浅析多频涡流与脉冲涡流检测技术间的关系

浅析多频涡流与脉冲涡流检测技术间的关系
林俊明
【摘要】对多频涡流与脉冲涡流两种不同的电磁无损检测技术的基本原理分别进行了介绍，进而从脉冲涡流的傅里叶展开式中分析了两者间的关系。

指出脉冲涡流检测技术本质上等同于一种衰减型的多频涡流检测技术，而多频涡流可以认为是高频加权的脉冲涡流形式。

对这两种涡流检测技术在实际生产中的应用进行了简单介绍。

随着涡流检测理论的深入研究，电子技术与计算机技术的迅速发展，多频涡流和脉冲涡流检测技术将成为涡流检测的重要组成部分。

%The basic principles of two different eddy current testing techniques, the multi-frequency eddy current and pulsed eddy current testing techniques, are introduced and the relationship between them is presented from the Fourier series of the pulsed input signal. It is indicated that the pulsed eddy current testing technique is equal an attenuation type of multi-frequency eddy current testing in nature. Whereas the multi-frequency eddy current testing could be regard as a high frequency weighted pulsed eddy current testing. Some industry applications of these two eddy current testing techniques are shown. With the developments of eddy current theories and the electronic and computer techniques, the multi-frequency eddy current and pulsed eddy current testing techniques will play more and more important roles in eddy current testing.
【期刊名称】《无损检测》
【年(卷),期】2012(034)003
【总页数】4页(P1-3,29)
【关键词】多频涡流;脉冲涡流;信号频谱
【作者】林俊明
【作者单位】爱德森（厦门）电子有限公司,厦门361004
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28
多频涡流和脉冲涡流检测技术是两种不同的涡流检测方法。

多频涡流检测技术采用几个频率同时工作，能有效地抑制多种干扰因素，一次性提取多个所需的信号（如缺陷信息、壁厚情况等），实现多参数检测。

在当今对许多复杂重要的构件，如热交换器管道、汽轮机叶片、大轴中心孔等的检测中得到了广泛的应用［1］。

脉冲涡流检测技术通常使用具有一定占空比的方波（具有一定上升沿和下降沿时间的单次或周期性的波形）作为激励信号。

采用这种激励方式时，无需更换探头和改变激励频率就可对被测件大面积不同深度内的缺陷进行一次性扫描检测。

脉冲涡流检测技术具有操作简单、可通过后续算法消除提离和边缘效应等优点［2］，被认为是未来很有发展潜力的无损检测技术之一［3］。

笔者将从多频涡流和脉冲涡流检测技术的基本工作原理出发，对这两种涡流无损检测技术进行比较分析，探寻两者间的关系，并列举两种技术在实际生产中的应用情况。

1 多频涡流与脉冲涡流检测技术的基本原理
1.1 多频涡流检测基本原理
多频涡流检测通常根据被检测对象同时需检测的目标参数（如缺陷、管壁厚度等）和要排除的干扰信号（如支撑板、管板等引起的干扰信号和抖动信号），用合适的含有多种频率成分的信号激励检测线圈，然后对受检对象作用参数调制的输出信号加以放大，分别进行解调，并把解调信号的各个分量以指定的方式组合起来（混频），综合分析处理，达到“去伪存真”的目的。

多频涡流法中每一个检测通道的检测结果都与所有被测件目标参数有关，因此，对于n个作用参数，就要求有n＋1个或2n个独立的检测通道，以便能将所有感兴趣的参数分离，使处理后每一个通道表示一个参数。

为了分离提取各个参数信号，需要一系列的数学计算调整，其数学方法基于数学矩阵或矢量空间转换的原理［4－5］。

1.2 脉冲涡流检测基本原理
在涡流激励线圈两端施加脉冲信号后，激励线圈中就存在单次或周期的脉冲电流。

由法拉第电磁感应定律可知，激励线圈中的脉冲电流会感生出一个快速衰减的脉冲磁场，该脉冲磁场又会在导体试件中感应出瞬时涡流（脉冲涡流），向导体试件内部传播。

当激励信号的波峰消失后，被测材料中产生的感应电流波形就反映了材料参数。

随着涡流磁场的衰减，检测探头上就会感应出随时间变化的电压信号。

由于涡流磁场的大小与被测试件本征特性密切相关，若试件中存在缺陷，将使涡流磁场的分布发生变化，最终使检测探头的信号发生变化，该变化的信号就间接包含了被测试件的本征特性（如裂纹的深度、大小、类型等）。

将该检测信息进行进一步的后续信号处理，提取相关特征量等，即可实现对被测件的检测。

2 多频涡流与脉冲涡流检测技术间的关系
根据多频涡流和脉冲涡流检测技术的工作原理，得到两者检测过程的电路信号流程图如图1所示。

利用信号发生器为探头提供所需的激励信号r1（t）。

受试件参数的影响，探头得到响应信号r2（t）。

同时，信号发生器提供激励信号给补偿电路，
由补偿电路给出补偿信号r3（t），对探头信号进行调整，得到调整后的信号r4（t），然后r4（t）传送给滤波器和放大器，再把信号展开送入频谱分析或相敏检波器，与信号发生器提供的参考信号r5（t）相结合，得到一系列函数信号Ci，经过A／D转换电路后送入计算机或其他运算单元进行进一步处理，最终显示检测结果。

从图1可以看出，多频涡流与脉冲涡流法的工作原理基本相同，不同之处在
于两种方法的激励信号的形式，以及信号的处理模式。

图1 多频涡流与脉冲涡流法信号流程图
从信号频谱关系的角度看，在激励端，脉冲涡流方法中，通常线圈两端的激励信号采用如图2所示的周期方波信号，其占空比为σ。

对于这种周期函数形式的脉冲激励信号，可以用三角傅里叶级数来表示，其基频为ω＝2π／T。

假设周期脉冲信号的幅值为A，等价的傅里叶级数可以写为式（1）所示的形式，其中n表示谐波阶数，t为时间坐标。

从上述分析可知，利用方波激励（其基频f1＝1／T）实施脉冲涡流检测就相当于利用频率为fn＝nf1，n＝1，2，3...的无数个连续正弦激励实施多频涡流检测的过程，其幅值总是≤2A／nπ，而这一值是随着n值的增加而逐步
减小的。

当用脉冲信号进行涡流检测，由于激励信号有很宽的带宽，同样也可以获得试件的多参数信息，所以和多频涡流检测一样，脉冲涡流检测也能实现多参数检测。

脉冲涡流的输入g（t）表示成以下形式：
图2 脉冲激励
根据叠加原理，在输入瞬态脉冲可看作多个输入谐波之和时，对应的瞬态输出为各谐波输入量所对应的输出量之和。

若取占宽比σ＝0.5，则式（1）可以写成［6］：
假设对n通道的多频涡流检测仪施加式（2）中对应的谐波激励，就相当于进行脉冲涡流检测，当然此时不考虑后续的信号处理方法，如图3所示。

图3 脉冲涡流与多频涡流的信号等效分析
从上述分析可知，如果从脉冲涡流与多频涡流检测激励信号的频谱分析角度来理解，脉冲涡流的实质是衰减型的多频涡流，或者说多频涡流的实质是具有高频谐波加权补偿的脉冲涡流。

在信号的分析处理方面，多频涡流在阻抗平面分析技术的基础上有进一步的处理模式，即采用混频技术来抑制干扰信号。

它的原理是：每个检测通道的信号都可由试件参数的不同线性组合来表示，通过对不同通道的信号进行旋转、放大、相减等处理，即可抑制干扰信号。

多频涡流法中的混频处理起到“去伪存真”的作用，提高了涡流检测的可靠性和灵敏度。

而脉冲涡流法对检测数据的分析过程相对比较简单，目前对信号的分析主要在时域进行，通过从时域提取特征量对缺陷进行检测，没有充分利用脉冲涡流频率分量丰富的优点，当然，这里面也有具体技术因数的制约，例如，足够宽的电路增益频带在目前技术条件下很难达到。

因此，寻找新的检测特征量以及扩展信号分析域是目前脉冲涡流检测的研究方向之一［4，7－9］。

在检测设备的研发方面，多频涡流方法中需要多个涡流检测通道（理论上可以实现无穷个），通道越多成本越高，对系统的稳定性、一致性等要求也高，硬件电路不易实现。

另有一种多频涡流设计模式，即采用分时工作方式，但如此一来会影响检测及处理速度和效率。

而理论上脉冲涡流则等价于成百上千个激励／检测通道同时工作，它能获得瞬态大功率，较多频涡流法对金属材料的穿透检测能力更强，硬件电路成本也相对较低，但实际应用中，高频信号相对较弱，受电路频带噪声的影响，拾取能力远不如多频涡流设备。

从频谱角度分析的结论也确凿地佐证了这一点。

3 多频涡流与脉冲涡流检测技术的应用
在这两种检测技术的应用方面，经过多年的发展，它们均已形成相对成熟的检测设备，并在许多领域得到应用，但目前，多频涡流技术仍占据着绝对的优势。

如基于多频涡流技术的EEC－39RFT＋＋视频／多频／远场涡流检测仪，目前已在航天航
空、核工、电力等领域得到广泛的应用：比如在大亚湾核电站的常规岛钛管、汉川电厂的凝汽器铜管、湖北双环化工集团的不锈钢管检测［9－11］等诸多热交换器管道检测中，抑制在役管道支撑板、管子材质不均匀、形变以及探头晃动等造成的干扰，检测出在役金属管道可能存在的缺陷及壁厚腐蚀减薄；脉冲涡流技术则适用于电力、石油、化工和天然气等行业中直接对表面带有涂层、隔热层、隔层（如铝、不锈钢、镀铝钢等）或被测表面粗糙、有结垢的管道进行检测，如在役隔热层下钢管壁厚腐蚀减薄的检测，典型产品为EEC－83带保温层管壁电磁测厚仪。

而集多
频涡流与脉冲涡流功能于一体、带有频谱分析功能的EEC－96＋八频56通道涡流检测仪，在汽车零部件材料检验中，分析、计算和复原涡流响应信号的主频及其高次谐波分量，实现对钢铁材料的基体组织、表面硬度、渗碳层深检测、混料分选等。

4 结语
基于法拉第电磁感应原理的多频涡流与脉冲涡流，属于两种不同的涡流检测方法，具备常规涡流检测的基本特性，如金属材料的缺陷、组织酥松、几何形变、电导率、磁导率等不连续性的检出，但这两种方法前端的信号处理流程是基本一致的；就激励信号而言，脉冲涡流可看作是衰减型的多频涡流，或者说多频涡流激励的实质是具有高频谐波加权补偿的脉冲涡流；从信号处理角度看，多频涡流技术后期信号处理上主要基于频域角度，并具有阻抗分析与混频处理等技术；脉冲涡流技术后期信号处理上主要基于时域分析，并从中提取特征量。

此外，多频涡流可以任意选择预置频率参数及激励强度，即在选定一组频率后，采用不同的激励与增益，获得更多的组合信息量，故具备更多的灵活性。

在应用方面，虽然目前多频涡流的应用面远大于脉冲涡流，但脉冲涡流技术能胜任某些单频或多频涡流检测无法完成的任务。

可以预期，随着电磁涡流检测理论的深入研究，电子技术与计算机技术的迅速发展，多频涡流和脉冲涡流检测技术必将成为电磁检测技术领域的重要组成部分。

参考文献：
［1］任吉林，林俊明.电磁无损检测［M］.北京：科学出版社，2008.
［2］杨宾峰，罗飞路.脉冲涡流无损检测技术应用研究［J］.仪表技术与传感器，2004（8）：45－46.
［3］张斌强，田贵云.脉冲涡流检测技术的研究［J］.无损检测，2008，30（10）：750－753.
［4］雷银照.电磁场［M］.北京：高等教育出版社，2008.
［5］林俊明.多频涡流检测原理及应用［J］.无损检测，1996，18（1）：23－26. ［6］Sophian A，Tian G Y，et al.A feature extraction technique based on principal component analysis for pulsed eddy current NDT［J］.NDT＆E International，2003，36（1）：37－41.
［7］Smith R A，Hugo G R.Transient eddy current NDE for aging aircraft－capabilities and limitations［J］.Insight，2001，43（1）：14－25.
［8］杨宾峰.脉冲涡流无损检测若干关键技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2006.
［9］林俊明，陈开慧.多频多通道数字涡流检测仪的研制与应用［J］.热力发电，1996（2）：35－38
［10］高亮，刘自强.凝汽器铜管多频涡流检测［J］.湖北电力，2000，24（1）：22－23.
［11］张姚.频涡流检测合成塔换热列管［J］.无损探伤，2006（6）：36－42.。