽表面缺陷检测信号频谱 (66)
图4.13 第二组激励频率时同深不同宽表面缺陷检测信号频谱 (66)
图4.14 第一组激励频率时同宽不同深表面缺陷检测信号频谱 (66)
图4.15 第二组激励频率时同宽不同深表面缺陷检测信号频谱 (67)
图4.16 第一组激励频率时同深不同宽内部缺陷检测信号频谱 (67)
图4.17 第二组激励频率时同深不同宽内部缺陷检测信号频谱 (67)
图4.18 第一组激励频率时同宽不同深内部缺陷检测信号频谱 (68)
图4.19 第二组激励频率时同宽不同深内部缺陷检测信号频谱 (68)
图4.20 缺陷检测过程中谱能量变化 (69)
图4.21 第一组激励频率的PCA分类识别结果 (72)
图4.22 第二组激励频率的PCA分类识别结果 (73)
图5.1 线性调频信号时域波形 (77)
图5.2 线性调频信号时频谱 (77)
图5.3 调制多频涡流检测电桥 (77)
图5.4 试件横截面示意图(单位:mm) (78)
图5.5 Chirp-Z变换分析频率点分布图 (79)
图5.6 Chirp-Z变换计算过程 (80)
图5.7 线性调频信号频谱 (80)
图5.8 加不同窗函数信号频谱比较 (81)
图5.9 调制多频涡流检测信号 (82)
图5.10 调制多频涡流检测信号频谱 (82)
图5.11 加Tukey窗检测信号频谱 (82)
图5.12 表面缺陷的检测信号频谱 (83)
图5.13 内部缺陷的检测信号频谱 (83)
图5.14 缺陷检测信号的谱图能量变化 (84)
图5.15 表面缺陷检测信号的频谱差 (85)
图5.16 内部缺陷检测信号的频谱差 (85)
图5.17 不同类型缺陷检测信号的谱图重心变化 (87)
图5.18 不同类型缺陷检测信号的谱图峰度变化 (87)
图5.19 不同类型缺陷检测信号的谱图偏度变化 (87)
图5.20 内部缺陷位置 (88)
图5.21 内部缺陷检测信号频谱差的峰值频率点 (88)
图6.1 偶对称周期矩形波信号 (91)
图6.2 偶对称周期方波信号频谱 (91)
图6.3 时移后周期方波信号 (92)
图6.4 时移后周期方波信号频谱 (92)
图6.5 脉冲涡流检测信号的时域波形 (94)
图6.6 脉冲涡流检测信号的幅频谱 (94)
图6.7 脉冲涡流检测信号的相频谱 (95)
图6.8 试件横截面示意图(单位:mm) (95)
图6.9 无缺陷表面的脉冲涡流检测信号 (96)
图6.10 提离变化时脉冲涡流检测信号 (96)
图6.11 存在表面缺陷时脉冲涡流检测信号 (97)
图6.12 存在内部缺陷时脉冲涡流检测信号 (98)
图6.13 存在表面缺陷时脉冲涡流检测信号的幅频谱 (99)
图6.14 存在表面缺陷时谱相对变化 (99)
图6.15 存在内部缺陷时脉冲涡流检测信号的幅频谱 (100)
图6.16 存在内部缺陷时谱相对变化 (100)
图6.17 提离变化时脉冲涡流检测信号的相频谱 (101)
图6.18 存在表面缺陷时脉冲涡流检测信号的相频谱 (101)
图6.19 存在内部缺陷时脉冲涡流检测信号的相频谱 (102)
图7.1 基于参数混合运算的多频涡流检测系统方案 (105)
图7.2 DDS技术基本原理 (105)
图7.3 单频信号发生模块 (107)
图7.4 六阶椭圆低通滤波器(3dB截止频率2MHz) (107)
图7.5 有源隔直滤波电路 (107)
图7.6 AD9850并行配置时序图 (108)
图7.7 AD9854并行配置时序图 (109)
图7.8 控制流程 (109)
图7.9 AD9850输出正弦激励信号波形 (110)
图7.10 AD9854输出正交参考信号波形 (110)
图7.11 正交锁定放大器实现框图 (110)
图7.12 二阶压控电压源带通滤波器 (111)
图7.13 非标准除数乘法电路 (111)
图7.14 低通滤波电路 (112)
图7.15 基于谱分析的多频涡流检测系统方案 (113)
图7.16 任意多频信号发生 (113)
图7.17 系统工作流程 (114)
第一章绪论
1.1 课题来源及意义
1.1.1 课题的来源
课题“多频涡流无损检测的干扰抑制和缺陷检测方法研究”,来源于部委级预研项目“XXXX小型化、集成化、快速化无损检测技术”,部委级预研项目“基于阵列式磁场测量方法的XXXXXX微缺陷检测技术”,部委级维改项目“XXXXX 发动机内窥涡流一体化无损检测技术研究”。

课题的主要任务是研究多频涡流无损检测理论、激励信号优化设计、检测信号处理方法、干扰抑制和缺陷检测方法、检测系统设计实现等,为多频涡流检测技术应用于装备维修保障提供理论依据和技术支持。

1.1.1 课题的研究意义
无损检测(Nondestructive Testing, NDT)是一门涉及多学科的综合性应用技术,它以不损害被检对象的内部结构和使用性能为前提,应用多种物理原理和化学现象,对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检验和测试,检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性,进而评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能[1-6]。

无损检测技术是现代工业发展必不可少的有效工具,在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平,其重要性已得到世界范围内广泛公认。

无损检测技术的应用范围十分广泛,遍布工业发展的各个领域,在机械、建筑、冶金、电力、石油、造船、汽车、宇航、核能、铁路等行业中被普遍采用,成为不可或缺的质量保证手段,其在产品设计、生产和使用的各个环节中已被卓有成效的运用[4,7-16]。

图1.1 无损检测运用于产品质量保证的各个环节
以德国科学家伦琴1895年发现X射线为标志,无损检测作为应用型技术学科已有一百多年的历史[17]。

1900年,法国海关开始应用X射线检验物品;1922年,
美国建立了世界第一个工业射线实验室,用X射线检查铸件质量,以后在军事工业和机械制造业等领域得到了广泛应用,射线检测技术至今仍然是许多工业产品质量控制的重要手段。

1912年,超声波检测技术最早在航海中用于探查海面上的冰山;1929年,将其应用于产品缺陷的检测,目前仍是锅炉压力容器、铁轨等重要机械产品的主要检测手段。

1930年后,开始采用磁粉检测方法来检测车辆的曲柄等关键部件,以后在钢结构上广泛应用磁粉探伤方法,使磁粉检测得以普及到各种铁磁性材料的表面检测。

毛细管现象是土壤水分蒸发的一种常见现象,随着工业化大生产的出现,将“毛细管现象”成功地应用于金属和非金属材料开口缺陷的检测,其灵敏度与磁粉检测相当,它的最大好处是可以检测非铁磁性物质。

经典的电磁感应定律和涡流趋肤效应的发现,促进了现代导电材料涡流检测方法的产生。

1935年,第一台涡流探测仪器研究成功。

到了二十世纪中期,建立了以射线检测(Radiographic Testing, RT)、超声检测(Ultrasonic Testing, UT)、磁粉检测(Magnetic Testing, MT)、渗透检测(Penetrant Testing, PT)和涡流检测(Eddy Current Test, ECT)五大常规检测技术为代表的无损检测体系[18]。

作为五大常规无损检测方法之一的涡流检测技术,是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法,主要适用于导电材料(如金属材料、可感生涡流的非金属材料等)近表面缺陷的检测,其具有以下特点[1,2,19,20]:
1.非接触检测,能穿透非导体涂镀层,可以在不清除零件表面油脂、积碳和保护层的情况下进行检测。

2.检测无需耦合介质,可以在高温状态下进行检测。

探头可伸入到远处作业,故可对工件的狭窄区域、深孔壁等进行检测。

3.对工件表面或近表面的缺陷,有很高的检出灵敏度,且在一定的范围内具有良好的线性指示,可对大小不同的缺陷进行评价。

4.可以对工件表面涂层厚度进行测量,如测量导电覆盖层或非导电涂层的厚度;可以对导体的电导率进行测量,进行材料的分类。

5.由于检测信号为电信号,所以可对检测结果进行数字化处理,并将处理后的结果进行存储、再现及进行数据比较分析。

多频涡流检测(Multi-Frequency Eddy Current Testing, MFECT)技术是一种涡流检测新技术,它用多个频率激励传感器,比用单个频率作为激励信号的常规涡流检测技术能获取更多信息[1,2,21-23]。

检测中如何充分利用所获取的信息,对其进行特征提取分析是多频涡流检测技术的关键问题,其检测结果比常规涡流检测技术可以更有效地实现干扰抑制或者多参数检测。

航空工业是最早使用涡流检测技术的行业之一。

由于航空领域对于安全要求特别严格,使得涡流检测技术在航空领域得到广泛重视和应用,如飞机发动机、
起落架、蒙皮、管道等的检测[24-27]。

近代制造飞机、航空发动机所用的材料,基本上仍以铝镁合金、钛合金、高强度结构钢、不锈钢、耐热合金为主。

用这些材料制作的各种航空器材部件,大多数都是在高应力、高温、高压等恶劣环境下工作。

在飞机、航空发动机上的各种部件,使用中产生的疲劳裂纹和腐蚀缺陷,据统计90%以上是在部件的近表面。

美国空军后勤中心对二十多种现役飞机的详细调查发现,由于裂纹和腐蚀原因导致的飞机损伤事故各占30%和20%。

采用涡流检测技术探测这些表面裂纹,不仅可靠性高,而且在探测过程中无需清除部件表面的油脂、积碳和保护层,多数可在不拆卸飞机的前提下,对飞机进行外场原位探伤。

因此,涡流检测技术在航空工业生产和维护中发挥着越来越重要的作用[8]。

1.2 涡流检测技术的研究进展
1.2.1 涡流检测技术的发展历程
涡流现象的发现已经有近二百年的历史。

奥斯特(Oersted)、安培(Ampere)、法拉弟(Faraday)、麦克斯韦(Maxwell)等世界著名科学家通过研究电磁作用实验,发现了电磁感应原理,建立了系统严密的电磁场理论,为涡流无损检测奠定了理论基础[1]。

1879年,休斯(Hughes)首先将涡流检测应用于实际——判断不同的金属和合金,进行材质分选。

自1925年起,在美国有不少电磁感应和涡流检测仪获得专利权,其中,Karnz直接用涡流检测技术来测量管壁厚度;Farraw首次设计成功用于钢管探伤的涡流检测仪器。

但这些仪器都比较简单,通常采用60Hz、110V的交流电路,使用常规仪表(如电压计、安培计、瓦特计等),所以其工作灵敏度较低、重复性较差。

二战期间,多个工业部门的快速发展促进了涡流检测仪器的进步。

涡流检测仪器的信号发生器、放大器、显示和电源装置等部件的性能得到了很大改进,问世了一大批各种形式的涡流探伤仪器和钢铁材料分选装置,较多地应用于航空及军工企业部门。

当时尚未从理论和设备研制中找到抑制干扰因素的有效方法,所以,在以后很长一段时间内涡流检测技术发展缓慢。

直到1950年以后,以德国科学家福斯特(Föster)博士为代表提出了利用阻抗分析方法来鉴别涡流检测中各种影响因素的新见解,为涡流检测机理的分析和设备的研制提供了新的理论依据,极大地推动了涡流检测技术的发展。

福斯特也因此当之无愧地被称为“现代涡流检测之父”。

由于福斯特的卓越贡献,自20世纪50年代起,美国、前苏联、法国、英国等工业发达国家的科学家积极开展涡流检测技术研究。

到20世纪70年代以后,电子技术和计算机技术飞速发展,有效地带动了涡流检测仪器技术性能的改进,进一步突现了涡流检测技术在探测导电材料表面或近表面缺陷应用中的优越性。

世界各国相继开展了大量的涡流检测技术研究和仪器开发工作,发表了大量的研究论文,并研制生产了一些高性能的涡。

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