几种电磁无损检测方法的工作特征

综 述

几种电磁无损检测方法的工作特征

康宜华1,2,宋　凯1,2,杨建桂2,任吉林2

(1.华中科技大学机械学院,武汉　430074;

2.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,南昌　330063)

摘　要:从工作原理入手,对电磁无损检测中的涡流(单、多频和脉冲涡流)、交流漏磁、交变磁场等方法,剖析了它们在激励磁场的成分、频段、作用区域及检测磁场的特性方面的联系和区别。

对比了各方法的用途和特点,以期对无损检测应用实践提供借鉴。

关键词:电磁检测;电磁感应;检测特征

中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2008)1220928203

The Study of Several Electromagnetic T esting Methods on Operational Features

KANG Yi2H u a1,2,SONG K ai1,2,YANG Jian2G ui2,REN Ji2Lin2

(1.School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074,China;

2.Key Laboratory of Nondestructive Test(Ministry of Education),Nanchang Hangkong University,Nanchang330063,China)

Abstract:A few of new techniques of electromagnetic testing,such as eddy current testing(single or multi2 frequency,pulsed eddy current),alternative magnetic flux leakage and alternative current field measurement,were

introduced.Based on their operational principles,the relation and difference of exciting magnetic characteristic

(component,wave band,and action zone)were analyzed,as well as measuring magnetic characteristic.Finally,the

applications and features of these methods were presented,providing some valuable reference for non2destructive

testing practice.

K eyw ords:Electromagnetic testing;Electromagnetic induction;Detecting features

电磁无损检测是利用材料在电磁场作用下呈现出的电磁特性变化来判断被测材料组织及有关性能的一类试验方法[1]。随着技术的发展,出现了许多新的电磁无损检测方法。由于它们工作原理十分相似,有时难以对其各自的内禀特性加以区别。笔者从工作原理入手,剖析涡流、交流漏磁、交变磁场检测方法间的区别和特性,以供无损检测应用借鉴。

1　电磁无损检测方法分类

在无损检测中,不论方法、方式如何,均可归结

收稿日期:2007211227

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675083);无损检测技术教育部重点实验室基金资助项目(ZD200629009);江西省教育厅基金资助项目(赣教技字[2006]172号)

作者简介:康宜华(1965-),男,教授,主要从事无损检测技术及仪器方面的研究工作。为激励+检测的模式,即采用一种或多种激励方式在被测构件中产生出可以探测到的信息,由检测单元拾取这一信息,获得无损检测的信号[2]。在电磁检测中,用于激励的是磁场,成为信息载体的是电磁场,检测的则是电磁场信号,因而,激励场和检测方式的变化会形成不同的检测手段(图1)。

2　激励磁场与激励方式

电磁无损检测以电磁场为工作和信息的载体,但不同电磁检测方法的磁场产生和作用的方式不同。

2.1　激励磁场的成分与结构

除了采用永久磁铁磁化外,电磁检测中的激励均采用通电线圈去实现,因而,讨论磁化线圈中通过的电流特征就可以分析激励磁场的时频形态。首先,讨论方波电流激励。对于方波电流A(t),采用傅里叶级数展开为:

A(t)=A0+∑

∞

n=1

A n sin(nω0t+φn)(1)

式中ω0,A n和φn分别为基准角频率、振幅谱和相位

谱。观察式(1),不难发现:

(1)当A n=0(n=1,2,…,∞)时,为直流漏磁

检测,此时,被测件中不产生涡流。

(2)当A0=0,且多项式中仅有一项时,产生单

频激励。

(3)当A0=0,且多项式中有多项时,产生多频

激励。

(4)当具有全项时,产生脉冲激励。

从磁场的穿透能力来看,直流磁化能够穿透铁

磁性构件的全断面,因而能够激发出各个部位的缺

陷产生出磁场信息,但对非铁磁性构件直流磁化则

无能为力;交流激励随着频率的提高,涡流渗入层面

不断变薄,同时检测的灵敏度也将不断提高;从信息

获取的角度来看,增加激励电流中的多项式以至达

到脉冲激励,使得激励的频率成分不断丰富,从而有

可能得到更多的检测参数和方程去评估被测缺陷特

征参数,如多频涡流、相控阵涡流技术等;从信号处

理上看,直流磁化仅包含幅度信息,考虑磁场空间分

布即可,交流激励含有了幅度、相位、频率等时空信

息,因而,分析的范围和参量更复杂、更丰富。

2.2　激励磁场的频段

与正弦波信号相比,当载有方波信号的初级线

圈接近导电材料或试件时,工件中的感应场包含很

宽的频谱,因此有利于同时发现不同深度的缺陷,此

为脉冲激励(如脉冲涡流、脉冲漏磁)检测的优点。

在使用的信号频率方面,多频涡流检测使用的

频率范围较宽,激励信号通道各自独立调整,频率可

从0.1k Hz～1M Hz内多频率点任意选择,也可使

用多个不同频率的电流同时激励探头,将比单频激

励能获得更多的信息。

脉冲涡流检测可以看作是频率更为丰富的多频

涡流检测,不过有其独特的缺陷检测特征,国内学者

对于此方法在非铁磁性材料做了大量研究,信号频

率选择在200～400Hz,占空比为10%～30%[3]。

远场涡流检测是一种独特的低频涡流检测技

术,典型激励信号仅50～500Hz。交流漏磁检测由

于使用正弦信号,交变的磁化场存在集肤效应,励磁

电流的频率对检测结果有重要影响[4]。

交变磁场测量法可对导电金属和合金材料进行

检测,正弦信号激励频率典型值一般为5～50k Hz。

2.3　激励磁场的方向与作用区域

除了频率变化外,激励磁场的又一个特点是其

在空间上的方向性。如图2所示,不同电磁检测方

法的激励磁场作用方向是有差别的

。

(1)单频涡流检测、多频涡流检测、脉冲涡流检

测采取激励线圈和检测线圈的轴线方向相平行方

式,磁化场的方向垂直于被测构件表面,磁化场通过

空气进入构件中和传出到检测线圈中[5,6]。它的作

用范围有限、区域小,对应于涡流点探头和马鞍、穿

过式探头,作用的磁场可以称为点域或线域磁场。

(2)交变磁场测量法的激励线圈轴线与试件表

面平行,检测线圈在激励线圈的正下方,当被测工件

表面无缺陷时,由交变激励电流感应出的电流在试

件表面彼此平行且近似匀强,从而产生近似匀强的

交变电磁场[7];当有缺陷时,电流线会向裂纹两端和

底面偏转,电流密度下降,进而导致被测试件表面附

近的磁场发生畸变。因而,交变磁场测量法的工作

场是被测件中的交流电场。

(3)漏磁检测的磁场方向平行于被测构件表

面,被测件磁化由直流磁场或交流磁场完成,检测的

是外泄到被测体之外的漏磁场。在交流漏磁检测

中,试件中虽然存在涡流现象,但不起主导检测作

用,起主要作用的是强的磁场。为了在构件中得到