【正文】 算機結(jié)合等方面進行了大量的研究。他是將內(nèi)通過式傳感器分割成若干獨立的小線圈，分別由計算機控制，當(dāng)某一小線圈掃查到缺陷后，立即斷開此線圈并繼續(xù)行走到另一個小線圈發(fā)現(xiàn)缺陷，再由計算機對線圈空間距離進行計算得到缺陷的大小。另外為了保持材料表面及近表面高檢測靈敏度的同時，提高有效滲透深度，Clekrt和Metal于1989年設(shè)計了牛眼傳感器。它的工作原理是首先對不同大小的線圈施以高頻檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某種缺陷信號時，停止掃查并開始對各線圈以不同頻率檢測缺陷的深度。有限元法是研究這一個方向的基本手段，目前取得了很大的進展。結(jié)果顯示，該方法優(yōu)化設(shè)計的傳感器與經(jīng)驗法相比，靈敏度和線性度都有了明顯的提高。這極大的推進了渦流無損檢測從定性分析到定量分析的演變。小波分析是現(xiàn)代信號處理的新技術(shù)，它的多尺度的特性在對無損檢測中信號的去噪和邊緣檢測具有相當(dāng)好的效果，為定量識別缺陷提供了依據(jù)。渦流檢測探頭是檢測設(shè)備的關(guān)鍵器件，目前，有關(guān)探頭設(shè)計的理論研究尚不充分，探頭的制作多是憑經(jīng)驗或依據(jù)實驗進行。有必要加緊研制適合各種應(yīng)用場合的高性能新式探頭。渦流/超聲一體化檢測技術(shù)。研究將渦流場的分布和等效電路阻抗有機結(jié)合的問題，渦流阻抗的變化實質(zhì)上是由試件中渦流場的分布和大小的變化所引起的，應(yīng)研究不同的場是如何影響阻抗的特性，阻抗特性是如何反映渦流場以及被測體測量特征的。第二章 渦流檢測理論基礎(chǔ)渦流檢測就是運用電磁感應(yīng)原理，將正弦波電流通入探頭激勵線圈，當(dāng)探頭接近金屬表面時，線圈周圍的交變磁場在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。同時渦流也產(chǎn)生相同頻率的磁場，其方向與線圈磁場方向相反。渦流通道的損耗電阻，以及渦流產(chǎn)生的反磁通，又反射到探頭線圈，改變了線圈的電流大小及相位，即改變了線圈的阻抗。圖21渦流檢測的原理檢測線圈的阻抗變化可用如下函數(shù)式來描述：Z=F(μ，σ，x，i，n，f，r)式中Z一檢測線圈的阻抗；μ一被測導(dǎo)體的導(dǎo)磁率；σ一被測導(dǎo)體的導(dǎo)電率；x一檢測線圈與被測導(dǎo)體的距離；i一通過檢測線圈的激勵電流強度；n一與檢測線圈匝數(shù)、形狀、尺寸有關(guān)的因子；f一檢測線圈激勵電源的交變頻率；r一與被測體幾何形狀、尺寸、缺陷狀況有關(guān)的尺寸因子。因此，利用渦流原理可以解決金屬材料探傷、測厚、分選等問題。因此，通過測定線圈阻抗的變化，就可以引出金屬材料的性能及有無缺陷的結(jié)論。渦流總是密集于靠近線圈的工件表面，隨著離開表面深度的增加，渦流也逐漸減少，這種現(xiàn)象就是趨膚效應(yīng)。在平面電磁波進入半無窮大金屬導(dǎo)體的情況下，渦流的衰減公式如下[2]：J=Jex 式（）式（）中：J。通常把電流密度減少到導(dǎo)體表面的電流密度的1/e(即37%)時的深度叫透入深度。在渦流檢測中，工件要檢測的信號是來自檢測線圈的阻抗或次級線圈感應(yīng)電壓的變化，由于影響阻抗和電壓的因素很多，各因素的影響程度也不同，因此，要從這諸多的因素中提取出有意義的檢測信號，渦流檢測設(shè)備必須具備對信號進行處理的功能，以達到消除干擾信號的目的。阻抗分析法是以分析渦流效應(yīng)引起線圈阻抗的變化及其相位變化之間的密切關(guān)系為基礎(chǔ)，從而鑒別各影響因素效應(yīng)的一種分析方法。因為在電磁波的傳播過程中，相位延遲是與電磁信號進入導(dǎo)體中的不同深度和折返來回所需的時間聯(lián)系在一起的。在阻抗分析法的發(fā)展過程中，由于傅斯特的開拓性工作和實用化資料的積累，在一般的實際應(yīng)用中，以傅斯特建立的阻抗分析法表述較為著稱[1]。因此，一個線圈可以用電阻、電感和電容組合而成的等效電路表示。圖22 單個線圈等效電路 圖23 阻抗向量當(dāng)單一頻率的交流電流(i=Isinωt)流經(jīng)上述串連的純電阻和純電感時，在串聯(lián)元件兩端的總電壓由克希荷夫電壓定律可給出為：U=U+U=IRsinωt+ωLIsin(ωx+) 式（）感抗電壓U=IX，電阻電壓U=IR。向量形成一個直角三角形，阻抗值的關(guān)系為：Z=，tgθ=。設(shè)空線圈的電阻值為R。則空線圈阻抗Z。要大得多，因此，作為良好的近似，可認(rèn)為Z=ωL渦流檢測技術(shù)依賴于電磁能與被檢工件互相作用方式的分析。這種現(xiàn)象可以類似于線圈耦合電路。同時，這個感生電流又通過互感的作用影響原邊線圈中電流與電壓的關(guān)系，這個影響可以用副邊線圈中的阻抗通過互感折合到原邊線圈電路的折合阻抗來體現(xiàn)。由于互感的作用，副邊折合到原邊的折合阻抗為：R=R 式（）a)耦合線圈電路 b)互感作用電路c)耦合線圈等效電路圖24耦合線圈X= 式（）式（）中X=ωL，X=ωM，M為兩線圈間的互感。當(dāng)I=0時，即次級回路開路R=∞，相當(dāng)于探測線圈未放置于金屬工件上，由式（）可知：Z=R+jωL 式（）若次級線圈R=0，k=時，視在阻抗可化簡為： Z=R+jωL(1k) 式（）應(yīng)用視在阻抗的概念，就可以認(rèn)為原邊電路中電流或電壓的變化，是由于電路中視在阻抗的變化所引起的。如果把副邊電阻R從∞逐步減到零(或是副邊感抗X從零逐步增大到∞)，便可以得到一系列相對應(yīng)的原邊回路中視在阻抗的兩個分量R和X(即ωL)的值。因此從電路的角度看，渦流檢測類似于電感耦合回路的情形。大多數(shù)非磁性材料的檢查采用的頻率是數(shù)千赫茲，檢測磁性材料則采用較低頻率。對透入深度來說，頻率越低透入深度越大。因此，在正常情況下，檢測頻率要選擇盡可能地高，只要在此頻率下仍能有必需的透入深度即可。若需檢測相當(dāng)深度處的缺陷、則必須犧牲靈敏度采用非常低的頻率，這時候它不可能檢測出細小的缺陷。對于一定的檢測材料往往要求一個特定的檢測頻率，才有可能獲得最佳的檢測結(jié)果。一般檢測表面裂紋工作頻率f=(10~50)f，穿過式線圈工件特征頻率計算公式如下：f= 式（）式（）中u是被檢件的相對磁導(dǎo)率，σ是電導(dǎo)率，d是工件的直徑。采用放置式探頭線圈時，由于探頭尺寸很小，可把工件看作無限大平面。當(dāng)環(huán)通過某一均勻電流時，若該電流通過環(huán)截面的總電流和被測導(dǎo)體中的總的渦流相當(dāng)，且這個環(huán)域的實際阻抗與被測導(dǎo)體有效阻抗近相等，那么被測導(dǎo)體就可以用這一環(huán)域來代替，且對工程計算不至于產(chǎn)生很大的誤差，這就是HR Loose提出的推導(dǎo)一個電渦流簡化模型的基本設(shè)想。令 式（） 式（）式()式（）中a，a是積分系數(shù)。利用以下積分公式 式（） 式（）解積分方程組得到a===a+a=中心半徑：r=r+=由渦流的趨膚效應(yīng)可知，渦流在沿著深度的方向上衰減的很快，一般來說，只要在距離表面3倍的渦流標(biāo)準(zhǔn)深度的地方，渦流密度只有表面值的千分之五。所以，J近似無限大的平面導(dǎo)體內(nèi)的渦流絕大部分集中在這個渦流環(huán)內(nèi)。當(dāng)被測導(dǎo)體簡化成渦流環(huán)后，采用放置式探頭線圈檢測時，工件的半徑可以等效為渦流環(huán)的半徑。由文獻可知，采用修正過后的工件特征頻率來選擇工作頻率效果比較好，驗證了理論推導(dǎo)的合理性，經(jīng)理論推導(dǎo)，加上實踐，我們最終選定的工作頻率在10~15Hkz。渦流形狀改變的結(jié)果是形成所謂“邊緣效應(yīng)”。與提離不同，沒有什么辦法能消除邊緣效應(yīng)。通常，認(rèn)為在靠近邊界6mm以內(nèi)作檢測是不適宜的。當(dāng)探頭靠近受檢對象時，在線圈接觸材料表面的那一時刻，阻抗的實部和虛部發(fā)生變化，這就是“零提離阻抗”。由渦流傳感器的本質(zhì)可知，這一曲線是非線性的(靠近線圈時場的變化量較大)。在其它情況下，如大直徑探頭和叉式探頭這一效應(yīng)相對較小，提離在許多情況下會造成麻煩，通常被認(rèn)為是需要減小的一種效應(yīng)。第三章 探頭的設(shè)計與制作傳感器是直接感受被測量的部分，其性能對后續(xù)測量電路的設(shè)計以及整個測試系統(tǒng)的精度和可靠性有著重要的影響。傳感器制作時要保證其性能指標(biāo)，它的性能指標(biāo)一般包括線性度，靈敏度，遲滯，分辨率等。通過研究傳感器的磁場特征從而對傳感器結(jié)構(gòu)以及測量參數(shù)實現(xiàn)優(yōu)化，這也是渦流檢測的一個重要研究方向。近幾年，F(xiàn)T01ofn等人將有限元法和遺傳算法結(jié)合，對傳感器的幾何參數(shù)和測量參數(shù)進行了優(yōu)化。渦流檢測探頭是檢測設(shè)備的關(guān)鍵器件，目前，有關(guān)探頭設(shè)計的理論研究尚不充分，探頭的制作多是憑經(jīng)驗或依據(jù)實驗進行。有必要加緊研制適合各種應(yīng)用場合的高性能新式探頭。下面就其每一方面依次進行闡述。設(shè)計者能通過改變線圈形狀、橫截面、尺寸、結(jié)構(gòu)和電源等參數(shù)來制造一種特定的傳感器，以適于特定用途或應(yīng)用范圍。這種分類是為方便起見，并符合渦流檢測的歷史發(fā)展。渦流探頭的實驗型設(shè)計并不是一種明確的、限定的過程，而是一組方法及其相互作用。任何情況下，這一方法通常包括建立某個特定設(shè)計和在收集到的測量結(jié)果的基礎(chǔ)上修正、反復(fù)試驗和不斷摸索的過程。渦流傳感器的解析型設(shè)計是按給定尺寸或要求計算線圈阻抗，或給出制造一個適用的探頭所必需的阻抗、尺寸，處理規(guī)定的線圈形狀和橫截面(如矩形檢截面的圓形線圈)，建立模型，并尋求這一模型情況的表達式。同時渦流探頭可能相當(dāng)復(fù)雜，探頭中包括了各種不同材料。渦流傳感器的數(shù)值方法(有限元和有限微分法)從完全不同的角度解決了同一個基本問題，這是麥克斯韋爾方程在有限空間中求解。探頭的響應(yīng)由材料間電磁場相互作用的真實物理描述進行計算。并且對求解來說不需任何假設(shè)。因為它以極為近似實際檢測的方式揭示探頭的性能并進行更好的設(shè)計。任意橫截面線圈的數(shù)值型設(shè)計并不比矩形核截面的設(shè)計復(fù)雜。盡管最后可能需要更昂貴的三維模型，可以針對特定不連續(xù)性對探頭進行優(yōu)化。實際上，傳感器可以通過實驗設(shè)計，然后用解析方法或數(shù)值方法計算其各種參數(shù)。本課題在收集和借鑒現(xiàn)有一些裂紋渦流檢測探頭技術(shù)基礎(chǔ)上，采用實驗型設(shè)計，反復(fù)試驗修正和不斷摸索進行探頭的設(shè)計和制作。根據(jù)它們的工作方式，可分為以下三類：絕對式渦流傳感器；差分式渦流傳感器；絕對式和差分式組合渦流傳感器。對這類傳感器，人們直接測量其線圈的阻抗或感應(yīng)電壓(多數(shù)注意其絕對數(shù)值而非阻抗或感應(yīng)電壓的變化值)。差分式渦流傳感器由一對反向連接的線圈組成，因此當(dāng)兩個線圈處于相同條件下時，所測得的阻抗或感應(yīng)電壓凈值相互抵銷。它們對材料中不連續(xù)性的靈敏度高于絕對式傳感器，而對提離變化和探頭抖動的靈敏度降低了，因為這些因素對兩個線圈的影響基本相等。其工作方式可分為絕對式和差分式。每一個(或每一對)線圈分別進行監(jiān)控，傳感器對受檢材料的局部缺陷就有不同的響應(yīng)能力。在阻抗方式中，激勵線圈是監(jiān)測對象，即激勵線圈和測量線圈為同一線圈，也稱自感式測量，由線圈阻抗的變化反映工件上被測參數(shù)的變化。這些變化都涉及阻抗實部的變化(電導(dǎo)率、減簿等)或阻抗虛部的變化(磁導(dǎo)率的變化)，或兩者都有。即由測量線圈中感生電壓的變化來反映工件上被測參數(shù)的變化。在實際使用中，某一種方式可能比另一種更方便或更靈敏。激勵線圈和測量線圈兩者分立時為互感式測量，由測量線圈中感生電壓的變化來反映工件上被測參數(shù)的變化。為了滿足不同工件形狀和大小的檢測要求。可用于檢測管材、棒材、線材等可以從線圈內(nèi)部通過的導(dǎo)電試件。因此，它廣泛地應(yīng)用于管材、棒材、線材試件的表面質(zhì)量檢測。放置式線圈，又稱點式線圈，是其中最廣泛使用的渦流探頭。由于線圈體積小、線圈內(nèi)部一般帶有磁芯，因而具有磁場聚焦的性質(zhì)，靈敏度高。本課題采用表面放置，絕對，互感式渦流傳感器結(jié)構(gòu)。兩線圈的相對位置為正交取向，測量線圈靠近U型激勵線圈的開口中點處。經(jīng)實驗證明，采用此結(jié)構(gòu)能夠很好的降低提離效應(yīng)，提高測試的精度，并且能反映裂紋的相對深度和裂紋的開口方向。無缺陷時，穿過感應(yīng)線圈的磁通量最少；當(dāng)缺陷存在引起渦流擾動而導(dǎo)致磁通變化時，即使是微弱的變化，感應(yīng)線圈也能很靈敏地測出，且感應(yīng)線圈的這種取向?qū)μ犭x變化的敏感度也減至最小[7]。因為只有測量線圈尺寸越小，測量線圈才能夠更好的接近工件表面缺陷，從而能較好的提取工件表面上的裂紋缺陷信息。但測量線圈尺寸太小，又會加大傳感器的制作難度，因而只要測量線圈尺寸小到能足夠提取缺陷信息即可。實際繞制線圈時，線圈匝數(shù)與線圈的電感量可由下式估算：L= 式（）式（）中L一線圈電感量r一線圈平均半徑n一線圈匝數(shù)L一線圈長度K一考慮到線圈長度為有限時，磁場分布不均勻，需要加以修正的系數(shù)對于多層線圈：K= 式（）式（）中t線圈厚度。由于探頭在空載或是置于工件表面無缺陷處時，測量線圈輸出均為零，因此基本上不存在提離效應(yīng)。如圖33所示。 當(dāng)探頭兩線圈存在一定的偏角α后，探頭工作在空載或是置于工件表面無缺陷處時，測量線圈有一定的電壓輸出，我們可以通過探頭在缺陷處和無缺陷處測量線圈輸出電壓信號之差來反映工件表面缺陷的存在。提離效應(yīng)會對我們的檢測帶來不利的影響，應(yīng)盡量消除。激勵線圈與測量線圈的間距H也是該傳感器設(shè)計中的一個重要參數(shù)。H過大，將會增大激勵線圈與工件之間的距離，減小工件上的感應(yīng)渦流，從而降低探頭檢測靈敏度；H過小，又會增強提離效應(yīng)。圖34 激勵線圈與測量線圈的間距傳感器的設(shè)計參數(shù)很多，主要有激勵線圈、測量線圈匝數(shù)，激勵線圈與測量線圈之間的相對距離，線圈的尺寸等等。因此，在傳感器的設(shè)計中，應(yīng)采用相應(yīng)的試驗方法獲得傳感器參數(shù)的最佳組合，使其達到較好的性能，即具有較高的靈敏度以及較小的提離效應(yīng)。一個科學(xué)的試驗設(shè)計應(yīng)能做到以下兩點：一是試驗次數(shù)盡可能少；二是能用這少數(shù)試驗所獲得的試驗數(shù)據(jù)，有說服力的推出正確結(jié)論。單因素優(yōu)選法，