電磁無損檢測技術(shù)及應(yīng)用

周德強聯(lián)系方式:zhoudeqiang@電磁無損檢測及應(yīng)用內(nèi)容個人基本情況電磁無損檢測常規(guī)渦流無損檢測遠(yuǎn)場渦流無損檢測多頻渦流無損檢測脈沖渦流無損檢測漏磁無損檢測一、個人基本情況2007.4-2010.6南京航空航天大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器博士學(xué)位2008.9-2009.9受國家留學(xué)基金委資助在英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)電氣電子與計算機學(xué)院從事合作研究2002.9-2005.6華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械化工程碩士學(xué)位1997.9-2001.6長江大學(xué)機械電子工程學(xué)士學(xué)位學(xué)習(xí)經(jīng)歷2011.10-至今無錫國盛精密模具有限公司博士后

2010.6-至今江南大學(xué)機械工程學(xué)院講師碩士生導(dǎo)師2005.7-2007.1江蘇技術(shù)師范學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院

2001.7-2002.6武漢鋼鐵集團公司建設(shè)公司一、個人基本情況工作經(jīng)歷主持項目（1）國家自然科學(xué)基金青年基金（051107053）方向性脈沖渦流無損檢測機理與應(yīng)用研究25萬（2）中國博士后基金5萬（3）2012年入選“江蘇省企業(yè)博士集聚計劃”

20萬申獲專利3項，其中發(fā)明專利2項，實用新型1項。發(fā)表論文20余篇，其中國際期刊3篇（SCI檢索），國內(nèi)重要核心期刊3篇（EI檢索）。一、個人基本情況科研情況二、電磁無損檢測電磁無損檢測定義：利用材料在電磁場的作用下呈現(xiàn)出的電磁特性變化來判斷被測材料組織及有關(guān)性能的一類試驗方法。分類：二、電磁無損檢測分類，以方波為例：、和式中，、、分別為基準(zhǔn)角頻率、振幅譜和相位譜。二、電磁無損檢測分類1）當(dāng)時，為直流漏磁檢測，此時被測試件中不產(chǎn)生渦流。2）當(dāng)，且多項式中僅有一項時，產(chǎn)生單頻激勵。3）當(dāng)時，且多項式中有多項式時，產(chǎn)生多頻激勵。4）當(dāng)具有全頻時，產(chǎn)生脈沖激勵。二、電磁無損檢測激勵磁場的成分從磁場的穿透能力來看，直流磁化能夠穿透鐵磁性構(gòu)件的全斷面，因而能夠激發(fā)出各個部位的缺陷產(chǎn)生出的磁場信息，但對非鐵磁性構(gòu)件直流磁化則無能為力；交流頻率隨著頻率的提高，渦流滲入層面不斷變薄，同時檢測的靈敏度也將不斷提高。2.從信息獲取的角度來看，增加激勵電流中的多項式以至達到脈沖激勵，使得激勵頻率成分不斷豐富，從而有可能得到更多的檢測參數(shù)和方程去評估被測缺陷特征參數(shù)，如多頻渦流、相控陣渦流技術(shù)等。3.從信號處理上看，直流磁化僅包含幅度信息，考慮磁場空間分布即可，交流激勵含有了幅度、相位、頻率等時空信息，因而分析的范圍和參量更復(fù)雜。二、電磁無損檢測三、常規(guī)渦流無損檢測研究意義

輸出與被測體電磁特性有關(guān)

電渦流傳感器性能與探頭線圈結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)相關(guān)

問題1同一企業(yè)或研究機構(gòu)因被測體電磁特性不同需購進不同傳感器問題3檢測國外引進設(shè)備時，因不了解材料電磁特性而無法精確標(biāo)定傳感器。

問題2在野外作業(yè)時，用于測量某一被測體的傳感器出現(xiàn)問題時不能用其他傳感器不能替代

目的1

尋求消除被測體電磁特性對傳感器輸出影響的基礎(chǔ)理論，并研究其實現(xiàn)方法目的2研究探頭幾何結(jié)構(gòu)及其參數(shù)對傳感器性能的影響，對提高傳感器性能提供指導(dǎo)三、常規(guī)渦流無損檢測線圈

被測體輸入

一級磁場

二級磁場

渦流

三、常規(guī)渦流無損檢測三、常規(guī)渦流無損檢測

渦流等效電路單匝線圈的阻抗求解模型Oyxρ’z’I(t)z1區(qū)2區(qū)3區(qū)4區(qū)c1區(qū)：z<-c(c>0)

2區(qū)：-c<z<0

3區(qū)：0<z<z’

4區(qū)：z>z’三、常規(guī)渦流無損檢測軸對稱時諧電磁場本構(gòu)方程約束方程內(nèi)邊界條件無限遠(yuǎn)邊界條件定解問題三、常規(guī)渦流無損檢測柱坐標(biāo)系下SL型本征值問題方程

(1)(2)(3)分離變量法三、常規(guī)渦流無損檢測t=λρBESSEL方程無限遠(yuǎn)邊界條件內(nèi)邊界條件R的通解Z的通解三、常規(guī)渦流無損檢測圓柱線圈阻抗求解模型yOxr1r2dhz線圈c1區(qū)：z<-c2區(qū)：-c<z<03區(qū)：0<z<h4區(qū)：z>d+h三、常規(guī)渦流無損檢測三、常規(guī)渦流無損檢測5區(qū)：h<z<d+h

P(ρ,,z)上部線圈單獨作用

下部線圈單獨作用

三、常規(guī)渦流無損檢測入射場阻抗

散射場阻抗

三、常規(guī)渦流無損檢測圓柱線圈阻抗的數(shù)值計算zρr2r1dhbc

三、常規(guī)渦流無損檢測傳感器磁場有限元仿真及線圈阻抗計算場量隨時間按正弦規(guī)律變化線圈激勵電壓均勻分布忽略探頭運動速度的影響線圈中的渦流忽略不計電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率均為常數(shù)忽略位移電流，按似穩(wěn)場處理忽略被測體電阻率的溫度效應(yīng)假設(shè)三、常規(guī)渦流無損檢測有限元仿真3D模型(a)模型1(b)模型2探頭線圈被測體近場空氣遠(yuǎn)場空氣探頭線圈被測體被限定的空氣三、常規(guī)渦流無損檢測3D分析結(jié)果(b)模型2磁場強度分布圖渦流密度分布圖(a)模型1三、常規(guī)渦流無損檢測3D分析結(jié)果(a)模型1(b)模型2被測體半徑(mm)渦流密度(×103A/m2)12351133103192982772562352141931721507.29.06.38.1被測體半徑(mm)122911271025923821719617515413311209渦流密度(×103A/m2)07.29.06.38.1渦流密度沿被測體徑向分布曲線圖三、常規(guī)渦流無損檢測3D分析結(jié)果表1表2三、常規(guī)渦流無損檢測有限元仿真2D模型xx(a)模型1(b)模型2線圈被測體yBAC空氣線圈無限遠(yuǎn)空氣BA近場空氣被測體D三、常規(guī)渦流無損檢測2D仿真結(jié)果和3D仿真結(jié)果比較可用2D模型代替3D模型進行電渦流傳感器的電磁場仿真和線圈阻抗計算

表4三、常規(guī)渦流無損檢測線圈阻抗理論和有限元計算值比較相關(guān)計算參數(shù)表5表6三、常規(guī)渦流無損檢測結(jié)論：1一定范圍外的空氣對傳感器磁場影響較小2利用軸對稱可將3D模型簡化為2D模型3理論計算法和有限元法得到了相互驗證三、常規(guī)渦流無損檢測(a)非磁性材料電阻(Ω)感抗(Ω)檢測距離(mm)403020100-10-20-30-40-50-60-700.511.52感抗(c=4mm）感抗(c=infinite）電阻(c=4mm）電阻(c=infinite）0檢測距離(mm)電阻(Ω)感抗(Ω)(b)鐵磁性材料

感抗(c=0.04mm）感抗(c=infinite）電阻(c=0.04mm）電阻(c=infinite）非磁性材料的自旋排列圖

鐵磁性材料的自旋排列圖

三、常規(guī)渦流無損檢測消除傳感器與被測材料相關(guān)性的方法方法的提出

感抗L電阻R投影平面Zp(x3)Zp(x2)Zp(x1)Фθx1x2x3Z1Z2Z3Zp3Zp2Zp1●●●O驗證過程：

1.線圈電阻－感抗線性

2.關(guān)系曲線平行

3.線性變化

驗證方法：有限元法和試驗法三、常規(guī)渦流無損檢測方法的驗證——有限元法材料參數(shù)三、常規(guī)渦流無損檢測感抗=76.17467+1.70342×電阻R SD N P0.99981 1.414336 <0.0001同一檢測距離同一條直線三、常規(guī)渦流無損檢測不同檢測距離

平行三、常規(guī)渦流無損檢測三、常規(guī)渦流無損檢測有限元法驗證結(jié)論1.在同一檢測距離下、不同被測材料下線圈電阻和感抗呈線性關(guān)系；2.在不同檢測距離下，線圈電阻和感抗的關(guān)系曲線相互平行；3.檢測距離和各條直線截距不是線性變化的。

三、常規(guī)渦流無損檢測方法的驗證——試驗法探頭阻抗測試試驗系統(tǒng)阻抗分析儀高精度位移標(biāo)定器傳感探頭及延伸電纜夾具三、常規(guī)渦流無損檢測電感(μH)電阻(Ω)90807060502070120電感=0.2759*電阻+47.933R2=0.9925同一檢測距離線性三、常規(guī)渦流無損檢測圖4-14不同檢測距離、不同被測材料下線圈電阻和電感之間的關(guān)系(900KHz)電阻(Ω)9085807570656055255075100125(0.10mm~2.00mm)不同檢測距離平行三、常規(guī)渦流無損檢測直線的相關(guān)參數(shù)三、常規(guī)渦流無損檢測試驗法驗證結(jié)論1.在同一檢測距離下、不同被測材料下線圈電阻和感抗呈線性關(guān)系；2.在不同檢測距離下，線圈電阻和感抗的關(guān)系曲線相互平行；3.檢測距離和各條直線截距不是線性變化的。

三、常規(guī)渦流無損檢測兩種驗證方法結(jié)果比較實驗法

有限元法

基礎(chǔ)理論

0.28431.7010561.6077

斜率

互感M(H)磁場間的距離x(mm)非線性

表明：增加非線性校正環(huán)節(jié)后，可通過提出的方法實現(xiàn)與被測材料無關(guān)的功能三、常規(guī)渦流無損檢測四、遠(yuǎn)場渦流遠(yuǎn)場渦流技術(shù)最早發(fā)表于1951年美國學(xué)者W.R.Maclean的一篇專利報告中。20世紀(jì)50年代末,殼牌公司的T.R.Schmidt教授成功研制出第一個在役遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)，用于油井套管檢測。德國漢諾威大學(xué)利用遠(yuǎn)場渦流技術(shù)對接焊縫進行檢測。日本橫濱國立大學(xué)利用遠(yuǎn)場渦流現(xiàn)象對石油儲罐的底板進行了檢測。美國的IMTT公司已經(jīng)成功的開發(fā)出可應(yīng)用于金屬以及金屬基復(fù)合材料的遠(yuǎn)場渦流檢測儀器，并且具有滲透深、靈敏度高等特點。2/2/202347管道遠(yuǎn)場渦流檢測機理示意圖管材2~3管內(nèi)徑激勵線圈檢測線圈低頻交流電近場區(qū)過渡區(qū)區(qū)遠(yuǎn)場區(qū)區(qū)能量直接耦合通道能量的間接耦合通道四、遠(yuǎn)場渦流四、遠(yuǎn)場渦流

遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)的特征：1.幅值特性曲線出現(xiàn)拐點。2.相位特性曲線出現(xiàn)90°的相位急劇變化。3.間接耦合通道的能量二次穿過待檢測材料。

(a)幅值特性曲線(b)相位特性曲線三、遠(yuǎn)場渦流

將管道中的遠(yuǎn)場渦流檢測方法應(yīng)用到平板導(dǎo)體件中的一個關(guān)鍵就是，能否設(shè)計一個系統(tǒng)，當(dāng)激勵線圈和檢測線圈同在平板導(dǎo)體件的一側(cè)時，使得檢測線圈檢測的也是兩次穿過板厚的間接耦合通道的能量。五、多頻渦流

阻抗分析法（或稱相位分析法）的應(yīng)用使渦流檢測向前跨出一大步，但是，傳統(tǒng)的相位分析法均采用單頻率鑒相技術(shù)，最多只能鑒別受檢測工件中的兩個參數(shù)（即只能抑制一個干擾因素的影響）。單頻渦流檢測雖應(yīng)用較廣，如對管、棒、線材等金屬產(chǎn)品的探傷。但對許多復(fù)雜重要的構(gòu)件，如熱交換器管道的在役檢測，鄰近的支撐板、管板等結(jié)構(gòu)部件會產(chǎn)生很強的干擾信號，用單頻渦流很難準(zhǔn)確地檢出管子的缺陷；又如對汽輪機葉片、大軸中心孔和航空發(fā)動機葉片的表面裂紋、螺孔內(nèi)裂紋、飛機的起落架、輪轂和鋁蒙皮下缺陷的檢測，具有多種干擾因素待排除。五、多頻渦流為了使渦流儀器能在試驗中同時鑒別更多的參數(shù)，就需要增加鑒別信號的元器件，以便獲得更多的試驗變量，才能做到有效地抑制多種干擾因素影響，達到去偽存真的目的，提高檢測的靈敏性、可靠性和準(zhǔn)確性，對受檢工件做出正確評價。多頻/多參數(shù)渦流檢測技術(shù)是1970年美國科學(xué)家Libby首先提出的，該方法采用幾個頻率同時工作，能有效地抑制多個干擾因素，一次性提取多個所需的信號（如缺陷信息、壁厚情況等）。多頻渦流檢測基本原理多頻渦流法是同時用幾個頻率信號激勵探頭，它比用單一頻率作為激勵信號的試驗方法能獲得更多數(shù)據(jù)，檢驗中要如何充分利用所獲取的豐富信號，對這些信號進行分析處理是多頻渦流法所要解決的問題所在。五、多頻渦流二、脈沖渦流檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)脈沖渦流檢測原理試件激勵線圈BexcIeddy霍爾傳感器Beddy~),,,,(excitationrBxfwmr激勵脈沖脈沖磁場瞬時渦流反磁場線圈阻抗的變化或磁傳感器輸出六、脈沖渦流檢測二、脈沖渦流檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)渦流集膚深度的計算

單頻渦流趨膚深度脈沖渦流趨膚深度六、脈沖渦流檢測七、漏磁檢測漏磁檢測方法是一項自動化程度較高的磁學(xué)檢測技術(shù)，其原理為：鐵磁材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁場，通過檢測漏磁場來發(fā)現(xiàn)缺陷。從這個意義上講，壓力容器檢測中常用的磁粉檢測技術(shù)也是一種漏磁檢測，但習(xí)慣上人們把用傳感器測量漏磁通的方法稱為漏磁檢測，而把用磁粉檢測漏磁通的方法稱為磁粉檢測，且將它們并列為