電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

周德強(qiáng)聯(lián)系方式:zhoudeqiang@電磁無(wú)損檢測(cè)及應(yīng)用內(nèi)容個(gè)人基本情況電磁無(wú)損檢測(cè)常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無(wú)損檢測(cè)多頻渦流無(wú)損檢測(cè)脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)漏磁無(wú)損檢測(cè)一、個(gè)人基本情況2007.4-2010.6南京航空航天大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器博士學(xué)位2008.9-2009.9受?chē)?guó)家留學(xué)基金委資助在英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)電氣電子與計(jì)算機(jī)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(jī)械化工程碩士學(xué)位1997.9-2001.6長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)士學(xué)位學(xué)習(xí)經(jīng)歷2011.10-至今無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司博士后

2010.6-至今江南大學(xué)機(jī)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(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院

2001.7-2002.6武漢鋼鐵集團(tuán)公司建設(shè)公司一、個(gè)人基本情況工作經(jīng)歷主持項(xiàng)目（1）國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（051107053）方向性脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)機(jī)理與應(yīng)用研究25萬(wàn)（2）中國(guó)博士后基金5萬(wàn)（3）2012年入選“江蘇省企業(yè)博士集聚計(jì)劃”

20萬(wàn)申獲專(zhuān)利3項(xiàng)，其中發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)，實(shí)用新型1項(xiàng)。發(fā)表論文20余篇，其中國(guó)際期刊3篇（SCI檢索），國(guó)內(nèi)重要核心期刊3篇（EI檢索）。一、個(gè)人基本情況科研情況二、電磁無(wú)損檢測(cè)電磁無(wú)損檢測(cè)定義：利用材料在電磁場(chǎng)的作用下呈現(xiàn)出的電磁特性變化來(lái)判斷被測(cè)材料組織及有關(guān)性能的一類(lèi)試驗(yàn)方法。分類(lèi)：二、電磁無(wú)損檢測(cè)分類(lèi)，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(wú)損檢測(cè)分類(lèi)1）當(dāng)時(shí)，為直流漏磁檢測(cè)，此時(shí)被測(cè)試件中不產(chǎn)生渦流。2）當(dāng)，且多項(xiàng)式中僅有一項(xiàng)時(shí)，產(chǎn)生單頻激勵(lì)。3）當(dāng)時(shí)，且多項(xiàng)式中有多項(xiàng)式時(shí)，產(chǎn)生多頻激勵(lì)。4）當(dāng)具有全頻時(shí)，產(chǎn)生脈沖激勵(lì)。二、電磁無(wú)損檢測(cè)激勵(lì)磁場(chǎng)的成分從磁場(chǎng)的穿透能力來(lái)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(gè)部位的缺陷產(chǎn)生出的磁場(chǎng)信息，但對(duì)非鐵磁性構(gòu)件直流磁化則無(wú)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(shí)檢測(cè)的靈敏度也將不斷提高。2.從信息獲取的角度來(lái)看，增加激勵(lì)電流中的多項(xiàng)式以至達(dá)到脈沖激勵(lì)，使得激勵(lì)頻率成分不斷豐富，從而有可能得到更多的檢測(cè)參數(shù)和方程去評(píng)估被測(cè)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(hào)處理上看，直流磁化僅包含幅度信息，考慮磁場(chǎng)空間分布即可，交流激勵(lì)含有了幅度、相位、頻率等時(shí)空信息，因而分析的范圍和參量更復(fù)雜。二、電磁無(wú)損檢測(cè)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)研究意義

輸出與被測(cè)體電磁特性有關(guān)

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

問(wèn)題1同一企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)因被測(cè)體電磁特性不同需購(gòu)進(jìn)不同傳感器問(wèn)題3檢測(cè)國(guó)外引進(jìn)設(shè)備時(shí)，因不了解材料電磁特性而無(wú)法精確標(biāo)定傳感器。

問(wèn)題2在野外作業(yè)時(shí)，用于測(cè)量某一被測(cè)體的傳感器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不能用其他傳感器不能替代

目的1

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

被測(cè)體輸入

一級(jí)磁場(chǎng)

二級(jí)磁場(chǎng)

渦流

三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)

渦流等效電路單匝線(xiàn)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(wú)損檢測(cè)軸對(duì)稱(chēng)時(shí)諧電磁場(chǎng)本構(gòu)方程約束方程內(nèi)邊界條件無(wú)限遠(yuǎn)邊界條件定解問(wèn)題三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)柱坐標(biāo)系下SL型本征值問(wèn)題方程

(1)(2)(3)分離變量法三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)t=λρBESSEL方程無(wú)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(wú)損檢測(cè)圓柱線(xiàn)圈阻抗求解模型yOxr1r2dhz線(xiàn)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(wú)損檢測(cè)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)5區(qū)：h<z<d+h

P(ρ,,z)上部線(xiàn)圈單獨(dú)作用

下部線(xiàn)圈單獨(dú)作用

三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)入射場(chǎng)阻抗

散射場(chǎng)阻抗

三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)圓柱線(xiàn)圈阻抗的數(shù)值計(jì)算zρr2r1dhbc

三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)傳感器磁場(chǎng)有限元仿真及線(xiàn)圈阻抗計(jì)算場(chǎng)量隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化線(xiàn)圈激勵(lì)電壓均勻分布忽略探頭運(yùn)動(dòng)速度的影響線(xiàn)圈中的渦流忽略不計(jì)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(chǎng)處理忽略被測(cè)體電阻率的溫度效應(yīng)假設(shè)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)有限元仿真3D模型(a)模型1(b)模型2探頭線(xiàn)圈被測(cè)體近場(chǎng)空氣遠(yuǎn)場(chǎng)空氣探頭線(xiàn)圈被測(cè)體被限定的空氣三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)3D分析結(jié)果(b)模型2磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖渦流密度分布圖(a)模型1三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)3D分析結(jié)果(a)模型1(b)模型2被測(cè)體半徑(mm)渦流密度(×103A/m2)12351133103192982772562352141931721507.29.06.38.1被測(cè)體半徑(mm)122911271025923821719617515413311209渦流密度(×103A/m2)07.29.06.38.1渦流密度沿被測(cè)體徑向分布曲線(xiàn)圖三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)3D分析結(jié)果表1表2三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)有限元仿真2D模型xx(a)模型1(b)模型2線(xiàn)圈被測(cè)體yBAC空氣線(xiàn)圈無(wú)限遠(yuǎn)空氣BA近場(chǎng)空氣被測(cè)體D三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)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(jìn)行電渦流傳感器的電磁場(chǎng)仿真和線(xiàn)圈阻抗計(jì)算

表4三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)線(xiàn)圈阻抗理論和有限元計(jì)算值比較相關(guān)計(jì)算參數(shù)表5表6三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)結(jié)論：1一定范圍外的空氣對(duì)傳感器磁場(chǎng)影響較小2利用軸對(duì)稱(chēng)可將3D模型簡(jiǎn)化為2D模型3理論計(jì)算法和有限元法得到了相互驗(yàn)證三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)(a)非磁性材料電阻(Ω)感抗(Ω)檢測(cè)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(cè)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(wú)損檢測(cè)消除傳感器與被測(cè)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(yàn)證過(guò)程：

1.線(xiàn)圈電阻－感抗線(xiàn)性

2.關(guān)系曲線(xiàn)平行

3.線(xiàn)性變化

驗(yàn)證方法：有限元法和試驗(yàn)法三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)方法的驗(yàn)證——有限元法材料參數(shù)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)感抗=76.17467+1.70342×電阻R SD N P0.99981 1.414336 <0.0001同一檢測(cè)距離同一條直線(xiàn)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)不同檢測(cè)距離

平行三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)有限元法驗(yàn)證結(jié)論1.在同一檢測(cè)距離下、不同被測(cè)材料下線(xiàn)圈電阻和感抗呈線(xiàn)性關(guān)系；2.在不同檢測(cè)距離下，線(xiàn)圈電阻和感抗的關(guān)系曲線(xiàn)相互平行；3.檢測(cè)距離和各條直線(xiàn)截距不是線(xiàn)性變化的。

三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)方法的驗(yàn)證——試驗(yàn)法探頭阻抗測(cè)試試驗(yàn)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(wú)損檢測(cè)電感(μH)電阻(Ω)90807060502070120電感=0.2759*電阻+47.933R2=0.9925同一檢測(cè)距離線(xiàn)性三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)圖4-14不同檢測(cè)距離、不同被測(cè)材料下線(xiàn)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(cè)距離平行三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)直線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)法驗(yàn)證結(jié)論1.在同一檢測(cè)距離下、不同被測(cè)材料下線(xiàn)圈電阻和感抗呈線(xiàn)性關(guān)系；2.在不同檢測(cè)距離下，線(xiàn)圈電阻和感抗的關(guān)系曲線(xiàn)相互平行；3.檢測(cè)距離和各條直線(xiàn)截距不是線(xiàn)性變化的。

三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)兩種驗(yàn)證方法結(jié)果比較實(shí)驗(yàn)法

有限元法

基礎(chǔ)理論

0.28431.7010561.6077

斜率

互感M(H)磁場(chǎng)間的距離x(mm)非線(xiàn)性

表明：增加非線(xiàn)性校正環(huán)節(jié)后，可通過(guò)提出的方法實(shí)現(xiàn)與被測(cè)材料無(wú)關(guān)的功能三、常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)四、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)最早發(fā)表于1951年美國(guó)學(xué)者W.R.Maclean的一篇專(zhuān)利報(bào)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(gè)在役遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)，用于油井套管檢測(cè)。德國(guó)漢諾威大學(xué)利用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。日本橫濱國(guó)立大學(xué)利用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象對(duì)石油儲(chǔ)罐的底板進(jìn)行了檢測(cè)。美國(guó)的IMTT公司已經(jīng)成功的開(kāi)發(fā)出可應(yīng)用于金屬以及金屬基復(fù)合材料的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀器，并且具有滲透深、靈敏度高等特點(diǎn)。2/2/202347管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)機(jī)理示意圖管材2~3管內(nèi)徑激勵(lì)線(xiàn)圈檢測(cè)線(xiàn)圈低頻交流電近場(chǎng)區(qū)過(guò)渡區(qū)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)渦流四、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)的特征：1.幅值特性曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn)。2.相位特性曲線(xiàn)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(guò)待檢測(cè)材料。

(a)幅值特性曲線(xiàn)(b)相位特性曲線(xiàn)三、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流

將管道中的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)方法應(yīng)用到平板導(dǎo)體件中的一個(gè)關(guān)鍵就是，能否設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)激勵(lì)線(xiàn)圈和檢測(cè)線(xiàn)圈同在平板導(dǎo)體件的一側(cè)時(shí)，使得檢測(cè)線(xiàn)圈檢測(cè)的也是兩次穿過(guò)板厚的間接耦合通道的能量。五、多頻渦流

阻抗分析法（或稱(chēng)相位分析法）的應(yīng)用使渦流檢測(cè)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(cè)工件中的兩個(gè)參數(shù)（即只能抑制一個(gè)干擾因素的影響）。單頻渦流檢測(cè)雖應(yīng)用較廣，如對(duì)管、棒、線(xiàn)材等金屬產(chǎn)品的探傷。但對(duì)許多復(fù)雜重要的構(gòu)件，如熱交換器管道的在役檢測(cè)，鄰近的支撐板、管板等結(jié)構(gòu)部件會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾信號(hào)，用單頻渦流很難準(zhǔn)確地檢出管子的缺陷；又如對(duì)汽輪機(jī)葉片、大軸中心孔和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面裂紋、螺孔內(nèi)裂紋、飛機(jī)的起落架、輪轂和鋁蒙皮下缺陷的檢測(cè)，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(yàn)中同時(shí)鑒別更多的參數(shù)，就需要增加鑒別信號(hào)的元器件，以便獲得更多的試驗(yàn)變量，才能做到有效地抑制多種干擾因素影響，達(dá)到去偽存真的目的，提高檢測(cè)的靈敏性、可靠性和準(zhǔn)確性，對(duì)受檢工件做出正確評(píng)價(jià)。多頻/多參數(shù)渦流檢測(cè)技術(shù)是1970年美國(guó)科學(xué)家Libby首先提出的，該方法采用幾個(gè)頻率同時(shí)工作，能有效地抑制多個(gè)干擾因素，一次性提取多個(gè)所需的信號(hào)（如缺陷信息、壁厚情況等）。多頻渦流檢測(cè)基本原理多頻渦流法是同時(shí)用幾個(gè)頻率信號(hào)激勵(lì)探頭，它比用單一頻率作為激勵(lì)信號(hào)的試驗(yàn)方法能獲得更多數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)中要如何充分利用所獲取的豐富信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析處理是多頻渦流法所要解決的問(wèn)題所在。五、多頻渦流二、脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)脈沖渦流檢測(cè)原理試件激勵(lì)線(xiàn)圈BexcIeddy霍爾傳感器Beddy~),,,,(excitationrBxfwmr激勵(lì)脈沖脈沖磁場(chǎng)瞬時(shí)渦流反磁場(chǎng)線(xiàn)圈阻抗的變化或磁傳感器輸出六、脈沖渦流檢測(cè)二、脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)渦流集膚深度的計(jì)算

單頻渦流趨膚深度脈沖渦流趨膚深度六、脈沖渦流檢測(cè)七、漏磁檢測(cè)漏磁檢測(cè)方法是一項(xiàng)自動(dòng)化程度較高的磁學(xué)檢測(cè)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(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng)來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷。從這個(gè)意義上講，壓力容器檢測(cè)中常用的磁粉檢測(cè)技術(shù)也是一種漏磁檢測(cè)，但習(xí)慣上人們把用傳感器測(cè)量漏磁通的方法稱(chēng)為漏磁檢測(cè)，而把用磁粉檢測(cè)漏磁通的方法稱(chēng)為磁粉檢測(cè)，且將它們并列為