電渦流無損檢測技術分析論文

【摘要】無損檢測是工業發展必不可少的有效工具，也是機械工程的重要組成部分。電渦流無損檢測技術作爲一種傳統的無損檢測技術，具有線性度高、分辨率高、響應速度快、結構簡單且能靜態及動態的進行測量等特點。本文簡述電渦流無損檢測技術的的研究現狀，指出電渦流無損檢測的發展趨勢，爲今後研究電渦流無損檢測提供可以借鑑的研究方向。

【關鍵詞】無損檢測；電渦流；柔性線圈

1前言

電渦流檢測技術是一種基於電渦流效應的無損、非接觸式檢測技術，具有線性度高、分辨率高、響應速度快、結構簡單且能靜態及動態的進行測量等特點。同時由於電渦流效應的限制，電渦流檢測只能用於探測金屬材料的無損檢測，如管、棒、線、板材及零部件缺陷檢測；金屬焊縫質量的檢測；飛行器的疲勞老化維護以及管道系統的腐蝕檢查等。與其他無損檢測方法相比，電渦流檢測技術的主要優點有：（1）對導電材料的近表面及表面缺陷有較高的靈敏度；（2）對影響渦流特性的各種物理和工藝因素均能實施檢測，適用範圍廣，測量範圍大，靈敏度高；（3）在一定條件下，可提供裂紋深度的資訊；（4）結構簡單、對成型的被測件容易實現自動化檢測、安裝方便不需要耦合劑；（5）可用於高溫、薄壁管、細線、零件內孔表面等其它檢測方法難以進行檢測的特殊場合。同時，由於渦流效應的限制，電渦流檢測技術只能檢測導電材料表面及近表面缺陷，其檢測結果會受到檢測對象形狀、材料特性以及檢測對象在加工過程中形成的殘磁效應的影響，同時，電渦流檢測的最高溫度一般不超過180攝氏度。

2電渦流檢測技術的研究現狀

電渦流檢測技術最早可追溯到19世紀末，es首次利用渦流效應的感生電流實現了對不同金屬和合金的判斷。而電渦流檢測技術的快速發展是基於20世紀50年代，德國Forster發表的一系列關於消除渦流檢測中干擾因素的論文，其提出的阻抗分析法理論，爲現代渦流檢測理論和設備研究打下了堅實的基礎[1]。而現階段電渦流檢測技術的主要向非常規電渦流檢測技術及柔性電渦流檢測技術這兩個方向發展。

2.1非常規電渦流檢測技術

爲解決常規電渦流檢測結果存在對深層損傷檢測靈敏度不高、提取的資訊量較少、檢測效率較低等侷限性，逐漸發展出使用非單頻正弦電流作爲激勵信號的非常規電渦流檢測技術，根據激勵信號種類的不同，主要包括多頻電渦流檢測技術、脈衝電渦流檢測技術、遠場電渦流檢測技術。多頻渦流（Multi-frequencyEddyCurrent）檢測技術是採用含有多種頻率成分的信號作爲激勵信號的檢測技術。其激勵信號的頻率根據所需的檢測的參數進行選擇，當需檢測的參數爲n時，就需要激勵信號包括n個頻率成分，將響應信號按各自頻譜分別進行解調，最後將各個解調信號以指定的方式進行混頻，最後綜合分析處理數據。由於多頻電渦流檢測技術能夠抑制多個干擾因素，所以其檢測的靈敏性、可靠性和準確性均得到提高。可以看到，多頻檢測技術的關鍵問題爲多頻信號選擇以及響應信號的分析和處理[2]。脈衝渦流（PulsedEddycurrent，PEC）檢測與多頻渦流檢測的工作原理基本相同，作爲激勵信號的方波可以看做是衰減型的多頻信號，多頻渦流檢測可以看做具有高頻諧波加權補償的脈衝渦流。相比較而言，脈衝渦流的檢測速度更快、檢測效率更高、且包含的資訊更多，設備成本也更低。由於脈衝信號產生的渦流衰減更慢，可以用來分辨多層金屬結構分辨及更深層的缺陷檢測。當前，脈衝渦流檢測技術多用在檢測多層金屬結構的`腐蝕與裂紋缺陷以及評估金屬底層上導電塗層的厚度、電導率及磁導率等物理特性等方面[3]。遠場渦流（RemoteFieldEddyCurrent）檢測技術是一種能穿透金屬管壁的低頻渦流檢測技術。其探頭由一個激勵線圈和一個設定在與激勵線圈相距2~3倍管內徑處的較小的檢測線圈構成，由於檢測線圈能有效地接收穿過管壁後返回管內的磁場，所以可以有效的檢測金屬管道的內壁缺陷與管壁厚薄。但在最近的研究中發現，導電板材中同樣存在着遠場渦流現象[4]。

2.2柔性電渦流檢測技術

由於生產、控制系統的複雜性越來越高，需要檢測的缺陷尺寸很小或檢測部位難以接近以及檢測對象具有複雜的表面形貌時，傳統的柱狀線圈探頭已經無法滿足檢測需求。爲滿足這些特殊結構的測試需求，需要傳感器具有不受被測物體形狀限制，能貼附於各種規則或不規則曲面，且依舊能實現正常的傳感功能等特點。伴隨着印刷電路板（PCB）、半導體制作（IC）及微電子加工（MEMT）技術水平的提高，柔性電渦流傳感器應運而生。柔性電渦流檢測技術主要指是使用製作在柔性/可延性塑料或薄金屬基底板上的柔性探頭的電渦流檢測技術，其最大特點是能夠被摺疊或捲曲，對被測對象表面形貌的彎曲具有一定的適應性，且其結構簡單、封裝方便，可以根據測試要求任意佈置，具有比普通傳感器更加廣闊的應用前景。柔性電渦流檢測技術使用的探頭主要有兩種結構形式：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，其結構可以是單層線圈或雙層線圈。柔性電渦流檢測技術主要受制於撓性印刷電路板（FlexiblePrintedCir-cuitBoard，FPCB）技術的製作工藝和技術水平。MWM陣列是1999年由JENTEKSensors公司研發出的一種新型探頭結構。如圖2所示，MWM陣列探頭的基本結構是由一個蜿蜒的激勵線圈繞組和多個穿插於激勵繞組之間的檢測繞組組成，MWM陣列探頭產生的電場在導電材料中的滲透深度除激勵頻率外，在激勵頻率較低（<1MHz）時還和i有關[5]。現階段，柔性電渦流檢測技術在日本、美國、法國等均有實際運用，國外的Olympu、eddyfi、zetec及JENTEKSensors等公司也推出了一系列的基於柔性電渦流檢測技術的商業化商品。國內的清華大學和空軍大學[6]也對柔性電渦流檢測技術也開展了一系列的研究，取得了一定的研究成果。

3電渦流檢測技術的發展趨勢

隨着電磁渦流檢測技術的研究、開發及其應用領域的不斷擴展，電渦流檢測已從單一的渦流方法發展到包括渦流、漏磁、微波、磁記憶、電流擾動等以電磁基本原理爲基礎的無損檢測技術，如磁光/渦流成像檢測（Magneto-opticEddyCurrentImaging，MOI）技術和將巨磁阻元件和電渦流線圈進行一體化的檢測方法。其中MOI做爲一新興渦流無損檢測方法，可以實現快速、精確的大面積實時檢測，並可將本來非可視的亞表面細小缺陷可視化，檢測結果直觀準確。目前，MOI技術目前主要用於航空部門對飛機的維修檢查中[7]。而將巨磁阻元件和電渦流線圈相結合的檢測方法特別適用於強磁性材料的檢測[8]。

4結論

本文總結了電渦流無損檢測技術的特點及應用，並概述了電渦流無損檢測的發展現狀及各種電渦流檢測技術的特點，闡述了電渦流無損檢測今後將會發展成以電磁原理爲基礎的囊括多種檢測技術的檢測方法。作爲一種傳統的無損檢測方法，電渦流檢測亦將在機械設備的無損檢測上繼續發揮其作用。