多頻渦流檢測技術、遠場渦流檢測技術(補充講義)

2005年度ET-Ⅰ、Ⅱ級人員資格初試復試考前培訓班

多頻渦流檢測技術、遠場渦流檢測技術（補充講義）

董勇軍華北電力鍋爐壓力容器檢驗中心2005年9月佛山

目錄第一部分：多頻/多參數渦流檢測技術第二部分：遠場渦流檢測技術第一部分：多頻/多參數渦流檢測技術1.1多頻渦流檢測基本原理

1.1.1多元一次方程組消元法

1.1.2多維空間矢量轉換法

1.1.3矩陣代數法1.2多頻分析處理法

1.2.1電位器組合法1.2.2高斯消元法1.2.3座標轉換法1.3多頻渦流儀器及其應用

1.3.1熱交換管的渦流檢測1.3.2利用多參數法顯示被測管的截面圖像第二部分：遠場渦流檢測技術

2.1遠場渦流特點

2.1.1特點

2.1.2遠場渦流檢測系統(tǒng)的組成

2.2遠場渦流方程

2.3遠場渦流圖

2.4遠場渦流效應的機理

2.5遠場渦流探頭

2.6遠場渦流檢測實例第一部分：多頻/多參數渦流檢測技術

渦流檢測過程中，主要通過測量線圈阻抗的變化以檢出工作的缺陷，受檢工件影響檢測線圈阻抗(或稱感應電壓)的因素很多，諸如磁導率、電導率、外形尺寸和各種缺陷等，各種因素的影響程度各異。這些因素對探傷來說是不利的，需要抑制；但事物都是一分為二的，我們正是利用這些因素作為依據，使渦流檢測技術能應用于電阻、溫度、厚度測量，材質分選、振動和轉速測量等領域。渦流檢測的關鍵是從這許許多多的因素中，提取出要檢測的因素。因此，渦流儀器性能的提高是同該儀器是否能有效地消除各種干擾因素，并準確提取待檢因素的信號密切相聯(lián)系的。

阻抗分析法(或稱相位分析法)的應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，最多只能鑒別受檢工件中的兩個參數(即只能抑制一個干擾因素的影響)。單頻渦流檢測雖應用較廣，如對管、棒、線材等金屬產品的探傷。但對許多復雜重要的構件，如熱交換器管道的在役檢測，鄰近的支撐板、管板等結構部件會產生很強的干擾信號，用單頻渦流很難準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，

為了使渦流儀器能在試驗中同時鑒別更多的參數，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、可靠性和準確性，對受檢工件作出正確評價。多頻/多參數渦流檢測技術是1970年美國科學家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)。

1.1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，它比用單零點頻率作為激勵信號的試驗方法能獲得更多數據，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。多頻信號分離法常見的有下列幾種1.1.1多元一次方程組消元法

1.1.2多維空間矢量轉換法

1.1.3矩陣代數法1.1.1多元一次方程組消元法多頻渦流方法每一個檢測通道的信號都是所有影響因素(即試件參數)作用的結果，這個結果的性質與時間及探頭的位置無關，對于幾個作用參數，嚴格地說，要求有幾個獨立的測量通道，以便能將所有的參數分離，使每一個通道表示一個參數。對于信號通道Ci(i=1，2，3，…，n)和作用參數Pi(i=1，2，3，…，n)來說，Ci為C1=a11p11+a12p12+…＋a1np1nC2=a21p21+a22p22+…＋a2np2n……(2-81)Cn=an1pn1+an2pn2+…＋annpnn由于各測量通道都是線性無關的，這個線性方程組可以解得

P1=b11c1+b12c2+…＋b1ncnP2=b21c1+b22c2+…＋b2ncn……(2-82)Pn=bn1c1+bn2c2+…＋bnncn從Ci得到的Pi變換是信號Ci的簡單線性組合，系數bik是aik的單值解，由于在多參數檢測系統(tǒng)中，需要的是實際變量分離，并不要求得到整個方程組的解，因此，盡管aik和bik-預先都不知道，仍然可以通過相應的電子電路來實現(xiàn)參數的分離。1.1.2多維空間矢量轉換法

我們也可采用多維空間矢量轉換的方法，對參數(即變量)的響應函數進行解釋。如圖2-102所示，試件參數采用矢量P表示，在多維矢量空間，矢量P是由P1、P2、…Pn所組成激勵函數被試件參數調制后，轉換成信號的多維空間C。信號矢量C也是一個合成矢量，它具有分量C1、C2、…Cn。然后，信號空間有轉換成估算參數q的空間。矢量q同樣具有分量q1、q2、…qn，并響應試件能數P1、P2、…Pn。

可見，多參數試驗方法主要包括兩個轉換，第一個是試件參數對探頭激勵信號的調制，即試件參數量P轉換成信號矢量C；第二個則是信號矢量C經過計算而轉換成估算參數矢量q。

1.1.3矩陣代數法

從試件參數P空間到信號C的轉換，可以由下面的矩陣方程來表示：[B][M(B)]P]=C](2-83)式中，[B]是對角線矩陣，代表具有分量b11、b12、…bnn的多維矢量激勵信號；[M(B)]是調制矩陣。即表示調制因素，該矩陣的各元也是激勵信號矢量[B]的函數；P]是列矩陣，具有分量P1、P2…Pn，它表示試件各種參數的影響；C]列矩陣同樣具有分量C1、C2…Cn表示探頭信號輸出信號。令[B][M(B)]=[A]，方程(2-83)可簡化為[A]P]=C](2-84)用[A]-1同乘以式(2-84)的兩邊，即可得到P]=[A]-1-C](2-85)[A]-1的矩陣元素給出對轉換裝置中組合電路的調整。根據[A]-1矩陣元素的調整可以得到P的全部解，但是在實際應用中，完整的解是不需要的，我們僅僅需要實現(xiàn)參數的分離。上述[A]-1與矩陣[A]的行列式和伴隨矩陣Adj[A]的關系為[A]-1=(2-86)把式(2-85)代入式(2-86)后，可以得到P]=(2-87)除去分母，并給式(2-87)的兩邊都乘以對角線矩陣[Dc]得到(2-88)式中，伴隨矩陣Adj[A]表示參數的分離能力，其作用是使轉換裝置經過調整后可以實現(xiàn)對參數的分離；對角線矩陣允許具有矩陣元素的任何方便值，可以實現(xiàn)對靈敏度的調整。值得指出的是，只有在[A]矩陣的行列[A]的值不等于零的情況下，參數分離才可能進行。如矩陣[A]是奇異矩陣，則行列式為零，式(2-87)即為零，實際上是無法實現(xiàn)參數分離的。1.2多頻分析處理法

信息傳輸理論中，香農-哈特萊(Shannon-Hartley)定理指出：一個信號所傳輸的信息量同信號的頻帶寬度W，以及信噪比(1+)的對數成正比，用公式表示為C=W1og2(1+)(2-89)式中，c是信息的傳輸率，單位為Bt／s；W是頻帶的寬度：為信噪比。

上式表明，在信息的傳輸過程中，使甩頻率的個數越多(即頻帶)，獲取的信息量越大。因此，可根據檢測對象同時需檢各部(如管的內壁、外壁)和要排除的干擾信號(如支撐板、管板和抖動等)，有針對性地選擇多個頻率的電流去激勵檢測線圈，然后，對受檢試件作用參數調制的輸出信號加雙放大，按頻譜濾波并解調，并把解調信號的各個分量以指定的方式組合起來，使得各個彼此獨立的信號通道僅僅輸出與一個待檢測參數有關的信號。

多頻渦流法的信號流圖如圖2-103所示；多頻率信號發(fā)生器為探頭裝置提供激勵信號。受試件參數的影響，探頭的響應信號r2(t)中包括了試件參數影響的調制信息。與此同時，多頻率發(fā)生器也提供一個激勵信號給補償電路，由補償信號電路給出補償信號r3(t),并對探頭信號r4(t)進行調整，然后把調整后信號傳送給濾波器和放大器。

在多頻率系統(tǒng)中，信號的分離是采用帶通濾波器或檢波。放大器的輸出信號傳送給頻譜分析儀后，頻譜分析儀在展開信號時，將產生正交基函數的系數Ci，(按正交傅立葉級數展開，其基函數是各種不同頻率的正余弦函數)。Ci的級數取決于對信號的要求，當所給試件參數不隨時間變化時，這些系數信號也同樣固定：但由于工件狀態(tài)的改變，系數信號也將隨響應信號的調制而改變。最后，系數信號被輸入轉換電路，通過不同比例，不同極性的組合后提供估算信號Qi的輸出，并經計算得試件參數。

信號處理系統(tǒng)中的轉換電路是多頻渦流試驗法的重要環(huán)節(jié)，實際上一個典型的單頻渦流檢測裝置便具有兩個通道(感應電壓的實數和虛數部分)。假定線性變換是成立的，便可通過解多元一次方程組將兩個參數分離到各自的通道中。這樣，作為待檢信息的一個參數(如缺陷信號)便可以從另一個干擾參數(如提離效應)中分離出來。在多頻渦流檢測中，實現(xiàn)參數分離的變換可以采用電位器組合法或座標旋轉琺。當采用電位器組合法時，作為每一個信號通道的相應電路是對應于輸入系數電位器的加法器。在檢測時，可以通過電位器的調整在各個通道中分別實現(xiàn)相應的參數分離。座標旋轉法按照正弦一余弦函數一同變化，通過座標旋轉(即旋轉信號的相位)，使干擾參數的信號位于水平方向上，來實現(xiàn)參數的分離。多頻檢測法是單頻檢測技術的拓寬，為了實現(xiàn)多參數的分離，換電路同樣可以采用電位器組合法或座標旋轉法工作。1.2.1電位器組合法以兩頻四參數的雙頻渦流檢測為例，試驗裝置如圖2-104所示。信號發(fā)生器同時產生兩個頻率Fl和F2激勵信號。一路供給檢測線圈，產生經試件調制后的信號電壓，然后通過對頻率Fl和F2的選頻放大，在相敏檢波器與信號發(fā)生器給出的頻率Fl和F2的參考信號進行比較，給出系數C1、C2、C3、C4。這些信號經轉換電路實現(xiàn)參數分離后，便可以從每個通道輸出與試件參數相應的信號。利用電位器組合法實現(xiàn)四參數分離的轉換電路邏輯功能圖(如圖1—105a所示)，經過轉換電路對信號的處理后，各個通道的指示電表便顯示出僅與對應參數有關的讀數。

圖2—106a為一個通道的線路組成，它由倒相放大器A、系數電位器w、累加電阻R和累加放大器A組成。當輸入信號c1、c2，、c3、c4到來，由倒相放大2S控制輸入信號的極性，然后分別調節(jié)系數電位器Wij用來選擇不同比例的系數信號，并通過累加電阻和放大器來累加各系數電位器的輸出，以產生與參數p相對應的輸出信號e，實現(xiàn)參數的分離。圖2-106轉換電路工作原理圖a)電路原理圖b)信號流線圖1.2.2高斯消元法

電位器組合法的調整比例比較繁瑣，而且難以收到預想的效果，所以，根據上述工作原理，派生出一種改進的轉換方法——高斯消元法。高斯消元法足求解線性代數方程組的一種方法，它的基本思想反應在方程組系數矩陣的計算上。線性代數方程組，一般形式為a11x1+a12x2+…+a1nxn=P1a21x1+a21x2+…+a2nxn=P2……(2-90)an1x1+an2x2+…+annxn=Pn寫成矩陣的形式為（2-91）若用每行乘（除）以常后，再與其它行相加減，使它經過一系列的消元，即(2-92)最后成為上三角行矩陣(其中*號表示非零元素)。這時，最末—個方程實際上已經解出，將它代入倒數第二個方程，求出倒數第：個未知數……。這樣過“消元”和“回代”兩個過程，便可求得方程組的令部解。根據高斯消元法工作的轉換電路可以逐次消除信號中的干擾參數，最后取出需要的信號，實現(xiàn)參數分離。

1.2.3座標轉換法

在單頻渦流法中，應用相敏技術，可以使相敏檢波器的檢測方向(即輸出信號方向)與某一干擾參數的信號方向垂直，這樣，便能抑制千擾參數的影響，使輸出信號只含有帶檢參數的信息‘實際上，多參數分離的坐標轉換法就是單頻率相敏技術的推廣。它可以多次利用坐標旋轉，消除需要抑制的參數信息，從而實現(xiàn)參數分離。

圖2-107旋轉轉換器電路原理圖圖2-107是座標轉換法中所用—個單元的旋轉轉換電路的電原理圖。當x、y參數信號輸入時，由運算放大器A1、A2、A3、A4進行符號變換，使其值變?yōu)閤和-x、y和-y，并把它們分別加到兩個正余弦電位器上。正余弦電位器有兩個旋轉臂輸出，第—個電位器的輸出為-xcos和ysin，而同軸的第二個電位器的余弦臂和第一個電位器的余弦臂相差180o安裝，它的輸出為ysin和-ycos，把這兩組信號進行組合，其組合方式是：第一個電位器的輸出-xcos.和第二個電位器的輸出ysin到加法器A5中相加，得到第一組輸出El=xcos-ysin；第一個電位器的輸出-xsin和第二個電位的輸出-ycos到加法器A6里相加，得到第二組輸出E2=xsin+ycos。這里，表示電位器公共軸從參考角起的旋轉角度。例如，當=時，輸出E1=-ysin，僅與輸出參數y有關；而輸出E2=xsin僅與輸入參數x有關。很顯然，通過對正余弦電位器的調節(jié)，可以改變被轉換的輸出信號與輸入信號之間的關系，實現(xiàn)對輸入信號的參數分離。圖2—108是這種旋轉法的一種組合方式的簡化原理圖(以四參數分離為例)。當有信號輸入時，經過頻譜分析儀的展開，系數信號C1、C2、C3、C4被輸入旋轉器單元，這一單元由三個單元旋轉轉換器組合。當信號c1、C2送入第—個旋轉器單元時，經旋轉1角度后，只取C1軸上的投影值(消去參數C2的影響)：然后把這一值與C3在第二個旋轉器上組合，經旋轉2角度，在輸出端也只取C1，軸上的投影值；最后把再與C4進行組合，將第三個電位器旋轉3角度，給出所需要參數的分離值和，并分別加到x-y示波器的水平和垂直輸入端進行顯示。經過上述轉換，可以分離出一個參數。當需要同時分離四個參數，只要用相同的四組轉換裝置就行了。除此，也可采用適當組合的旋轉電路逐次旋轉、逐次分離的方法實現(xiàn)參數分離，但這里所用的旋轉電路是單頻渦流儀中常用的移相器。如圖2-109所示四參數分離過程的信號流圖，其中，C1、C2、C3、C4是輸入信號，Tφ1、Tφ2：、Tφ3，、Tφ4：即為移相器或相位旋轉器。假設在試驗參數P1、P2、P3、P4中，需要參數P1，消除P2、P3、P4參數的干擾，便可以分三步來實現(xiàn)。第一步，旋轉Tφ1、Tφ2、Tφ3使參數P4：的信號在兩維示波器熒光屏上的投影處于水平位置，這樣，第一級向第二級Tφ4、Tφ5，的輸出中就不含P4參數信號(只輸出信號的垂直分量)。第二步，調整Tφ4、Tφ5，使參數P3的信號處于水平軸位置，即消除P3的影響。最后，通過旋轉Tφ6，使P2的信號處于水平位置，把P1，分離出來(實際上是在垂直上的分量)，實現(xiàn)了參數的分離。圖2-110旋轉單元框圖圖2—110是實現(xiàn)逐次旋轉轉換的—種單元轉換電路的原理圖。圖中輸入信號C1和C2各自可以分解為Xc1、Yc1和Xc2、Yc2二個相互垂直的分量。W1和W2為形狀因子調節(jié)器，可以獨立地調節(jié)信號的二個相互垂直的分量(即調節(jié)示波器)熒光屏上圖像的形狀)。相位旋轉器Tφ可以調節(jié)信號Cl的相位，通過了Tφ的調節(jié)可以使C1和C2中需要消除的參數矢量的相位達到一致，然后通過減法器消除它的影響，實現(xiàn)參數分離。1.3多頻渦流儀器及其應用

大家知道，渦流檢測時，使用一個頻率在復數阻抗圖中就有虛數分量X和實數分量R兩個信號。用n個頻率在理論上就存在2n個通道，則有2n-1干擾信號可以從缺陷信號中被分離掉。各通道信息的組合，利用多頻技術可以抑制于擾信號并區(qū)分出缺陷類型。缺陷信號和干擾信號對探頭反應是相互獨立的，二者共同作用的反應為單獨用時反應的矢量相加。利用這一特點，我們可以改變檢測頻率來改變渦流在被檢測材料中的大小和分布，使同一缺陷或干擾在不同頻率下對渦流產生不同的反應，通過矢量運算，消去干擾的影響，僅保留缺陷信號。

多頻技術就是用幾個不同頻率同時激勵探頭線圈，根據不回頻率對不同的參數變化所取得的檢測結果，通過上節(jié)所述的方法分析處理，提取所需信號，抑制不需要的干擾信號。

圖2-111三渦流檢測原理

圖2-111為三頻渦流檢測的原理圖，F(xiàn)2為基本探傷頻率，F(xiàn)3、F1分別為消除支撐板信號和本底噪聲信號的輔助頻率。若將三個頻率中F1、F2、F3的正弦振蕩器激勵電流I2、I2、I3，同時注入差動線圈內，即在線圈周圍產生與I1、I2、I3對應的合成磁場，使處在線圈周圍的管壁內也產生相應的渦流。所以，當管壁出現(xiàn)缺陷，通過F1、F2、F3各頻率單元內的單通濾波器將F1、F2、F3的阻抗變化信號分別檢出、放大、移相等處理。

為了消除探傷頻率F2中不必要的支撐板信號，即將頻率單元F3檢出的支撐信號進行增益、相位、形狀系數調節(jié)，使其與F2頻率單元檢出的支撐板信號的大小、相位、形狀均相等，然后同時送入混合單元C1的矢量減法器中相減而消除。同樣，為了消除探傷頻率F2中無用的本底信號即將頻率單亓F1檢出的本底噪聲信號作增益、相位、形狀系數調節(jié)，使其與F2頻率單元檢出的本底噪聲的大小、相位、形狀均相等，然后同時送入混合單元C2的矢量減法器中相減而消除。從而達到“去偽存真”，提高渦流檢測的可靠性和靈敏性。1.3.1熱交換管的渦流檢測

應用渦流法檢驗管材時，總是有多種參數的影響效應產生，使缺陷信號常常淹沒在其它信號中，以致造成漏檢或錯檢。因此，如何抑制干擾信號，可靠地發(fā)現(xiàn)缺陷的深度，直是管材探傷中的重要課題。蒸汽發(fā)生器是核電站的主要部件之一，因為它包含有數干根熱交換管子，在高溫高壓狀態(tài)下工作，受到腐蝕、振動、磨損、擠壓等外部因素的影響，容易受到損壞而泄露。蒸汽發(fā)生器是核電站運行中最容易產生問題而引起事故的主要部件。因此蒸汽發(fā)生器管子的役前和在役檢查是確保核電站安全運行的重要環(huán)節(jié)。蒸汽發(fā)生器管子的在役檢查由于受支撐扳、管板、凹痕、磁性沉積物、探頭擺動以及管子內徑不勻引起噪聲等干擾因素的影響，傳統(tǒng)的單頻渦流檢測已無能為力了，多頻侈參數渦流檢測技術的發(fā)展，為核電站蒸汽發(fā)生2S管子的檢驗提供了有效的手段。在這類用途的多頻率渦流儀器中，用于參數分離的轉換系統(tǒng)(或稱混合單元)是儀器的重要組成部分，大多采用坐標旋轉的工作方式(如圖2-110所示)。圖2—112是用F1=80kHz和F2=48kHz同時激勵檢測線圈，得到兩幅頻率分別為F1，F(xiàn)2的阻抗圖形。從圖中可見，它們之間的支撐板圖形有三個特點：①幅度不同；②形狀不同：③相互之間呈現(xiàn)不同的取向。保持F1的參數不變，將F2圖形經過因子變換，即改變圖形的水平和垂直比率以及圖形旋轉等處理，把F2圖形上的支撐板軌跡調節(jié)成與F1圖形上支撐板軌跡一致(見圖2-113)。將兩形矢量相減，即可消除支撐板信號，由于F1圖形與作了處理的F2圖形，缺陷相位、幅度均不相等，缺陷信號仍可以保留。

假設C1、C2為分別在頻率Fl和F2下得到的測試結果，其中A1（S）、A2（S）分別為缺陷在F1和F2下的響應，Bl(S)、B2(S)分別為某一干擾源在F1和F2下的響應。則有：C1=A1(S)+B1(N)(2-93)C2=A2(S)+B2(N)(2-94)可以看出在某一頻率下的綜合檢測結果為缺陷和干擾源對探頭阻抗影響的矢量和。若令δ為調節(jié)因子，并使δB1(N)=B2(N)，則有：

δC1=δA1(S)+δB1(N)(2-95)由上式得到：

δC1-C2=δA1(S)-A2(S)

(2-96)

此時的測試結果只與缺陷有關，是缺陷的單值函數，這就抑制丁干擾。

多頻與單頻渦流探傷信號比較參見圖2—114。

1.3.2利用多參數法顯示被測管的截面圖像

多參數渦流檢測的一個發(fā)展是對于管材截面的圖像顯示，它可以將被檢測管子的截面形狀表現(xiàn)在直觀的圖像中。這種檢測裝置的原理框圖如圖2—115所示，由多參數渦流探傷裝置為信號分離提供所需要的信號，然后由類似于雷達定位平面指示器的顯示系統(tǒng)顯示被檢管截面的圖像。圖2-115可顯示管理子截面圖像的多參數渦流探傷裝置1—多參數渦流探傷儀2—探頭線圈3一被檢管子4—振幅對脈部定位調制器5—驅動電動機6—分解器7—多諧振蕩器8—相位檢測器9—調制擋描發(fā)生器10—平面定位11—顯示圖形該試驗系統(tǒng)采用管材旋轉推進的工作方式，當管子旋轉時，分解器在受到振蕩器來的信號(例如頻率為5kHz)激勵之后，能同步地輸出帶有管子旋轉信息(即角度位置)的交流信號。這些信號通過環(huán)形解調器的變換后，為水平和垂直掃描發(fā)生器輸山管子的旋轉信息，隨后，為陰極顯象管提供電子束的偏轉信號。當管子固定時，徑向掃描方向不變，電子柬以5kHz的速率從中心位置掃描到最邊沿位置，如果管子轉到一個新的角度位置，電子束的徑向掃描方向也隨著發(fā)生變化，管子旋轉一周，電子束也隨著將整個熒光屏掃描一遍。為了顯示管子的截面形狀，將多參數渦流儀的信號輸入到振幅一脈沖位置調制器中。其中，假設通道P1和P3分別對應于管子內、外表面的信號通道，通道P2代表管子結構內部的信號通道。當用標準管調整時，P1和P3，通道輸出的信號用來增加陰極射線管的圖像顯示，P2通道沒有輸出，熒光屏顯示出表示管了內、外表面的圓形亮基線。一旦管子的內、外表面缺陷存在，多參數渦流儀的P2通道有信號輸出，引起圓形亮基線的畸變，這樣，就顯示了圍繞管子四周內、外表面缺陷的相對位置。

圖2—116即為用70kHz和250kHz的雙頻渦流儀對帶有內、外表面缺陷及內部缺陷不銹鋼管的檢測結果。由圖可以看出，內、外表面的人工缺陷和內部鉆孔的相對位置均在陰極射線管熒光屏上顯示的管子截面圖像中很準確地表示出來。圖2-116模擬管缺陷的截面顯示a)標準試件b)示波器屏幕顯示第二部分：遠場渦流檢測技術

遠場渦流（RFEC.RemoteFieldEddyCurrent）檢測技術是一種能穿透金屬管壁的低頻渦流檢測技術。探頭通常為內通過式，由激勵線圈和檢測線圈構成，檢測線圈與激勵線圈相距約二倍管內徑的長度，激勵線圈通以低頻交流電，檢測線圈能拾取發(fā)自激勵線圈穿過管壁后又返回管內的渦流信號，從而有效地檢測金屬管子的內、外壁缺陷和管壁的厚薄情況。50年代末，遠場渦流檢測技術首先用于檢測油井的套管。但當時由于人們對遠場渦流技術的認識很有限，且電子技術也不太發(fā)達，遠場渦流檢測法未能得到充分的發(fā)展。直到80年代中期，隨著遠場渦流理論的逐步完善和實驗驗證，遠場技術用于管道（特別是鐵磁性管道）檢測的優(yōu)越性才被人們廣泛認識，一些先進的遠場渦流檢測系統(tǒng)也開始出現(xiàn)，并在核反應堆壓力管、石油及天然氣輸送管和城市煤氣管道的檢測中得到實際應用。目前認為遠場渦流檢測是管道在役檢測最有前途的技術。2.1遠場渦流特點

2.1.1特點

2.1.2遠場渦流檢測系統(tǒng)的組成

2.1.1特點

采用穿過式探頭（見圖2-120），檢測線圈與激勵線圈分開，且二者的距離是所測管道內徑的二至三倍；采用低頻渦流技術能穿過管壁；主要用于石油天然氣管道和油井管道等；需要檢測的不是線圈的阻抗變化，通常是測量檢測線圈的感應電壓與激勵電流之間的相位差；激勵信號功率較大，但檢測到的信號卻十分微弱（一般為微狀）；能以相同的靈敏度檢測管壁內外表面的缺陷和管壁變薄情況，而不受趨膚效應的影響；檢測信號與激勵信號的相位差與管壁厚度近似成正比，“提離效應”很小。

圖2-120遠場渦流檢測探頭采用遠場技術進行檢測，其靈敏度幾乎不隨激勵與檢測線圈間距離變化而變化，探頭的偏擺、傾斜對結果影響很小。此外，這種檢測方法由于采用很低的頻率，檢測速度慢，不宜用于短管檢測，且只適用于內穿過式探頭。若采用外穿過式探頭，靈敏度將下降。實驗表明，采用外穿過式探頭，靈敏度將下降50%左右。2.1.2遠場渦流檢測系統(tǒng)的組成

遠場渦流檢測設備一般由下列五個部分組成：

①振蕩器：作為驅動線圈的激勵源，同時提供相位測量的參考信號。②功率放大器：用來提高激勵源的功率。③探頭的驅動定位裝置：它包括探頭和確定探頭軸向位置的編碼和數據計算系統(tǒng)。④相位及幅值檢測器：通常選用鎖相放大器來測量檢測線圈的信號。⑤微型計算機：用于儲存、處理和顯示檢測信號和數據。圖2-121是遠場渦流檢測系統(tǒng)原理框圖。遠場渦流檢測線圈感應電壓及其相位隨兩線圈間距變化特性曲線如圖2-122所示。由圖可以看出，隨兩線圈間距的增加，檢測線圈感應電壓的幅值開始急劇下降，然后變化趨于緩慢，而相位存在一個躍變。通常把信號幅值急劇下降后變化趨緩而相位發(fā)生躍變之后的區(qū)域稱為遠場區(qū)；靠近激勵線圈信號幅值急劇下降區(qū)域稱為近場區(qū)；近場區(qū)與遠場區(qū)之間的相位發(fā)生較大躍變的區(qū)域稱為過渡區(qū)域。圖2-121遠地渦流檢測系統(tǒng)原理框圖

1—管外壁檢測信號幅值2—管內壁檢測信號幅值3—管壁內壁檢測信號相位曲線圖2-122檢測線圈信號特征2.2遠場渦流方程

在圖2-12中，當低頻交流電通過激勵線圈，它應在線圈周圍空間產生一個緩慢變化的時變磁場B，根據法拉第電磁感應定律，時變磁場B又在其周圍空間激發(fā)出一個時變渦旋電場E，在該電場的作用下，在金屬管壁內形成渦流場Je，同樣，渦電流會在其周圍空間產生一個時變的磁場，因此，在激勵線圈附近金屬管壁內外空間的磁場是由線圈內的傳導電流場J和金屬管壁管渦流場Je產生的磁場的矢量和。因為是低頻，所以時變渦旋電場產生的位移電流完全可以忽略，于是，激勵線圈周圍空間的電磁場滿足下面麥克斯韋方程組，即：(2-106)引入矢量磁位A，則有(2-107)將式（2-107）代入式（2-106）中的第二個方程，并不考慮恒定場，則得(2-108)又因：(2-109)將式（2-109）代入式（2-106）中的第一個方程可得(2-110)式（2-110）是在激勵線圈的附近金屬管壁內外區(qū)域，描述遠場渦流現(xiàn)象的擴散方程，式中，μ，σ是金屬管材的磁導率和電導率。對于時諧電磁場，由矢量恒等式，并考慮到，則式（2-110）可簡化為(2-111)式中，，分別是傳導電流密度矢量和矢量磁位的復振幅矢量。在圓柱坐標中，，均只有θ方向分量，且只是r，z的函數，因此，在軸對稱的情況下，式（2-111）可簡化為(2-112)采用“有限元”法求解方程式（2-112），借助電子計算，即可求得遠場渦流的空間分布。2.3遠場渦流圖

圖2-123是一個載流線圈在三種條件下有限元計算出的磁場空間分布圖。其中圖a是空氣中載流線圈的磁分布圖，磁場只是由線圈中的傳導電流產生，圖b是在非導電磁性管材影響下線圈中傳導電流的磁場分布圖，圖c中的磁場則是線圈中的傳導電流和磁性導體管壁中的渦電流二者產生的磁場矢量和。a)空氣中b)非導電性磁管中c)導電性磁管中圖2-123處于不同情況下載流線圈的磁場分布為了更好的了解遠場渦流分布特性，把圖2-128c局部放大，如圖2-124所示，有限元計算結果表明，90%的磁通被緊緊的束縛在激勵線圈附近，9%的磁通在距離激勵線圈一個管徑以內的區(qū)域，只有1%甚至更少的磁通向管內的遠處擴散，而對遠場渦流檢測線圈起作用的磁通大約只占0.1%的總磁通（具體數值隨檢測線圈的位置和管壁厚度而定），所以檢測線圈的感應電壓只有微伏級，因此，這一無損檢測技術實際上是“渦流檢測的弱場效應”。圖2-124“遠場效應”中的強場區(qū)和弱場區(qū)

由圖（2-125）可以看出，在距激勵線圈1～2倍管直徑的過渡區(qū)域內，存在一個深而窄的“磁位同峽谷”（簡稱“位谷”），在這個位谷中，矢量磁位A幅值達到極??；同時，圍繞位谷，矢量磁位A的相位發(fā)生突然改變，因此，位谷處又稱為“相位結點”，隨著激勵頻率的升高，還會出現(xiàn)多個“相位結點”的現(xiàn)象，如激勵頻率為960Hz，在過渡區(qū)域內就有三個“相位結點”。圖2-125檢測線圈感應電壓特性曲線圖2-125是在f=40Hz的條件下，檢測線圈感應電壓幅值與相位ψ隨兩線圈間的距離Z變化的特性曲線。由圖可以看出，在靠近激勵線圈附近，檢測線圈的感應電壓幅值急劇下降，而在二倍管直徑之外，感應電壓幅值減小緩慢，感應電壓的相位大約在二倍管直徑處發(fā)生跳躍式變化，這個相位突變處正是“相位結點”處。另外，檢測線圈感應電壓還有以下特點：①激勵頻率的增加（f=10～160Hz），近區(qū)感應電壓幅值增加，遠區(qū)則減?。黄湎辔浑S頻率增加而增加，且過渡區(qū)移離激勵線圈。②被檢管內內徑增加（保持壁厚不變），感應電壓幅值衰減減小，而相位則不隨管子直徑增加而增加。③管壁厚度增加，近區(qū)感應電壓幅值衰減變化很小，在遠區(qū)則衰減增大，且過渡區(qū)移離激勵線圈，相位滯后隨壁厚增加而增大。④管子缺陷影響，遠場渦流探頭無論是對內徑管壁不均勻性還是對外徑管壁不均勻性都有同等的靈敏度。⑤探頭在管內移動速度變化的影響，速度在以10m/s下，磁場畸變不太明顯，當速度大于50m/s時，磁場有相當大的畸變，因而會影響探頭的響應曲線。2.4遠場渦流效應的機理1）似穩(wěn)場2）擴散場——滯后效應1）似穩(wěn)場滿足式2-110的電磁場稱為似穩(wěn)電磁場，或者說，與傳導電流相比，位移電流可以忽略的電磁場稱為似穩(wěn)場。空氣中激勵線圈周圍的似穩(wěn)場有以下特點：①滯后效應可忽略。在似穩(wěn)區(qū)域內，電磁場傳播時相位滯后可忽略，或者說，在似穩(wěn)區(qū)域內各點的電磁場的相位與激勵電流是同樣的，這是因為，電磁場是以光速傳播氫在靠近激勵線圈周圍傳播的時間可忽略。設流過線圈的電流i=Imsinωt（2-113）則有H=eHHm（r，z）sinωt（2-114）式中，Hm（r，z）是磁強度的復振幅，它是空間坐標的函數；eH是H方向上的單位矢量。②線圈周圍磁場的瞬時空間分布與直流線圈的恒定磁場空間分布完全相似。③束縛場令矢量磁位為A=eAAm（r，z）sinωt（2-115）則E=（-eE）Am（r，z）cosωt=（-eE）Em（r，z）cosωt（2-116）于是，坡印亭矢量為Pm=E×H=ep·pmsin2ωt（2-117）式中，Pm=EmHmsinα，α是E和H之間的夾角；Ep=（-eE）×eH是P方向上的單位矢量。圖2-126線圈磁場分布和坡印亭矢量圖2-127線圈似穩(wěn)電磁場和功率流密度曲線由圖2-126和圖2-127可以看出，當正弦電流i通過激勵線圈時，在第一個1/4周期內，電流由零逐漸增大到最大值，線圈吸收能量，并把該能量轉化為磁場能量。在這個過程中，磁力線向外擴張，坡印亭矢量也指向外，其值為正。在第二個1/4周期內，電流i由最大值逐漸減到零，線圈象個電源把能量放出。第三、四兩個1/4周期與第一、二兩個1/4周期情況相似，所不同的是電流和磁場方向兩者相反，可見激勵線圈周圍的電磁能量受電源束縛，在電流的每個周期內，兩次往返反于電源與電磁場之間，或者說，電磁場能量在電源與電磁場之間來回振蕩，其頻率是交變電流頻率的2倍，坡印亭矢量的周期平均值為零，即（2-118）這說明，線圈周圍的似穩(wěn)電磁場受電源束縛，不能向外傳播，故有時又稱為束縛場或感應場。

2）擴散場——滯后效應當激勵線圈置于導電磁性管內時，如圖2-120所示，這時線圈周圍的磁場分布變得極為復雜，為了理解金屬管壁中的電磁場運動過程，我們先來看看最簡單的一維渦流場的特性。當半無限大導體表面有一平行y方向上的交變磁場為則通過角一維渦流方程，可求得導體中的電磁場和渦流場為（2-119）（2-120）（2-121）式中，是趨膚深度，是導體表面處的渦流密度。上式（2-119）～（2-121）可以看出，導體中的渦流場和電磁場是擴散場，由于渦流引起的損耗，電磁場在擴散過程中，不但振幅隨向導體內深入而按指數衰減，而且相位也越來越滯后，這種因衰減引起“滯后效應”使得導體內的電磁場具有似波性，即具有：

①擴散速度v，由相位滯后可求得相移速度或擴散速度為（2-122）當f=40Hz，μr=250，σ=0.7×1071/Ω·m時，由式（2-128）算得：v=0.479m/s?？梢婋姶艌鲈趯w中擴散速度遠小于電磁場在空氣中的傳播速度，且不同頻率的電磁場的擴散速度不同。②擴散能量流。在導體中，通過與電磁場傳播的方向垂直的單位面積的周期平均能量流密度為：（2-123）可見，電磁能量由導體表面向其內部傳播，且隨著向導體內深入而按指數規(guī)律衰減。在導體中，磁能密度遠大于電能密度。金屬管壁中的渦流是極其復雜的軸地稱二維場，其中，電磁場的運動與一維場類似，在管壁內形成一個由內向外的擴散電磁場，隨著向管壁內部深入產生相位滯后，并以類似于式（2-122）決定的速度形成擴散能量流。當擴散電磁場穿出管外壁后，徑向擴散能量流立即消失，

經過管壁的擴散損耗，在穿出管外的磁場中主要是緊靠激勵線圈占總磁通量90%的那部分磁場，作為二次源，這部分磁場在磁性導管的引導下沿管外表面向前傳播，但同時仍受致電源的束縛，在磁力線向內收縮時，又由管壁外表面窗入管壁內，并再次形成向管內擴散的能量流。

在直接耦合區(qū)的管壁內，這股向管內的擴散能量流與向外擴散的能量流相比小得多；在過渡區(qū)的管壁區(qū)，兩者大小可能相當，因此，在某處兩股反向擴散的能量流相遇，相互抵消形成“位谷”；在遠區(qū)的管壁內，向內擴散的能量流是主要的，當它穿過管壁進入管內后，其中的磁力線穿過檢測線圈產生感應電動勢。若管壁厚度為h，則磁場兩次穿過管壁造成的振幅衰減和相位滯后由下式決定。

（2-124）在管壁無缺陷時，檢測線圈的感應電壓與激勵電流間的相位滯后正比于壁厚與趨膚深度倒數的乘積，管壁存在裂紋、凹坑及腐蝕等缺陷時，管壁厚度減小，因而導致檢測信號相位差減小和幅值增大，于是管道缺陷被發(fā)現(xiàn)。由于磁場在管外表面和管內經過的途徑差異不會產生相位滯后，所以檢測信號的相位差只與管壁厚度有關，而與“提離效應”無關，且對管壁內外表面的缺陷具有相同的檢測靈敏度，而不受“趨膚效應”的影響。但是，這并不是說“趨膚效應”不影響遠場渦流檢測，相反，正是由于存在“趨膚效應”，使得檢測信號極其微弱，例如在圖2-123，當管壁厚為0.2in（=5.08mm）時，經過兩次在管壁中的擴散衰減，磁場強度減小為原來的4.8%。擴散運動的似波性，往往被誤認為電磁場在管壁中以電磁波的形式傳播。盡管電磁場在管壁中沿擴散方向形成相位滯后和能量以一定的速度向前傳播，但是，這個擴散場仍然是似穩(wěn)場，而不是輻射場，即不是電磁波。原因之一是，時變磁場可以在管壁中產生時變電場，但是反過來，時變電場對磁場的影響卻微乎其微，因而不能形成磁場和電場相互激勵產生電磁波；原因之二是，磁場的邊界效應遵循恒定磁場在邊界面上的折射定律，即（2-125）圖2-128是有限元計算出的激勵線圈附近的磁場分布（管外徑=50.8mm，管內徑=38.1mm）。

a）μ=50μ0b）μ=μ0圖2-128不同磁導率分布圖圖a是磁性導電管，管壁內外表面的磁力線幾乎與管壁垂直，鐵磁性管壁內外表面近似是個等磁位面；圖b是非磁性導管，磁力線直穿內外管壁表面，不改變任何方向。這兩種邊界情況，磁力線完全遵循恒定磁場的折射定律，不產生任何反射。而電磁波在不同介質的分界上是要產生反射和折射的，并遵循光學的反射折射定理。激勵線圈周圍的磁場，是線圈中的激勵電流i和管壁中的渦流場Je二者產生的磁場矢量和。設二者的矢量磁位分別為A1和A2，A1和i同相，A2是沿管徑向及軸向衰減的復雜的體分布渦流場Je產生的磁矢位的矢量和，且在管壁內沿徑向各點的振幅和相位都不相同。管壁內外任一點的矢量