渦流檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)檢測(cè)被檢測(cè)工件內(nèi)感生渦流的變化來(lái)無(wú)損地評(píng)定導(dǎo)電材料及其工件的某些性能，或發(fā)現(xiàn)缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法稱為無(wú)損檢測(cè)。在工業(yè)生產(chǎn)中，渦流檢測(cè)是控制各種金屬材料及少數(shù)非金屬（如石墨、碳纖維復(fù)合材料等）及其產(chǎn)品品質(zhì)的主要手段之一。與其他無(wú)損檢測(cè)方法比較，渦流檢測(cè)更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，特別是對(duì)管，棒和線材等型材有著很高的檢測(cè)效果。

渦流檢測(cè)

渦流是將導(dǎo)體放入變化的磁場(chǎng)中時(shí)，由于在變化的磁場(chǎng)周圍存在著渦旋的感生電場(chǎng)，感生電場(chǎng)作用在導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷上，使電荷運(yùn)動(dòng)，形成渦流。

渦流檢測(cè)Eddy current Testing（縮寫 ET）。已知法拉第電磁感應(yīng)定律，在檢測(cè)線圈上接通交流電，產(chǎn)生垂直于工件的交變磁場(chǎng)。檢測(cè)線圈靠近被檢工件時(shí)，該工件表面感應(yīng)出渦流同時(shí)產(chǎn)生與原磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，部分抵消原磁場(chǎng)，導(dǎo)致檢測(cè)線圈電阻和電感變化。若金屬工件存在缺陷，將改變渦流場(chǎng)的強(qiáng)度及分布，使線圈阻抗發(fā)生變化，檢測(cè)該變化可判斷有無(wú)缺陷。

隨著微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種信號(hào)處理技術(shù)的采用，渦流檢測(cè)換能器、渦流檢測(cè)信號(hào)處理技術(shù)及渦流檢測(cè)儀器等方面出現(xiàn)長(zhǎng)足發(fā)展。

渦流檢測(cè)的特點(diǎn)

一、優(yōu)點(diǎn)

1、檢測(cè)時(shí)，線圈不需要接觸工件，也無(wú)需耦合介質(zhì)，所以檢測(cè)速度快。

2、對(duì)工件表面或近表面的缺陷，有很高的檢出靈敏度，且在一定的范圍內(nèi)具有良好的線性指示，可用作質(zhì)量管理與控制。

3、可在高溫狀態(tài)、工件的狹窄區(qū)域、深孔壁（包括管壁）進(jìn)行檢測(cè)。

4、能測(cè)量金屬覆蓋層或非金屬涂層的厚度。

5、可檢驗(yàn)?zāi)芨猩鷾u流的非金屬材料，如石墨等。

6、檢測(cè)信號(hào)為電信號(hào)，可進(jìn)行數(shù)字化處理，便于存儲(chǔ)、再現(xiàn)及進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和處理。

二、缺點(diǎn)

1、對(duì)象必須是導(dǎo)電材料，只適用于檢測(cè)金屬表面缺陷。

2、檢測(cè)深度與檢測(cè)靈敏度是相互矛盾的，對(duì)一種材料進(jìn)行ET時(shí)，須根據(jù)材質(zhì)、表面狀態(tài)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作綜合考慮，然后在確定檢測(cè)方案與技術(shù)參數(shù)。

3、采用穿過(guò)式線圈進(jìn)行ET時(shí)，對(duì)缺陷所處圓周上的具體位置無(wú)法判定。

4、旋轉(zhuǎn)探頭式ET可定位，但檢測(cè)速度慢。

渦流檢測(cè)的信號(hào)處理技術(shù)

需要提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的識(shí)別、分析和診斷，以得出最佳的信號(hào)特征和檢測(cè)結(jié)果。

1、信號(hào)特征量提取

常用的特征量提取方法有傅里葉描述法、主分量分析法和小波變換法。

傅里葉描述法是提取特征值的常用方法。其優(yōu)點(diǎn)是，不受探頭速度影響，且可由該描述法重構(gòu)阻抗圖，采樣點(diǎn)數(shù)目越多，重構(gòu)曲線更逼近原曲線。但該方法只對(duì)曲線形狀敏感，對(duì)渦流檢測(cè)儀的零點(diǎn)和增益不敏感，且不隨曲線旋轉(zhuǎn)、平移、尺寸變換及起始點(diǎn)選擇變化而變化。

用測(cè)試信號(hào)自相關(guān)矩陣的本征值和本征矢量來(lái)描繪信號(hào)特征的方法稱為主分量分析法，該方法對(duì)于相似缺陷的分辨力較強(qiáng)。

小波變換是一種先進(jìn)的信號(hào)時(shí)頻分析方法。將小波變換中多分辨分析應(yīng)用到渦流檢測(cè)信號(hào)分析中，對(duì)不同小波系數(shù)處理后，再重構(gòu)。這種經(jīng)小波變換處理后的信號(hào)，其信噪比會(huì)得到很大的提高。

2、信號(hào)分析

(1) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量是信號(hào)的特征參量，對(duì)信號(hào)特征參量的正確選擇與提取是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能判別成功的關(guān)鍵。組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用分級(jí)判別法使網(wǎng)絡(luò)輸入變量維數(shù)由N2 降到N，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，訓(xùn)練速度很快，具有較高的缺陷識(shí)別率和實(shí)用價(jià)值。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)缺陷分類，具有識(shí)別準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)不完全、不夠清晰的數(shù)據(jù)同樣有效。

(2) 信息融合技術(shù)

信息融合是對(duì)來(lái)自不同信息源檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)和綜合等多級(jí)處理，得到被測(cè)對(duì)象的統(tǒng)一最佳估計(jì)。

渦流掃描圖像的融合，將圖像分解為多子帶圖像，并在轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)采用融合算法實(shí)現(xiàn)圖像融合。Ka Bartels等采用信噪比最優(yōu)方法合并渦流信號(hào)，并用空間頻率補(bǔ)償方法使合并前高頻信號(hào)變得模糊而低頻信號(hào)變得清晰。Z Liu等利用最大值準(zhǔn)則選擇不同信號(hào)的離散小波變換系數(shù)，選取待融合系數(shù)的最大絕對(duì)值作為合并轉(zhuǎn)換系數(shù)。因此融合信號(hào)可基于這些系數(shù)，利用逆小波變換來(lái)重構(gòu)。小波變換可按不同比例有效提取顯著特征。在融合信號(hào)過(guò)程中，所有信號(hào)的有用特征都被保存下來(lái)，因此內(nèi)部和表面缺陷信息得到增強(qiáng)。

3、渦流逆問(wèn)題求解

換能器檢測(cè)到的信號(hào)隱含缺陷位置、形狀、大小及媒質(zhì)性質(zhì)等信息，由已知信號(hào)反推媒質(zhì)參數(shù)(電導(dǎo)率)或形狀(缺陷)，屬于電磁場(chǎng)理論中的逆問(wèn)題。

為求解渦流逆問(wèn)題，先要建立缺陷識(shí)別的數(shù)學(xué)模型，有形狀規(guī)則的人工缺陷、邊界復(fù)雜的自然缺陷、單缺陷和多缺陷等模型；在媒質(zhì)類型方面，有復(fù)合材料和被測(cè)件表面磁導(dǎo)率變化等模型。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，缺陷模型各種數(shù)值解法也獲得進(jìn)展。出現(xiàn)有限元法、矩量法和邊界元法等。

渦流檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

1824年 加貝 渦流存在

1831年 法拉第 電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1873年 麥克斯韋方程 電磁場(chǎng)理論

1879年 休斯 首次應(yīng)用判斷不同金屬和合金

1926年 渦流測(cè)厚儀

1935年 渦流探傷儀

1942年 自動(dòng)化檢測(cè)

50年代 福斯特 阻抗分析法 理論和實(shí)踐的完善

60年代 我國(guó)開始研究，主要應(yīng)用于航天等領(lǐng)域

美國(guó)的EM3300 和MIZ-20 為采用阻抗平面顯示技術(shù)典型產(chǎn)品，而TM-128 型渦流儀是我國(guó)首臺(tái)配有微機(jī)帶有阻抗平面顯示的渦流探傷儀。

MFE-1三頻渦流儀是我國(guó)研制的首臺(tái)多頻渦流檢測(cè)設(shè)備。隨后，國(guó)內(nèi)研制成功多種類型的多頻渦流檢測(cè)儀，如EEC-35、EEC-36、EEC-38、EEC-39 和ET-355、ET-555、ET-556 等。

目前，我國(guó)在有限元數(shù)值仿真、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭性能指標(biāo)分析及檢測(cè)系統(tǒng)的研制等方面取得研究成果，推出商品化遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀器，其中ET-556H和EEC-39RFT 已用于化工煉油設(shè)備的鋼質(zhì)熱交換管和電廠高壓加熱器鋼管的在役探傷。

渦流檢測(cè)在各行業(yè)高端領(lǐng)域的應(yīng)用

1、航天、航空

渦流檢測(cè)技術(shù)已廣泛用于航天、航空領(lǐng)域中金屬構(gòu)件的檢測(cè)。為了確保飛機(jī)的飛行安全，必須對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行定期在役檢測(cè)。渦流技術(shù)通常用于檢測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋、螺栓、螺孔內(nèi)裂紋、飛機(jī)的多層結(jié)構(gòu)、起落架、輪轂和鋁蒙皮下等表面和亞表面缺陷，同時(shí)用于檢測(cè)機(jī)翼連接焊縫的缺陷等。檢測(cè)中能有效抑制探頭晃動(dòng)、材質(zhì)不勻等引起的干擾信號(hào)。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可用于上述部件應(yīng)力集中部位或早期損傷的診斷。

2、電力、石化

渦流檢測(cè)技術(shù)用于電站（火電廠、核電站）、石油化工（油田、煉油廠、化工廠）等領(lǐng)域的有色及黑色金屬管道（如銅管、鈦管、不銹鋼管、鍋爐四管等）的在役和役前檢測(cè)。對(duì)管道晶間腐蝕、壁厚減薄和外壁磨損等均能可靠檢出，在檢測(cè)中能有效地去除支撐板和管板的干擾信號(hào)。此外，渦流法還用于汽輪機(jī)大軸中心孔、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，抽油竿、鉆竿、螺栓、螺孔等部件的檢測(cè)；聲脈沖檢測(cè)技術(shù)可用于各種金屬或非金屬管道的快速檢測(cè)；金屬磁記憶技術(shù)用于在役設(shè)備鐵磁性零件早期損傷的診斷。

3、冶金、機(jī)械

渦流檢測(cè)技術(shù)用于各種金屬管、棒、線、絲材的在線、離線探傷。在探傷過(guò)程中，能同時(shí)兼顧長(zhǎng)通傷、緩變傷等長(zhǎng)缺陷和短小缺陷（如通孔）；能夠有效抑制管道在線、離線檢測(cè)時(shí)的某些干擾信號(hào)（如材質(zhì)不均、晃動(dòng)等），對(duì)金屬管道內(nèi)外壁缺陷檢測(cè)都具有較高的靈敏度；還可用于機(jī)械零部件混料分選，滲碳深度和熱處理狀態(tài)評(píng)價(jià)，硬度測(cè)量等。

4、核能、軍工

渦流檢測(cè)技術(shù)用于核燃料棒、鈦管、螺紋管等金屬管道的檢測(cè)；用于軍工兵器的炮筒、導(dǎo)彈發(fā)射架、炮彈底座、彈殼，戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)翼、起落架和輪轂等的役前和在役檢測(cè)；金屬磁記憶技術(shù)用于裝甲車、艦艇等金屬結(jié)構(gòu)件的早期診斷；低頻電磁場(chǎng)、漏磁技術(shù)用于甲板、儲(chǔ)油罐等鐵磁性材料及焊縫質(zhì)量控制。

今后渦流檢測(cè)技術(shù)研發(fā)包括：完善換能器設(shè)計(jì)理論，研制性能更好的渦流檢測(cè)換能器；研究缺陷大小形狀位置深度的渦流定位技術(shù)和三維成像技術(shù)；研究并推廣遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)；進(jìn)一步研究金屬材料表面疲勞裂紋的擴(kuò)展、開裂、機(jī)械加工磨削燒傷及殘余應(yīng)力渦流檢測(cè)技術(shù)。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)必將得到廣泛應(yīng)用。

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