電渦流無損檢測(cè)技術(shù)分析論文
【摘要】無損檢測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，也是機(jī)械工程的重要組成部分。電渦流無損檢測(cè)技術(shù)作為一種傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)，具有線性度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的進(jìn)行測(cè)量等特點(diǎn)。本文簡(jiǎn)述電渦流無損檢測(cè)技術(shù)的的研究現(xiàn)狀，指出電渦流無損檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，為今后研究電渦流無損檢測(cè)提供可以借鑒的研究方向。
【關(guān)鍵詞】無損檢測(cè)；電渦流；柔性線圈
1前言
電渦流檢測(cè)技術(shù)是一種基于電渦流效應(yīng)的無損、非接觸式檢測(cè)技術(shù)，具有線性度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的進(jìn)行測(cè)量等特點(diǎn)。同時(shí)由于電渦流效應(yīng)的限制，電渦流檢測(cè)只能用于探測(cè)金屬材料的無損檢測(cè)，如管、棒、線、板材及零部件缺陷檢測(cè)；金屬焊縫質(zhì)量的檢測(cè)；飛行器的疲勞老化維護(hù)以及管道系統(tǒng)的腐蝕檢查等。與其他無損檢測(cè)方法相比，電渦流檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）對(duì)導(dǎo)電材料的近表面及表面缺陷有較高的靈敏度；（2）對(duì)影響渦流特性的各種物理和工藝因素均能實(shí)施檢測(cè)，適用范圍廣，測(cè)量范圍大，靈敏度高；（3）在一定條件下，可提供裂紋深度的信息；（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)成型的'被測(cè)件容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)、安裝方便不需要耦合劑；（5）可用于高溫、薄壁管、細(xì)線、零件內(nèi)孔表面等其它檢測(cè)方法難以進(jìn)行檢測(cè)的特殊場(chǎng)合。同時(shí)，由于渦流效應(yīng)的限制，電渦流檢測(cè)技術(shù)只能檢測(cè)導(dǎo)電材料表面及近表面缺陷，其檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到檢測(cè)對(duì)象形狀、材料特性以及檢測(cè)對(duì)象在加工過程中形成的殘磁效應(yīng)的影響，同時(shí)，電渦流檢測(cè)的最高溫度一般不超過180攝氏度。
2電渦流檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀
電渦流檢測(cè)技術(shù)最早可追溯到19世紀(jì)末，D.E.Hughes首次利用渦流效應(yīng)的感生電流實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同金屬和合金的判斷。而電渦流檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展是基于20世紀(jì)50年代，德國(guó)Forster發(fā)表的一系列關(guān)于消除渦流檢測(cè)中干擾因素的論文，其提出的阻抗分析法理論，為現(xiàn)代渦流檢測(cè)理論和設(shè)備研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。而現(xiàn)階段電渦流檢測(cè)技術(shù)的主要向非常規(guī)電渦流檢測(cè)技術(shù)及柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)這兩個(gè)方向發(fā)展。
2.1非常規(guī)電渦流檢測(cè)技術(shù)
為解決常規(guī)電渦流檢測(cè)結(jié)果存在對(duì)深層損傷檢測(cè)靈敏度不高、提取的信息量較少、檢測(cè)效率較低等局限性，逐漸發(fā)展出使用非單頻正弦電流作為激勵(lì)信號(hào)的非常規(guī)電渦流檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)激勵(lì)信號(hào)種類的不同，主要包括多頻電渦流檢測(cè)技術(shù)、脈沖電渦流檢測(cè)技術(shù)、遠(yuǎn)場(chǎng)電渦流檢測(cè)技術(shù)。多頻渦流（Multi-frequencyEddyCurrent）檢測(cè)技術(shù)是采用含有多種頻率成分的信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)。其激勵(lì)信號(hào)的頻率根據(jù)所需的檢測(cè)的參數(shù)進(jìn)行選擇，當(dāng)需檢測(cè)的參數(shù)為n時(shí)，就需要激勵(lì)信號(hào)包括n個(gè)頻率成分，將響應(yīng)信號(hào)按各自頻譜分別進(jìn)行解調(diào)，最后將各個(gè)解調(diào)信號(hào)以指定的方式進(jìn)行混頻，最后綜合分析處理數(shù)據(jù)。由于多頻電渦流檢測(cè)技術(shù)能夠抑制多個(gè)干擾因素，所以其檢測(cè)的靈敏性、可靠性和準(zhǔn)確性均得到提高�？梢钥吹剑囝l檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問題為多頻信號(hào)選擇以及響應(yīng)信號(hào)的分析和處理[2]。脈沖渦流（PulsedEddycurrent，PEC）檢測(cè)與多頻渦流檢測(cè)的工作原理基本相同，作為激勵(lì)信號(hào)的方波可以看做是衰減型的多頻信號(hào)，多頻渦流檢測(cè)可以看做具有高頻諧波加權(quán)補(bǔ)償?shù)拿}沖渦流。相比較而言，脈沖渦流的檢測(cè)速度更快、檢測(cè)效率更高、且包含的信息更多，設(shè)備成本也更低。由于脈沖信號(hào)產(chǎn)生的渦流衰減更慢，可以用來分辨多層金屬結(jié)構(gòu)分辨及更深層的缺陷檢測(cè)。當(dāng)前，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)多用在檢測(cè)多層金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕與裂紋缺陷以及評(píng)估金屬底層上導(dǎo)電涂層的厚度、電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率等物理特性等方面[3]。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流（RemoteFieldEddyCurrent）檢測(cè)技術(shù)是一種能穿透金屬管壁的低頻渦流檢測(cè)技術(shù)。其探頭由一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)設(shè)置在與激勵(lì)線圈相距2~3倍管內(nèi)徑處的較小的檢測(cè)線圈構(gòu)成，由于檢測(cè)線圈能有效地接收穿過管壁后返回管內(nèi)的磁場(chǎng)，所以可以有效的檢測(cè)金屬管道的內(nèi)壁缺陷與管壁厚薄。但在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電板材中同樣存在著遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象[4]。
2.2柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)
由于生產(chǎn)、控制系統(tǒng)的復(fù)雜性越來越高，需要檢測(cè)的缺陷尺寸很小或檢測(cè)部位難以接近以及檢測(cè)對(duì)象具有復(fù)雜的表面形貌時(shí)，傳統(tǒng)的柱狀線圈探頭已經(jīng)無法滿足檢測(cè)需求。為滿足這些特殊結(jié)構(gòu)的測(cè)試需求，需要傳感器具有不受被測(cè)物體形狀限制，能貼附于各種規(guī)則或不規(guī)則曲面，且依舊能實(shí)現(xiàn)正常的傳感功能等特點(diǎn)。伴隨著印刷電路板（PCB）、半導(dǎo)體制作（IC）及微電子加工（MEMT）技術(shù)水平的提高，柔性電渦流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)主要指是使用制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基底板上的柔性探頭的電渦流檢測(cè)技術(shù)，其最大特點(diǎn)是能夠被折疊或卷曲，對(duì)被測(cè)對(duì)象表面形貌的彎曲具有一定的適應(yīng)性，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、封裝方便，可以根據(jù)測(cè)試要求任意布置，具有比普通傳感器更加廣闊的應(yīng)用前景。柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)使用的探頭主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：平面線圈和MWM陣列（MeanderingWindingMagnetometerArray,MWM-Array）。其中，如圖1所示，平面線圈可以是矩形、圓形或多邊形螺旋線圈，其結(jié)構(gòu)可以是單層線圈或雙層線圈。柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)主要受制于撓性印刷電路板（FlexiblePrintedCir-cuitBoard，F(xiàn)PCB）技術(shù)的制作工藝和技術(shù)水平。MWM陣列是1999年由JENTEKSensors公司研發(fā)出的一種新型探頭結(jié)構(gòu)。如圖2所示，MWM陣列探頭的基本結(jié)構(gòu)是由一個(gè)蜿蜒的激勵(lì)線圈繞組和多個(gè)穿插于激勵(lì)繞組之間的檢測(cè)繞組組成，MWM陣列探頭產(chǎn)生的電場(chǎng)在導(dǎo)電材料中的滲透深度除激勵(lì)頻率外，在激勵(lì)頻率較低（<1MHz）時(shí)還和i有關(guān)[5]�，F(xiàn)階段，柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)在日本、美國(guó)、法國(guó)等均有實(shí)際運(yùn)用，國(guó)外的Olympu、eddyfi、zetec及JENTEKSensors等公司也推出了一系列的基于柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)的商業(yè)化商品。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)和空軍大學(xué)[6]也對(duì)柔性電渦流檢測(cè)技術(shù)也開展了一系列的研究，取得了一定的研究成果。
3電渦流檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著電磁渦流檢測(cè)技術(shù)的研究、開發(fā)及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，電渦流檢測(cè)已從單一的渦流方法發(fā)展到包括渦流、漏磁、微波、磁記憶、電流擾動(dòng)等以電磁基本原理為基礎(chǔ)的無損檢測(cè)技術(shù)，如磁光/渦流成像檢測(cè)（Magneto-opticEddyCurrentImaging，MOI）技術(shù)和將巨磁阻元件和電渦流線圈進(jìn)行一體化的檢測(cè)方法。其中MOI做為一新興渦流無損檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)快速、精確的大面積實(shí)時(shí)檢測(cè)，并可將本來非可視的亞表面細(xì)小缺陷可視化，檢測(cè)結(jié)果直觀準(zhǔn)確。目前，MOI技術(shù)目前主要用于航空部門對(duì)飛機(jī)的維修檢查中[7]。而將巨磁阻元件和電渦流線圈相結(jié)合的檢測(cè)方法特別適用于強(qiáng)磁性材料的檢測(cè)[8]。
4結(jié)論
本文總結(jié)了電渦流無損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用，并概述了電渦流無損檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀及各種電渦流檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，闡述了電渦流無損檢測(cè)今后將會(huì)發(fā)展成以電磁原理為基礎(chǔ)的囊括多種檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)方法。作為一種傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法，電渦流檢測(cè)亦將在機(jī)械設(shè)備的無損檢測(cè)上繼續(xù)發(fā)揮其作用。
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