涡流无损检测

1

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，其重要性己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己被卓有成效的运

用[4,7-16]。

2

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

己有一百多年的历史[l7]0 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【‘“]。

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[y,2,i9,2o}.

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.检测无需祸合介质，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【i,2,2i-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。

3

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

涡流现象的发现己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[l]。1879年，体斯(Hughes)首先将涡流检测应用于实际一一判断不

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(Foster)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流检测仪器[L=}l。我国从20世纪60年代开展涡流检测技术的研究工作，并先后研制

成功了一系列涡流检测仪器，如厦门爱德森公司的系列涡流检测仪器。涡流检测

技术的发展得到实质性的突破并步入实用化阶段。此后，随着电子技术尤其是计

算机和信息处理技术的进一步发展，影响和促进了涡流检测技术与仪器的不断更

新和进步。

从涡流检测仪器的发展历程来看，可分为五代产品[fall。第一代产品是以分立

元件为基础，采用简单谐振方式的一维显示模拟仪器，只有一种检测频率。第二

代产品是以阻抗平面分析法为基础，部分采用集成电路技术的二维显示模拟仪器，

检测时可以选择不同的激励频率以适应不同检测材料的要求。第三代产品是多频

涡流检测仪器，检测时对探头施加两个或两个以上不同的检测频率，利用不同频

率下被检导体材料反射阻抗不同的原理，提高了对材料特性或缺陷的检测能力，

并通过混和运算抑制干扰信号，达到去伪存真的目的。第四代产品是以计算机技

术为基础的智能化、数字化产品，其特点是能够大大简化操作，提高检测效率和

数据处理能力，并具备频谱分析、涡流成像等功能。第五代产品是DSP技术、阵

列技术、多通道技术、通信传输技术及其它无损检测技术相互融合为一体的多功

能仪器，它能够对缺陷进行检测、分析、判断，并通过其它技术的辅助检测，验