渦流檢測技術(shù)的發(fā)展

渦流檢測技術(shù)的發(fā)展

近年來，溝槽檢測技術(shù)發(fā)展迅速。它不僅可以檢測金屬材料的腐蝕、裂紋和其他缺陷，還可以識別損壞。這是因?yàn)樵S多材料的特性都與其固有的電磁特性有關(guān),一般說來觀測材料電磁性能的變化要比其它物理性能容易得多。但是,與其它檢測技術(shù)相比渦流檢測還未被充分開發(fā)。這可能是因?yàn)槠渌椒苓m用于不同材料而得以發(fā)展。然而,某些重要區(qū)域的疲勞或熱機(jī)械老化等缺陷的探測和預(yù)測并不能用其它方法進(jìn)行,人們已經(jīng)開始把注意力集中在渦流檢測技術(shù)上。另一方面,由于渦流信號包含較復(fù)雜的變量關(guān)系,長期以來,它阻礙了渦流檢測技術(shù)的發(fā)展,而計(jì)算機(jī)及信號處理技術(shù)的迅猛發(fā)展,又大大促進(jìn)了渦流檢測技術(shù)的發(fā)展。1溝槽檢測技術(shù)的發(fā)展1.1渦流檢測繼續(xù)受到約束與其它任何無損檢測技術(shù)一樣,渦流檢測也包括獲取信號(傳感器)、測量參數(shù)選擇、信號處理和結(jié)果顯示等幾個(gè)部分。因而人們總是圍繞著這幾個(gè)部分進(jìn)行新的研究,推動(dòng)著渦流檢測技術(shù)的發(fā)展。傳感器是檢測技術(shù)的關(guān)鍵,近些年來人們在傳感器的數(shù)字模型、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸自動(dòng)優(yōu)化、特征值的測定、有效屏蔽以及與計(jì)算機(jī)結(jié)合等方面進(jìn)行了大量研究,傳感器技術(shù)的研究和應(yīng)用占渦流檢測的18%。渦流檢測是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的,對工件及其周圍空間區(qū)域的電磁場列出麥克斯韋方程及定解條件,然后進(jìn)行求解,以確定檢測線圈阻抗特征的變化與被檢工件各種影響因素之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的渦流檢測直接通過線圈阻抗的分析來評價(jià)工件的某個(gè)待測量,它避開了對磁場的具體影響去研究一個(gè)等效阻抗值,其中掩蓋了許多有用信息。近年來人們借助于計(jì)算機(jī)及有限元數(shù)值計(jì)算廣泛地開展對渦流場的數(shù)值計(jì)算及分析,豐富了渦流檢測的理論,研究并開拓了遠(yuǎn)場渦流和裂紋圖象重建等新技術(shù),這類研究和應(yīng)用占22%。隨著微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種信號處理技術(shù)的采用,出現(xiàn)了渦流信號模型Mascots。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對渦流信號,特別是復(fù)雜的渦流信號進(jìn)行分析和缺陷分類,減少了人為誤差,該方法可以通過對已知信號的培訓(xùn),實(shí)現(xiàn)模擬人的思維對渦流信號進(jìn)行分析,這類研究成果占18%。圖象顯示是檢測領(lǐng)域中十分活躍的研究方向,其研究報(bào)道約占14%。1.2混凝土結(jié)構(gòu)材料的檢測近年來,由于新的渦流傳感技術(shù)的研究及現(xiàn)代信號處理技術(shù)的應(yīng)用,渦流檢測不僅可用于管材探傷,還可用于焊縫類復(fù)雜背景噪聲工件的探傷;不僅用于金屬材料,還可用于非金屬構(gòu)件的檢測及評價(jià)。例如采用相互獨(dú)立的單個(gè)線圈進(jìn)行陣列布置,檢測混凝土中鋼筋配置狀況以及鋼筋的厚度和直徑;利用磁導(dǎo)率法檢測高溫石墨爐膽多孔材料的氣孔率;利用渦流檢測碳纖維分層參數(shù)及斷裂等,將檢測對象由金屬拓展到非金屬及復(fù)合材料。過程檢測是當(dāng)今無損檢測的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于渦流檢測信號對材料表面缺陷十分敏感,借此可監(jiān)測重要區(qū)域疲勞裂紋長大或熱機(jī)械老化(蠕變過程),結(jié)合斷裂力學(xué)知識可預(yù)測材料的安全壽命,達(dá)到過程監(jiān)控之目的,為實(shí)現(xiàn)材料的極限壽命設(shè)計(jì)提供了基本保證。這一檢測技術(shù)的出現(xiàn)將渦流檢測從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài),使渦流檢測技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了更深刻的變化。2傳感器技術(shù)的發(fā)展2.1缺陷檢測和定位傳統(tǒng)的渦流傳感器是一個(gè)通以正弦電流的激勵(lì)線圈,當(dāng)線圈與被測體接近時(shí),被測體感應(yīng)產(chǎn)生渦流,渦流磁場和原激勵(lì)磁場相互作用改變線圈的阻抗。渦流檢測最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域是管材。管材探傷常用的傳感器有三種類型,即探測管材外壁缺陷的穿過式傳感器、探測管內(nèi)壁的內(nèi)通過式傳感器以及平面?zhèn)鞲衅?。前兩種檢測效率高,但只能檢測軸向缺陷,且不能確定缺陷的深度和大小;后者既可檢測軸向缺陷又可檢測周向缺陷,但檢測效率低,且易出現(xiàn)漏檢。美國西屋科學(xué)技術(shù)中心的Clark設(shè)計(jì)了直規(guī)傳感器(圖1),即將內(nèi)通過式傳感器分割成若干獨(dú)立的小線圈,分別由計(jì)算機(jī)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(gè)小線圈發(fā)現(xiàn)缺陷,再由計(jì)算機(jī)對線圈空間距離進(jìn)行計(jì)算而得到缺陷的大小。此時(shí)將傳感器定位并變頻測量以求缺陷距表面的深度。為了在保持材料表面及近表面高檢測靈敏度的同時(shí),提高有效滲透能力,Clark和Metal于1989年設(shè)計(jì)出了牛眼傳感器(圖2),其結(jié)構(gòu)為同軸排列若干個(gè)線圈,線圈之間被屏蔽,使之獨(dú)立工作。首先對不同大小的線圈施以高頻掃查,當(dāng)發(fā)現(xiàn)某種缺陷信號時(shí),停止掃查并開始對各線圈以不同頻率檢測缺陷的深度。以上兩種傳感器盡管結(jié)構(gòu)僅僅是在傳統(tǒng)的傳感器基礎(chǔ)上作了些改進(jìn),但不難看出在檢測缺陷的大小和深度方面卻產(chǎn)生了十分顯著的效果。為了同時(shí)提高管材的軸向和周向缺陷檢出敏感性,一個(gè)較為有效的方法是采用陣列探頭,顯然它需要有與探頭同樣多的通道及信息融合技術(shù)。80年代中期出現(xiàn)了商業(yè)相控陣傳感器,然而在90年代初期才對其理論研究作了報(bào)道。MTShyamsunder等人指出,該傳感器由三個(gè)線圈組成,相互間隔120°(圖3),它們之間由星狀結(jié)構(gòu)相連。這種傳感器在管材中形成如圖3所示的渦流,可見渦流的流向?qū)懿妮S向和周向缺陷將同時(shí)敏感。此種傳感器結(jié)構(gòu)不需多個(gè)通道,可高效率地檢出多個(gè)方向缺陷,但它也有局限性,檢測仍有不敏感區(qū)域存在。這時(shí)可由兩個(gè)獨(dú)立并相似的相控陣傳感器一前一后放置,線圈間相位差60°,使得第一個(gè)傳感器的不敏感區(qū)成為第二個(gè)傳感器的敏感區(qū),因而可避免漏檢。日本Nihon大學(xué)的HHoshikawa等教授為了對焊接區(qū)背景噪聲較為復(fù)雜的工件實(shí)施渦流探傷,設(shè)計(jì)了一種新型傳感器,它由兩個(gè)互成90°的線圈構(gòu)成激勵(lì)線圈,在材料中感應(yīng)出均勻旋轉(zhuǎn)磁場,可以一次檢測待檢件各方向的缺陷,小檢測線圈位于激勵(lì)線圈和試件之間,圖4a,b是這種傳感器在焊縫區(qū)檢測結(jié)果,可見,缺陷信號遠(yuǎn)大于焊接噪聲信號。法國IDufour等人為了提高傳感器的靈敏度和分辨力,通過有限元法計(jì)算,在激勵(lì)線圈和測量線圈之間設(shè)置了杯狀有源屏蔽,改變了傳感器敏感區(qū)域的磁場分布,使磁場聚焦,有效地減少了外部磁場的干擾,而通達(dá)距離沒有改變。2.2與遺傳算法的聯(lián)合通過研究傳感器的磁場特征從而對傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)幾何優(yōu)化,這是目前傳感器研究的又一方向。有限元法是研究這一問題的基本手段,研究取得了較大進(jìn)展。近幾年,FTollon等人將有限元法與遺傳算法結(jié)合起來,對傳感器的幾何參數(shù)和測量參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。他們分別對測厚及測深層缺陷的傳感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明,用這種方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳感器與經(jīng)驗(yàn)法相比,靈敏度和線性度都有較大提高。不僅如此,遺傳算法還十分簡單,只需用戶在現(xiàn)有的軟件包上寫出幾個(gè)代碼串就可以了,確定這個(gè)代碼串的依據(jù)是定義的優(yōu)化參數(shù)、目標(biāo)函數(shù)和邊界條件。2.3瞬態(tài)信號激勵(lì)如果將傳感器的激勵(lì)方式也納入傳感器研究范疇,那么采用不同的激勵(lì)方式以提高檢測的深度,一直是重要的研究課題。實(shí)際研究中應(yīng)用的是瞬態(tài)信號激勵(lì)即脈沖技術(shù)。由于激勵(lì)的脈沖特性使渦流在材料中的密度存在一個(gè)很高的峰值,同時(shí)寬帶信號含有能探測試樣中深度更深的最優(yōu)頻率。與正弦波激勵(lì)不同的是可對脈沖信號進(jìn)行瞬態(tài)頻譜分析,獲得表征和辨別不同缺陷的信息。早在1987年美國Babcock公司的JohnFlora就介紹了用他們研制的深層渦流系統(tǒng)探測出25mm厚的不銹鋼焊縫上相對表面深度為20%、長為50mm的裂紋。3圖像的始祖3.1x-cte-schour圖象是信號的圖畫。將每一信號值與坐標(biāo)(x,y)聯(lián)系起來就建立了一幅圖形或圖象。信號數(shù)據(jù)可以通過不同的方式表示出來,最常用的是偽三維顯示(圖5a)。80年代中期這種偽三維圖象已被美國的Zetec公司用于工業(yè)渦流探傷。圖中每一條線代表沿x方向的連續(xù)掃描,線間距表示傳感器位置沿y軸的移動(dòng)。如果數(shù)據(jù)以不同的灰度水平顯示就稱為灰度等級圖(圖5b)。為了增強(qiáng)圖象的某種特征,可以在數(shù)據(jù)的不同區(qū)域運(yùn)用顏色得到偽彩色圖象。FSchour采用這種技術(shù)得到了鉚釘孔洞周圍的裂紋圖象。1992年,Trek等人采用另一種方法獲得同樣類型的圖象,所不同的是他們利用一個(gè)陣列探頭在探測面僅僅掃描幾次就可獲得探測面的全部結(jié)果。與前述方法相比他們并沒有實(shí)質(zhì)性的改變,只是提高了檢測速度。這種成象技術(shù)比較簡單,但一個(gè)突出的缺點(diǎn)就是不能顯示表層以下深度缺陷的情形。3.2數(shù)學(xué)模型的線性化為了獲得三維圖象,人們利用層析X射線照相法原理建立起渦流層析圖象。法國的PPremel和MHammadDjafari等人在理論和實(shí)際應(yīng)用方面都做了許多工作。它們首先建立一種能重現(xiàn)傳感器響應(yīng)的模式,這個(gè)模式必須在置信度范圍內(nèi)越簡單越好。然后測量數(shù)據(jù),接著在測量數(shù)據(jù)和模式之間進(jìn)行相當(dāng)好的折衷,最后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演成象。眾所周知,渦流傳感器的響應(yīng)是非線性的,傳感器檢測線圈中感應(yīng)電勢為e(ω,z)=∫DΗ(ω,z,r′,z′)σ0f(r′,z′)E20(r′,z′)r′dr′dz′(1)e(ω,z)=∫DH(ω,z,r′,z′)σ0f(r′,z′)E20(r′,z′)r′dr′dz′(1)式中H(ω,z,r′,z′)——檢測線圈幾何形狀函數(shù)σ0——電導(dǎo)率E20(r′,z′)——激勵(lì)線圈幾何形狀函數(shù)用正交函數(shù)和Direc權(quán)重函數(shù)離散這個(gè)線性積分方程將缺陷區(qū)分為k層(1≤k≤Nr),定義圖象f(r,z)的連續(xù)線性函數(shù)為fk(z)=f(r,k,z),最后測量數(shù)據(jù)將通過下式與目標(biāo)函數(shù)fk(z)相關(guān)聯(lián)e(ω,z)=nr∑k=1ωkfk(z)*hk(ω,z)+b(ω,z)(2)e(ω,z)=∑k=1nrωkfk(z)*hk(ω,z)+b(ω,z)(2)式中ωk——與場值E20(rk)相關(guān)聯(lián)的函數(shù)hk(ω,z)——傳感器點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù),由格林函數(shù)定義b(ω,z)——誤差如果將不同頻率下的測量值及測試頻率代入式(2),便得到一系列Nf方程fΝf(z)--hΝs(ω,z)--ωΝ5???fΝ2(z)--hΝ2(ω,z)--ωΝ2fΝ1(z)--hΝ1(ω,z)--ωΝ1}∑→e(ω,z)此即多頻線模型,這就將傳感器響應(yīng)轉(zhuǎn)化成線性離散模型。不同頻率可得不同滲透深度的數(shù)值解,其解即為此深度反演成象的數(shù)據(jù),即層析渦流成象。作者在外徑為10mm、內(nèi)徑為9mm的銅管中加工了一個(gè)深為0.3mm、長為5mm的缺陷,分別用有限元計(jì)算和層析渦流成象,結(jié)果是層析法比其它方法更好。4渦流檢測技術(shù)在中國(1)渦流阻抗的變化實(shí)質(zhì)上由試件中渦流場的分布和大小的變化所引起,應(yīng)研究不同的場如何影響阻抗的特性,阻抗特性是怎樣反映渦流場以及被測體所具有的待測量特征。研究中如何將渦流場的分布和等效電路阻抗有機(jī)結(jié)合起來是解決渦流檢測中各種應(yīng)用技術(shù)的根本問題,因而需要大力研究。(2)遠(yuǎn)場渦流技術(shù)給人們提出了另一個(gè)新的理論問題,即間接耦合磁場和擴(kuò)散波的波動(dòng)特性如何統(tǒng)一,以及常規(guī)渦流與遠(yuǎn)場渦流理論統(tǒng)一的問題。(3)傳感器的設(shè)計(jì)理論研