渦流檢測的技術(shù)

1、目錄渦流檢測技術(shù)及進展2渦流檢測自然裂紋與信號處理5壓力容器列管渦流檢測技術(shù)的研究911金屬銹蝕的渦流檢測渦流檢測技術(shù)及進展1引言渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的無損檢測方法。如圖1,已知法拉第電磁感應(yīng)定律，在檢測線圈上接通交流電，產(chǎn)生垂直于工件的交變磁場。檢測線圈靠近被檢工件時，該工件表面感應(yīng)出渦流同時產(chǎn)生與原磁場方向相反的磁場，部分抵消原磁場，導(dǎo)致檢測線圈電阻和電感變化。若金屬工件存在缺陷，將改變渦流場的強度及分布，使線圈阻抗發(fā)生變化，檢測該變化可判斷有無缺陷。圖1渦流檢測原理示意圖隨著微電子學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展及各種信號處理技術(shù)的采用，渦流檢測換能器、渦流檢測信號處理技術(shù)及渦流檢測儀

2、器等方面出現(xiàn)長足發(fā)展。2渦流檢測的信號處理技術(shù)提高檢測信號的信噪比和抗干擾能力，實現(xiàn)信號的識別、分析和診斷，以得出最佳的信號特征和檢測結(jié)果。2.1 信號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，采樣點數(shù)目越多，重構(gòu)曲線更逼近原曲線。但該方法只對曲線形狀敏感，對渦流檢測儀的零點和增益不敏感，且不隨曲線旋轉(zhuǎn)、平移、尺寸變換及起始點選擇變化而變化。用測試信號自相關(guān)矩陣的本征值和本征矢量來描繪信號特征的方法稱為主分量分析法，該方法對于相似缺陷的分辨力較強。小波變換是一種先進的信號時頻

3、分析方法。將小波變換中多分辨分析應(yīng)用到渦流檢測信號分析中，對不同小波系數(shù)處理后，再重構(gòu)。這種經(jīng)小波變換處理后的信號，其信噪比會得到很大的提高。2.2 信號分析(1)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量是信號的特征參量，對信號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)大為簡化，訓(xùn)練速度很快，具有較高的缺陷識別率和實用價值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)缺陷分類，具有識別準(zhǔn)確度高的優(yōu)點，對不完全、不夠清晰的數(shù)據(jù)同樣有效。(2)信息融合技術(shù)信息融合是對來自不同信息源檢測、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、估計和綜合等多級處理，得到被測對象的統(tǒng)一最佳估計

4、。渦流C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)采用融合算法實現(xiàn)圖像融合。KaBartels等采用信噪比最優(yōu)方法合并渦流信號，并用空間頻率補償方法使合并前高頻信號變得模糊而低頻信號變得清晰。ZLiu等利用最大值準(zhǔn)則選擇不同信號的離散小波變換系數(shù)，選取待融合系數(shù)的最大絕對值作為合并轉(zhuǎn)換系數(shù)。因此融合信號可基于這些系數(shù)，利用逆小波變換來重構(gòu)。小波變換可按不同比例有效提取顯著特征。在融合信號過程中，所有信號的有用特征都被保存下來，因此內(nèi)部和表面缺陷信息得到增強。2.3 渦流逆問題求解換能器檢測到的信號隱含缺陷位置、形狀、大小及媒質(zhì)性質(zhì)等信息，由已知信號反推媒質(zhì)參數(shù)(電導(dǎo)率)或形狀(缺陷)

5、，屬于電磁場理論中的逆問題。為求解渦流逆問題，先要建立缺陷識別的數(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)合材料和被測件表面磁導(dǎo)率變化等模型。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，缺陷模型各種數(shù)值解法也獲得進展。出現(xiàn)有限元法、矩量法和邊界元法等。3渦流檢測設(shè)備美國的EM3300和MIZ-20為采用阻抗平面顯示技術(shù)典型產(chǎn)品，而TM-128型渦流儀是我國首臺配有微機帶有阻抗平面顯示的渦流探傷儀。MFE-1三頻渦流儀是我國研制的首臺多頻渦流檢測設(shè)備。隨后，國內(nèi)研制成功多種類型的多頻渦流檢測儀，如EEC-35、EEC-36、EEC-38、EEC-39和ET-355、E

6、T-555、ET-556等。目前，我國在有限元數(shù)值仿真、遠場渦流探頭性能指標(biāo)分析及檢測系統(tǒng)的研制等方面取得研究成果，推出商品化遠場渦流檢測儀器，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。今后渦流檢測技術(shù)研發(fā)包括：完善換能器設(shè)計理論，研制性能更好的渦流檢測換能器；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)；研究并推廣遠場渦流檢測技術(shù)；進一步研究金屬材料表面疲勞裂紋的擴展、開裂、機械加工磨削燒傷及殘余應(yīng)力渦流檢測技術(shù)。應(yīng)用該項技術(shù)進行無損檢測必將得到廣泛應(yīng)用。渦流檢測自然裂紋與信號處理渦流檢測（EddyCurrentTestin

7、g,ECT混一種檢測導(dǎo)電材料表面及近表面缺陷的有效方法。目前在壓力容器、核電站熱交換管道、飛機結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵設(shè)備的缺陷檢測中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于受到環(huán)境噪聲及探頭提離與設(shè)備結(jié)構(gòu)變化所引起的非缺陷信號的影響，缺陷的ECT信號往往被惡化。為了增強缺陷檢測及表征的可靠性和有效性，在使用缺陷分類和形狀反演技術(shù)之前，需要采用信號預(yù)處理技術(shù)來提高ECT信號的信噪比。小波分析可以提供信號的頻率信息和空間位置信息，對于分析信號的局部特征非常有用?？梢栽诓粊G失缺陷信號信息的情況下去除噪聲。用小波分析方法處理ECT信號,可以增強缺陷信號的信噪比，使缺陷被可靠檢測及精確表征。1自然裂紋ECT1號的采集為了使分析結(jié)果

8、接近實際，采用自然裂紋作為研究對象。選用200mm長，100mm寬，8mm厚的合金鋼板，先沿寬度方向在平板表面中央加工一條淺槽，然后固定在機械裝置上，并使平板兩端及中間三點反復(fù)受力彎曲，直到最終產(chǎn)生疲勞裂紋。按此方法制作了多塊具有疲勞裂紋的試樣。自然裂紋試樣制作完成之后，用安裝線圈探頭的渦流檢測儀在多種不同頻率下對裂紋進行掃描以獲得ECT信號。探頭由渦流檢測儀激勵，并由計算機控制的掃描平臺進行精確定位。探頭在試樣不同位置采集的ECT信號被送到檢測儀，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器在計算機中存儲起來，用于分析處理。圖1顯示了激勵電流頻率為100kHz時，探頭在平板上方沿裂紋方向掃描時所采集的ECT信號。4。

9、005010ft150200250位置/點圖1含噪聲的疲勞裂紋信號橫坐標(biāo)代表探頭采樣點位置，而縱軸表示采集的ECT信號幅度大小。在圖1中所示的信號中，可見低頻的提離噪聲信號比缺陷信號強的多，缺陷信號幾乎被提離噪聲湮沒。將導(dǎo)致缺陷不能被可靠檢測和表征。在圖1中也存在環(huán)境等因素引起的白噪聲信號，雖然不太明顯，但同樣干擾對缺陷的識別。2離散小波變換的信號處理算法2. 1ECT信號的小波分解這里采用被稱為正交緊支集的Daubechie臥波對ECT信號進行離散小波分析。首先使用離散小波變換算法將探頭信號f(t)進行M個頻率級的分解。適當(dāng)?shù)剡x擇基本小波和分解頻率級M，缺陷信號和噪聲能相互分離。低頻提離噪聲

10、可以被分解成AM，而缺陷信號和高頻噪音可以被分解成Dj。其中Dj的高頻級主要被高頻噪聲控制，其中也包含部分缺陷信號的高頻分量。經(jīng)過多次對ECT信號進行分解比較，發(fā)現(xiàn)采用10階Daubechie孫波將信號進行7個尺度的小波分解，其中低頻近似分量可以將提離噪聲提取出來。圖2顯示了對圖1所示ECT信號進行分解的情況。圖2最上方的波形是原始信號，缺陷信號是一個出現(xiàn)在位置120周圍的帶通信號。圖2中的其它波形是信號分解的部分結(jié)果。從圖2中可以明顯看出低頻逼近系數(shù)a7提取出了提離噪聲，而白噪聲主要包含在高頻細節(jié)分量d1、d2中。JI飛50】00150200250g0WWWt*a/VWva/x/WVwwvV

11、VV/V/'-：050100150200250050100150200250位置/點圖2自然裂紋ECT信號的小波分解2.2小波系數(shù)的處理和缺陷信號的重構(gòu)對原始ECT信號進行小波分解之后，按照下面的原則處理分解系數(shù)。因為原始信號中提離噪聲很強，所以首先應(yīng)將其去除，然后再考慮去除白噪聲。在a7中的系數(shù)主要為提離噪聲，因此將它設(shè)為零去除3。除去代表提離噪聲的低頻近似系數(shù)a7后發(fā)現(xiàn)信號中仍然含有部分提離噪聲，所以對去除部分提離噪聲的信號繼續(xù)使用10階Daubechie孫波將信號分解成9個頻率級，除去代表提離噪聲的低頻近似系數(shù)之后的信號如圖3所示。°。50100150200250位置/

12、點uooOUO642>生胡sm注圖3兩次去除提離噪聲后的缺陷信號波形去除提離噪聲后，接下來就需要去除包含在細節(jié)系數(shù)Dj中的白噪聲，雖然白噪聲與缺陷信號有重疊，但利用白噪聲與缺陷信號的不同空間幅頻特征，可以通過一些算法處理小波系數(shù)，有效地減少白噪聲。利用5階Daubechies、波對圖3中兩次去除提離噪聲后的信號進行離散小波分解,信號被分解成5個頻率級，如圖4所示。對圖4低分辨率下的小波變換全部保留高分辨率下的小波變換則只有被確認為缺陷信號附近的各點才予以保留，其余的都加以去除。100W0*°%6-3E5010O150200250050100150200250'10C30

13、1001502002305050100150200250050100150200250。，0】001,020。250位置/點在各級細節(jié)中的小波系數(shù)既來自缺陷信號：山來自高頻噪聲。為了去除噪聲，需要首先識別缺陷信號的圈波系瞬攝僦幡危者的幅曲通澈段喇聲小波系數(shù)的幅度大,通過設(shè)置門限，缺陷信號的小波系數(shù)可以很容易地選擇出來。3結(jié)論采用小波變換信號處理技術(shù)來減少從自然裂紋試樣獲得的一維和二維ECT信號中的非缺陷信號和白噪聲，結(jié)果顯示有效地減小了白噪聲和非缺陷信號，重構(gòu)了缺陷信號。與傅立葉變換等傳統(tǒng)濾波技術(shù)相比，采用小波變換方法去噪具有加強ECT信號的信噪比而不丟失缺陷信號信息的優(yōu)勢。為缺陷的可靠檢測及

14、精確表征提供了保證。壓力容器列管渦流檢測技術(shù)的研究1前言壓力容器中加熱器一般都由很多鋼管組成，它們長期承受壓力和腐蝕，管內(nèi)會產(chǎn)生各種應(yīng)力腐蝕裂紋和點蝕缺陷，需定期進行檢測以保證設(shè)備的安全運行。由于鋼管數(shù)目多，拆卸又不方便，通常采用現(xiàn)場檢測的方法。渦流檢測具有不需要耦合劑、檢測速度快及對金屬管子表面缺陷檢測靈敏度高等優(yōu)點，是對這一類管子進行檢測的最好方式。但是，由于在檢測加熱管的內(nèi)外壁缺陷時，管外部的管板、支撐板和支承條等都會產(chǎn)生干擾信號，需加以抑制。雙頻渦流檢測技術(shù)采用兩個頻率同時工作，具有兩個相對獨立的測試通道，既能有效地抑制上述干擾信號，又能準(zhǔn)確地檢測出缺陷信號。2對比試樣制作2.1 材料

15、要求用于對比試樣的鋼管須與被探傷鋼管的公稱尺寸相同，化學(xué)成分、表面狀況及熱處理狀態(tài)相似，即有相似的電磁特性，鋼管的彎曲度不大于1.5：1000,表面無氧化皮，無影響校準(zhǔn)的缺陷。2.2 制作按標(biāo)準(zhǔn)，對比試樣的人工缺陷為穿過管壁并垂直于鋼管表面的孔，人工缺陷為五個，其中三個處于對比試樣中間部分，沿圓周分布，大體上互成120°角，彼此之間的周向距離不小于200mm。另外，距管兩端不大于200mm處各加工一個相同的人工缺陷，以檢驗端部效應(yīng)，如圖1所示。3雙頻渦流檢測原理由t旌等戶甘國IIJ雙頻渦流儀的測量電路通常是一交流電橋。具檢測線圈一般接成差動形式，構(gòu)成電橋的兩臂。當(dāng)測量電橋平衡（即線圈

16、在遠離缺陷或橫跨缺陷兩邊時）,其輸出為零。反之，當(dāng)差動檢測線圈先后通過管臂內(nèi)缺陷處時，管臂內(nèi)渦流先后產(chǎn)生部分中斷或畸變，使兩個檢測線圈的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化。該變化會破壞電橋平衡，使測量電橋先后輸出兩個相應(yīng)的不平衡信號,經(jīng)放大處理后,在阻抗平面顯示器上顯示具有一定相位角和幅值的“8”字形軌跡，供判斷缺陷的性質(zhì)和危害程度。4傳感器設(shè)計與制作4.1 傳感器的技術(shù)要求為了提高檢測靈敏度和可靠性，需要使缺陷信號具有足夠的幅度并與其它信號間有足夠的相位差。在多頻渦流中，接成差動形式的檢測線圈構(gòu)成交流電橋的兩臂，電橋電流的檢測靈敏度與線圈阻抗變化率、橋臂系數(shù)及激勵電壓有關(guān)。為了提高檢測靈敏度，可以適當(dāng)?shù)靥岣?/p>

17、電壓和橋臂系數(shù)，以增大檢測線圈阻抗的相對變化率，為此必須合理地選擇線圈的尺寸和參數(shù)。4.2 線圈尺寸的選擇一載流扁平線圈，實際上是多層密繞的螺線管，當(dāng)線圈內(nèi)通過電流I時，電流密度J為：式中ra線圈內(nèi)半徑；rb線圈外半徑；h軸向厚度；n線圈匝數(shù)。設(shè)線圈內(nèi)通過的電流I=10mA,則根據(jù)一定參數(shù)可描繪出扁平線圈軸線上的B0-X曲線，如圖2所示。由圖2可見，線圈外徑大，線圈線性范圍大，靈敏度低；線圈外徑小，線圈線性范圍小，靈敏度高；殘?zhí)阌汕澳π芊?靈敏嚼5;線圈內(nèi)徑不同時，軸向磁場變化很小。因此，為了使外徑一定的線圈有較大的線性范圍和盡可能高的靈敏度，設(shè)計時要盡可能選擇薄的線圈。4.3 線圈參數(shù)的選擇

18、實際繞制線圈時，線圈匝數(shù)可由下式估算：L=40兀rnKn/l式中r線圈平均半徑；n線圈匝數(shù)；l線圈長度；Kn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)。4.4 傳感器的制作制作時，先按設(shè)計好的圖卞¥制作線圈骨架（材料通常采用耐輻射和耐高溫的尼龍棒），其車制工藝要求嚴格、認真，兩個槽的尺寸（深和寬）盡可能一致，而且要求槽壁光滑，不能有毛刺。繞線要均勻、平穩(wěn)。繞制好的線圈的電阻、電感及性能等必須測量，兩線圈的數(shù)值應(yīng)基本相等。最后將繞制好的線圈的引出線和輸出電纜線連接到內(nèi)骨架的接線柱上，并用膠（如環(huán)氧樹脂）封裝。金屬銹蝕的渦流檢測本章所述“銹蝕”是專指鋼鐵和鐵基合金的腐蝕而

19、言，它們在大氣中或工業(yè)環(huán)境里，由于氧和水及其它侵蝕物質(zhì)的作用，形成了主要由含水氧化鐵等組成的銹蝕產(chǎn)物。金屬構(gòu)件在設(shè)計規(guī)定的正常使用周期內(nèi)發(fā)生銹蝕失效嚴重影響其使用壽命，關(guān)鍵零部件的銹蝕破壞可能會產(chǎn)生嚴重后果。長期以來，人們從各個方面深人而系統(tǒng)地研究銹蝕，并采取各種措施預(yù)防、控制銹蝕，如，進行合理選材、防銹設(shè)計、電鍍及表面有機涂覆等。然而，這些方法只能在一定程序上減少銹蝕，銹蝕失效總是難于避免的。因此，工業(yè)銹蝕的在線監(jiān)測便成為一個重要的研究方向。金屬銹蝕后，不僅其表面性質(zhì)發(fā)生變化，而且其重量、厚度、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)等都會發(fā)生變化，這些物理或力學(xué)性能的變化可用來衡量鋼鐵銹蝕的嚴重程度?，F(xiàn)在已有一

20、系列成熟的銹蝕檢測方法供工業(yè)部門選用，如表觀檢查、重量法檢查、失厚測量、腐蝕電流表示法、力學(xué)性能變化法等。其中，只有無損檢測方法能夠在不損傷表面保護層的情況下簡捷地檢測金屬銹蝕狀況。本文提出的“渦流法”就是一種無損檢測法。1實驗過程1.1 試樣及檢測電路為了檢測金屬表面的銹蝕狀況，采用人為銹蝕處理方法，制作了4塊材料均為Q23與岡、幾何形狀相同而銹蝕程度各不相同的試樣，試樣A,B,C,D分別代表沒有銹蝕、輕微銹蝕、中等銹蝕、嚴重銹蝕。為了減少提離距離變化等因素對銹蝕檢測結(jié)果的不利影響，制作了同軸雙線圈渦流傳感器，其內(nèi)、外線圈的電感值分別為80u印口180Uh并采取一定的措施對內(nèi)、外線圈之間進行

21、屏蔽處理，以減少渦流信號之間的相互干擾。實驗中采用的檢測電路框圖見圖3。電讖示放棄計/群端出整躇麥?zhǔn)┱{(diào)電*航信號果洋保守A/D圖3檢到電路組成梅圖1.2 最佳檢測頻率的確定選擇最佳檢測頻率可提高信噪比，提高信號的靈敏度，抑制各種干擾因素的不利影響。最佳檢測頻率既與被測試件的材質(zhì)、表面性質(zhì)有關(guān)，又與測量和抑制干擾參數(shù)所采用的方法有關(guān)。實驗中直接將渦流傳感器置于試塊上，此時提離距離為0,不斷改變激勵信號頻率，分別測出檢測電路的輸出電壓，然后根據(jù)所測數(shù)據(jù)作出輸出電壓與激勵頻率之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。圖4激勵頻率與輸出電壓的關(guān)系由圖4可知，激勵頻率為130kH次右時，輸出電壓幅值最大,進一步的實驗證實在提離距離發(fā)生變化時,各試塊的檢測電路輸出電壓變化量.靈敏度以124kHz寸為最大。因此,可以確定最佳檢測頻率為124kHz。1.3 各試塊的提離效應(yīng)激勵頻率為40kHz（非最佳頻率）時，各試塊的提離效應(yīng)曲線經(jīng)計算機擬合后為近似直線，如圖5a所示。0.3411"""1uIt"-T!0.001.00233m4.005.006伸7.0(1400提離距寓iwn計算機回歸處理后各直線的方程為：試塊A：Yxa=0,297036+0.