無(wú)損探傷傳感器

無(wú)損探傷傳感器摘要：無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(NondestructiveTesting，NDT)是門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科，它是在不破壞或損壞被檢測(cè)對(duì)象的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶?duì)熱、聲、光、電、磁等反響的變化，來探測(cè)各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和外表缺陷，并對(duì)缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化作出判斷和評(píng)價(jià)無(wú)損探傷的方法很多，常用的檢測(cè)方法有電渦流檢測(cè)和超聲波檢測(cè)等。關(guān)鍵字:傳感器無(wú)損探傷電渦流超聲波電渦流傳感器無(wú)損探傷1電渦流的產(chǎn)生方式基于法拉第感應(yīng)現(xiàn)象，金屬導(dǎo)體在置于交變的磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體外表會(huì)有感應(yīng)電流的產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。因此，要形成渦流必須具備：①存在交變磁場(chǎng)；②導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器分為高頻反射式與低頻透射式兩大類。2、電渦流傳感器的根本原理如圖1所示為電渦流傳感器根本原理圖，如果把提個(gè)勵(lì)磁線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以正弦交變電源時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)出電渦流，又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)。根據(jù)楞次定律，將對(duì)抗原磁場(chǎng)，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、線圈與金屬導(dǎo)體的距離x以及線圈勵(lì)磁電流的角頻率等參數(shù)，都將提高渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗聯(lián)系。因此，線圈等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為圖1電渦流傳感器工作原理示意圖1-電渦流線圈2-被測(cè)金屬導(dǎo)體〔1〕假設(shè)能保持其中大局部參數(shù)恒定不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣能形成傳感器的線圈阻抗Z與此參數(shù)的單值函數(shù)。再通過傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的非電量測(cè)量，這就是代內(nèi)渦流傳感器的根本工作原理。假設(shè)把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈，其關(guān)系可用圖2所示電路來等效。圖2電渦流傳感器等效電路圖線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)1-傳感器線圈2-電渦流短路環(huán)M，它將隨著間距x的減小而增大。根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出Ⅰ、Ⅱ回路的電壓平衡方程式，即〔2〕〔3〕式中——線圈勵(lì)磁電流角頻率，單位。由此可得傳感器線圈受到電渦流影響后的等效阻抗Z的表達(dá)式，即〔4〕=式中——短路環(huán)阻抗值，單位為——線圈受電渦流影響后的等效電阻，單位為；L——線圈受電渦流影響后的等效電感，單位為H；——線圈不受電渦流影響時(shí)的原有復(fù)數(shù)阻抗，單位為；——線圈受電渦流影響后的復(fù)數(shù)阻抗增量，單位為。由圖2及式4不難得到以下參數(shù)表達(dá)式，即當(dāng)距離x減小時(shí)，互感量M增大，由式〔6-4〕可知，等效電感L減小，等效電阻R增大。從理論和實(shí)測(cè)中都證明，此時(shí)流過線圈是增大的。這是因?yàn)榫€圈的感抗的變化比R的變化大得多。由于線圈的品質(zhì)因數(shù)與等效電感成正比，與等效電阻〔高頻時(shí)的等效電阻比直流電阻大得多〕成反比，所以當(dāng)電渦流增大時(shí)，Q下降很多。3、電渦流外表探傷利用電渦流傳感器檢查金屬外表〔已涂防銹漆〕的裂紋以及焊接處的缺陷等。在探傷中，傳感器與被測(cè)導(dǎo)體保持距離不變。檢測(cè)過程中，由于缺陷將引起導(dǎo)體電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化，使電渦流變小，從而引起輸出電壓突變。圖3是用電渦流探頭檢測(cè)高壓輸油關(guān)外表的裂紋示意圖。兩只導(dǎo)向輥用耐磨、不導(dǎo)電的聚四氟乙烯制成，有的外表還刻有螺旋導(dǎo)向槽，并以相同的方向旋轉(zhuǎn)。油管在它們的驅(qū)動(dòng)下，勻速地在楔型電渦流探頭下方作360°轉(zhuǎn)動(dòng)，并向前挪動(dòng)。探頭對(duì)油管外表進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，得到圖4a的輸出信號(hào)。當(dāng)油管存在裂紋時(shí)，電渦流所走的路程大為增加〔見圖3b〕，所以電渦流突然減小，輸出波形如圖4a中的“尖峰”所示。該信號(hào)十分紊亂，用肉眼很難辨出缺陷性質(zhì)。該信號(hào)通過帶通濾波器，濾去外表不平整、抖動(dòng)等造成的輸出異常后，得到圖4b中的兩個(gè)尖峰信號(hào)。調(diào)節(jié)電壓比擬器的閥值電壓，得到真正的缺陷信號(hào)。圖4a為時(shí)域信號(hào)。計(jì)算機(jī)還可以根據(jù)圖4a的信號(hào)計(jì)算電渦流探頭線圈的阻抗，得到圖4c所示的“8”字花瓣?duì)钭杩箞D。根據(jù)長(zhǎng)期積累的探傷經(jīng)驗(yàn)，可以從該復(fù)雜的阻抗圖中判斷出裂紋的長(zhǎng)短、深淺、走向等參數(shù)。圖中的黑色邊框?yàn)榉匆晥?bào)警區(qū)。當(dāng)“8”字花瓣?duì)顖D形超出報(bào)警區(qū)時(shí)即視為超標(biāo)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。上述系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，不磨損探頭，檢測(cè)速度可達(dá)每秒幾米。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)稍作改造，還可以用于軸類，滾子類的缺陷檢測(cè)。圖3輸油管外表裂紋檢測(cè)1、2-導(dǎo)向輥3-楔形電渦流探頭4-裂紋5-輸油管6-電渦流圖4探傷輸出信號(hào)原始信號(hào)b〕帶通濾波后的信號(hào)c〕阻抗圖1-尖峰信號(hào)2-擺動(dòng)引起的偽信號(hào)3-可忽略的小缺陷4-裂紋信號(hào)5-反視報(bào)警框6-花瓣阻抗圖超聲波傳感器無(wú)損探傷1、超聲波振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。其頻率在16Hz～2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2×104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，頻率在3×108Hz～3×1011Hz之間的波，稱為微波。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的鼓勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。2、超聲波傳感器介紹利用超聲波物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置稱為超聲波換能器，或超聲波探測(cè)器、超聲波傳感器，有時(shí)也叫超聲波探頭。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，在檢測(cè)技術(shù)中壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭；由于其結(jié)構(gòu)不同，分為直探頭式、斜探頭式和雙探頭式，直探頭式結(jié)構(gòu)如下圖 圖5超聲波直探式探頭結(jié)構(gòu)1—壓電片；2—保護(hù)膜；3—吸收塊；4—蓋；5—絕緣柱；6—換能片；7—導(dǎo)電螺桿；8—接線片；9—壓電片座；10—外殼它主要由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、保護(hù)膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ，超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板，壓電片的底面接地線，上面接導(dǎo)線引至電路中。阻尼塊又稱吸收塊，它的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當(dāng)鼓勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí)，壓電片因慣性作用會(huì)繼續(xù)振蕩，加長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。當(dāng)吸收塊的聲阻抗等于晶體的聲阻抗時(shí)，效果最正確。3、超聲波傳感器無(wú)損探傷對(duì)高頻超聲波，由于它的波長(zhǎng)短，不易產(chǎn)生繞射，遇到雜質(zhì)或分介面就會(huì)有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無(wú)損探傷方面的重要工具。⑴穿透法探傷穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)探頭分別置于工件的相對(duì)面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可是脈沖。其工作原理如圖6所示。接收探頭發(fā)射探頭高頻發(fā)生器放大器接收探頭發(fā)射探頭高頻發(fā)生器放大器顯示工件圖6穿透法探傷示意圖⑵反射法探傷反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測(cè)缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說明其檢測(cè)原理。圖7反射法探傷示意圖B工件圖7反射法探傷示意圖B工件缺陷FT探頭高頻發(fā)生器接收放大TFB超聲波。超聲波以一定的速度向工件的內(nèi)部傳播。一局部超聲波遇到缺陷反射回來〔缺陷波F〕；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面也反射回來〔底波B〕。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波T、缺陷波F及底波B經(jīng)放大后在顯示器熒光屏上顯示出來。由發(fā)射波T、缺陷波F及底波B在掃描線上的位置，可確定缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷的大?。挥扇毕莶ǖ男螤?，可判斷缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面積時(shí)，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件內(nèi)無(wú)缺陷時(shí)，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。對(duì)于兩種無(wú)損探傷檢測(cè)傳感器的分析觀點(diǎn)電渦流傳感器電渦流檢測(cè)速度快，特別適合管、棒材的檢測(cè)，對(duì)于外表和近外表缺陷有較高的靈敏度，可對(duì)大小不同的缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，能在高溫狀態(tài)下進(jìn)行探傷，可用于異形材和小零件的檢測(cè)，不僅適用于導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)，而且可檢測(cè)材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、熱處理狀況、硬度和幾何尺寸等，使用廣泛。但電渦流探傷儀在實(shí)際使用時(shí)會(huì)受到諸多因素的影響，例如環(huán)境溫度變化、外表硬度、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻、抖動(dòng)等，用單個(gè)電渦流探頭易受上述因素影響，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法分辨缺陷和裂紋，因此必須采用差動(dòng)電路。在楔型探頭的尖端部位設(shè)置發(fā)射線圈，在其上方的左、右兩側(cè)分別設(shè)置一只接收線圈，它們的同名端相連，在沒有裂紋信號(hào)時(shí)輸出互相抵消。當(dāng)裂紋進(jìn)入左、右接受線圈下方時(shí)，由于相位上有先后差異，所以信號(hào)無(wú)法抵消，產(chǎn)生輸出電壓，這就是差動(dòng)原理。溫漂、抖動(dòng)等干擾通常是同時(shí)作用于兩只電渦流差動(dòng)線圈，所以不會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。渦流探傷的顯著特點(diǎn)是對(duì)導(dǎo)電材料就能起作用，而不一定是鐵磁材料，但對(duì)鐵磁材料的效果較差。其次，待探工件外表的光潔度、平整度、邊介等對(duì)渦流探傷都有較大影響，因此常將渦流探傷用于形狀較規(guī)那么、外表較光潔的銅管等非鐵磁性工件探傷。超聲波傳感器超聲波檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，適用于各種尺寸的鍛件、軋制件、焊縫和某些鑄件，無(wú)論是鋼鐵、有色金屬和非金屬，都可以采用超聲法進(jìn)行檢測(cè)，包括各種機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)件、電站設(shè)備、船體、鍋爐、壓力和化工容器等．就物理性能而言，用超聲法可以檢測(cè)厚度、材料硬度、淬硬層深度、晶粒度、液位和流量、剩余應(yīng)力和膠接強(qiáng)度等，但無(wú)法檢測(cè)外表和近外表的延伸方向平等于外表的缺陷、外表粗糙、形狀復(fù)雜的試件，此外，該方法對(duì)缺陷的定性、定量表征常常不準(zhǔn)確．兩者進(jìn)一步比照電渦流無(wú)損探傷檢測(cè)是應(yīng)用于導(dǎo)電材料檢測(cè)的一種常規(guī)方法。與超聲波檢測(cè)相比擬，它的測(cè)量范圍那么相對(duì)較小，同時(shí)它又容易受到多種因素的影響。并且渦流的鼓勵(lì)頻率的上下也直接影響渦流檢測(cè)的效果。一般而言，鼓勵(lì)頻率高，靈敏度就高，但渦流更集中于試件外表。而超聲波檢測(cè)的適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高、不易受影響、對(duì)人體無(wú)害、使用靈活、設(shè)備輕巧、本錢低廉、可即時(shí)得到探傷結(jié)果，適合各種環(huán)境下工作，并能對(duì)正在運(yùn)行的裝置和設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。雖然超聲波檢測(cè)難以識(shí)別缺陷的種類，但采用超聲波頻譜分析和超聲波全息成像方法，都有助于對(duì)缺陷的定性?？梢娤噍^于電渦流檢測(cè)，超聲波檢測(cè)是無(wú)損探傷檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中更適用且更活潑的檢測(cè)方法。技術(shù)改良近幾年來，針對(duì)超聲波檢測(cè)的缺陷，在其根底上一種新的檢測(cè)技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)——超聲相控陣技術(shù)。相控超聲相控陣技術(shù)是使用不同形狀的多陣元換能器來產(chǎn)生和接收超聲波波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的時(shí)間延遲，改變聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方向的變化，然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)圖像成像．與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)相比，由于聲束角度可控和可動(dòng)態(tài)聚焦，超聲相控陣技術(shù)具有可檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷和較高的檢測(cè)頻率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高速、全方位和多角度檢測(cè)．對(duì)于一些規(guī)那么的被檢測(cè)對(duì)象，如管形焊縫、板材和管材等，超聲相控陣技術(shù)可提高檢測(cè)效率、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低技術(shù)本錢．特別是在焊縫檢測(cè)中，采用合理的相控陣檢測(cè)技術(shù)，只需將換能器沿焊縫方向掃描即可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的覆蓋掃查檢測(cè)．這就使得該技術(shù)與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)相比，具有信噪比高、超聲束更窄、有效探傷深度范圍大、分辨力高和效率大的特點(diǎn)。近年來，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的開展比以往任何時(shí)候都更快、更新，無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)更深入、更廣泛地參與到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域．相信在不遠(yuǎn)的將來，新生領(lǐng)域如納米材料、微機(jī)電器件等行業(yè)的無(wú)損