電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

1、 周德強(qiáng)周德強(qiáng)聯(lián)系方式聯(lián)系方式: :電磁無(wú)損檢測(cè)及應(yīng)用電磁無(wú)損檢測(cè)及應(yīng)用2 2一一個(gè)人基本情況個(gè)人基本情況二二電磁無(wú)損檢測(cè)電磁無(wú)損檢測(cè)三三常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)常規(guī)渦流無(wú)損檢測(cè)四四遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無(wú)損檢測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無(wú)損檢測(cè)五五多頻渦流無(wú)損檢測(cè)多頻渦流無(wú)損檢測(cè)六六脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)七七漏磁無(wú)損檢測(cè)漏磁無(wú)損檢測(cè)3 32007.4-2010.6 2007.4-2010.6 南京航空航天大學(xué)南京航空航天大學(xué) 測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器 博士學(xué)位博士學(xué)位2008.9-2009.9 2008.9-2009.9 受國(guó)家留學(xué)基金委資助在英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)受國(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

2、計(jì)算機(jī)學(xué)院從事合作研究電氣電子與計(jì)算機(jī)學(xué)院從事合作研究2002.9-2005.6 2002.9-2005.6 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程 碩士學(xué)位碩士學(xué)位1997.9-2001.6 1997.9-2001.6 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械電子工程機(jī)械電子工程 學(xué)士學(xué)位學(xué)士學(xué)位學(xué)習(xí)經(jīng)歷學(xué)習(xí)經(jīng)歷4 42011.10-2011.10-至今至今 無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司無(wú)錫國(guó)盛精密模具有限公司 博士后博士后 2010.6-2010.6-至今至今 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 講師講師 碩士生導(dǎo)師碩士生導(dǎo)師 2005.7-2007.1 2005.7-2007.1 江蘇技

3、術(shù)師范學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院江蘇技術(shù)師范學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2001.7-2002.6 2001.7-2002.6 武漢鋼鐵集團(tuán)公司建設(shè)公司武漢鋼鐵集團(tuán)公司建設(shè)公司工作經(jīng)歷工作經(jīng)歷5 5主持項(xiàng)目主持項(xiàng)目（1 1）國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（）國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（051107053051107053） 方向性脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)機(jī)理與應(yīng)用研究方向性脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)機(jī)理與應(yīng)用研究 2525萬(wàn)萬(wàn)（2 2）中國(guó)博士后基金）中國(guó)博士后基金 5 5萬(wàn)萬(wàn)（3 3）20122012年入選年入選“江蘇省企業(yè)博士集聚計(jì)劃江蘇省企業(yè)博士集聚計(jì)劃” 2020萬(wàn)萬(wàn)申獲專利申獲專利 3 3項(xiàng)，其中發(fā)明專利項(xiàng)，其中發(fā)明

4、專利2 2項(xiàng)，實(shí)用新型項(xiàng)，實(shí)用新型1 1項(xiàng)。項(xiàng)。發(fā)表論文發(fā)表論文 2020余篇，其中國(guó)際期刊余篇，其中國(guó)際期刊3 3篇（篇（SCISCI檢索），國(guó)內(nèi)重檢索），國(guó)內(nèi)重 要核心期刊要核心期刊3 3篇（篇（EIEI檢索）。檢索）?？蒲星闆r科研情況6 6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)性能的一類試驗(yàn)方法。來(lái)判斷被測(cè)材料組織及有關(guān)性能的一類試驗(yàn)方法。 分類：分類：7 7分類，以方波為例：分類，以方波為例：00n1( )sin()nnf tAAnt0nAn、和和式中，式中， 、 、 分別為基

5、準(zhǔn)角頻率、振幅譜和相位譜。分別為基準(zhǔn)角頻率、振幅譜和相位譜。0nAn8 8分類分類1 1）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)，為直流漏磁檢測(cè)，此時(shí)被測(cè)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。試件中不產(chǎn)生渦流。 0(1,2,., )nAn2 2）當(dāng)）當(dāng) ，且多項(xiàng)式中僅有一項(xiàng)時(shí)，產(chǎn)生單頻激勵(lì)。，且多項(xiàng)式中僅有一項(xiàng)時(shí)，產(chǎn)生單頻激勵(lì)。 00A 3 3）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)時(shí) ，且多項(xiàng)式中有多項(xiàng)式時(shí)，產(chǎn)生多頻激勵(lì)。，且多項(xiàng)式中有多項(xiàng)式時(shí)，產(chǎn)生多頻激勵(lì)。00A 4 4）當(dāng)具有全頻時(shí)，產(chǎn)生脈沖激勵(lì)。）當(dāng)具有全頻時(shí)，產(chǎn)生脈沖激勵(lì)。9 9激勵(lì)磁場(chǎng)的成分激勵(lì)磁場(chǎng)的成分1.1.從磁場(chǎng)的穿透能力來(lái)看從磁場(chǎng)的穿透能力來(lái)看，直流磁化能夠穿透鐵磁性構(gòu)

6、件的全斷，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。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。2.2.從信息獲取的角度來(lái)看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，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)

7、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。流技術(shù)等。3.3.從信號(hào)處理上看從信號(hào)處理上看，直流磁化僅包含幅度信息，考慮磁場(chǎng)空間分，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。析的范圍和參量更復(fù)雜。10101111研究意義研究意義 輸出與被測(cè)體電磁輸出與被測(cè)體電磁特性有關(guān)特性有關(guān) 電渦流傳感器電渦流傳感器性能與探頭線圈結(jié)性能與探頭線圈結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)相關(guān)構(gòu)和幾何參數(shù)相關(guān) 同一企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)因被測(cè)體電

8、磁特性不同需購(gòu)進(jìn)不同傳感器同一企業(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)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。定傳感器。 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用其他傳感器不能替代 1212尋求消除被測(cè)體電磁特性對(duì)傳感器輸出影尋求消除被測(cè)體電磁特性對(duì)傳感器輸出影響的響的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論，并研究其，并研究其實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法研究探頭幾何結(jié)構(gòu)及其參數(shù)對(duì)傳感器性能研究探頭幾何結(jié)構(gòu)及其參數(shù)對(duì)傳感器性能的的影響影響，對(duì)提高傳感器性能對(duì)

9、提高傳感器性能提供指導(dǎo)提供指導(dǎo)1313線圈線圈被測(cè)體被測(cè)體輸入輸入一級(jí)磁場(chǎng)一級(jí)磁場(chǎng)二級(jí)磁場(chǎng)二級(jí)磁場(chǎng)渦流渦流),(,fxFQLZ1414 渦流等效電路渦流等效電路 1111212222jjjj0I RILIMUIMI RIL2222121222222222(2 )(2 )Z2-2(2)(2)f Mf MRRjfLfLRfLRfL 222122222222122222()()() = - ()LMRRRRLLMLLLRL1515單匝線圈的阻抗求解模型單匝線圈的阻抗求解模型OyxzI(t)z1區(qū)區(qū)2區(qū)區(qū)3區(qū)區(qū)4區(qū)區(qū)c1 1區(qū)：區(qū)：z z-0) 0) 2 2區(qū)：區(qū)：- -c c z z003 3區(qū)：區(qū)

10、：00z z zz1616軸對(duì)稱時(shí)諧電磁場(chǎng)軸對(duì)稱時(shí)諧電磁場(chǎng)本構(gòu)方程本構(gòu)方程約束方程約束方程4, 3, 2, 10)1(222iAkAiii) (limlimlimlimlimlimlimlimlimlimlimlim04030403032020030202001202010IzAzAAAzAzAAAzAzAAAzzzzzzzzzzzzczczczcz0lim0lim0lim0lim4321AAAA內(nèi)邊界條件內(nèi)邊界條件無(wú)限遠(yuǎn)邊界條件無(wú)限遠(yuǎn)邊界條件定解問(wèn)題定解問(wèn)題BA 0 A1717柱坐標(biāo)系下柱坐標(biāo)系下0)1(1222222zAAkAAi)(f2)(Zg0)1(222RRRSLSL型本征值問(wèn)題方程

11、型本征值問(wèn)題方程 (1)(1)0)1()111(222222ikzZZRRRR(2)(2)0) 1(22222RRR(3)(3)分離變量分離變量法法)()(zZRA1818t t=0) 1(2222RttRttRtBESSEL BESSEL 方程方程d)()(),(4312110uzuzeCeCYCJCzA無(wú)限遠(yuǎn)邊界條件無(wú)限遠(yuǎn)邊界條件內(nèi)邊界條件內(nèi)邊界條件d) ()(2)(210101121zzucuueeuJJIAd)()() ()(2212)2(2110102zuczuzeuueuueJJIAd)() ()(2110103zzzeeeJJIAd)() ()(2110104zzzeeeJJIA

12、currrrcurrrrcurrrrreuuuuuueuuuuuueuuuuuu222212212221221222122122)()()()()()( R R的通解的通解 Z Z的通解的通解1919圓柱線圈阻抗求解模型yOxr1r2dhz線圈線圈c1 1區(qū)：區(qū)：z z-c c2 2區(qū)：區(qū)：- -c c z z003 3區(qū)：區(qū)：00z z d d+ +h h2020d ddzJI dhhrrzJI21d dhddhhzeeze1dd) ()1 ()(),(21)(2012101121zuhdcuueJeeeuJrrUJAd)()()1 ()(),(2212)2(21012102zuczuhdc

13、euueuueeJrrUJAd)()1 ( ),(21102103zzhdAeeJeerrUJAd)() 1()1 (),(21102104zhdhdeJeeeerrUJAtttJrrUrrd)(1),(21132121215區(qū)：hzd+h P P( (, , ,z z) ) d)(1()(),(21)(1021051dhzzzdheeeeJrrUJA上部線圈單獨(dú)作用上部線圈單獨(dú)作用 d)(1 ()(),(21)(0121052zhzhzeeeeJrrUJA下部線圈單獨(dú)作用下部線圈單獨(dú)作用 d)1 (2)(),(21)()()(1021052515dhzzdhhzeeeeJrrUJAAA222

14、2zjIzAnjjZrrdhhcd)(),(dd)(20521)(jZd)1 () 1(2),(22022102hddceeedrrUnjd) 1( ),(2)(021220dcinedrrUnjjZd)1 ( ),()(22021202hdcsceerrUnjjZ入射場(chǎng)阻抗入射場(chǎng)阻抗 散射場(chǎng)阻抗散射場(chǎng)阻抗 2323圓柱線圈阻抗的數(shù)值計(jì)算圓柱線圈阻抗的數(shù)值計(jì)算 zr2r1dhbc520121220)()()exp(1 2),(2)(iiiiiiicinbJbddrrIntnjjZ)2exp()()()2exp(1)()()()(exp()exp(2),(2)(222225202121220cu

15、uucuubJbdhhrrIntnjjZiiriiriiriiiiiiiiicsciriiriiiiiiiicscuubJbdhhrrIntnjjZ5202121220)()()(exp()exp(2),(2)(tttJrrIntrriiid)(),(21121 2424傳感器磁場(chǎng)有限元仿真及線圈阻抗計(jì)算場(chǎng)量隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化場(chǎng)量隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化線圈激勵(lì)電壓均勻分布線圈激勵(lì)電壓均勻分布忽略探頭運(yùn)動(dòng)速度的影響忽略探頭運(yùn)動(dòng)速度的影響線圈中的渦流忽略不計(jì)線圈中的渦流忽略不計(jì) 電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率均為常數(shù)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)處理忽略位移電流，按似穩(wěn)場(chǎng)處理 忽略被測(cè)體電阻率的溫

16、度效應(yīng)忽略被測(cè)體電阻率的溫度效應(yīng) 假假設(shè)設(shè)00JBBEJHjw2525有限元仿真有限元仿真3D 模型(a) (a) 模型模型1 1(b) (b) 模型模型2 2探頭線圈探頭線圈被測(cè)體被測(cè)體近場(chǎng)空氣近場(chǎng)空氣遠(yuǎn)場(chǎng)空氣遠(yuǎn)場(chǎng)空氣探頭線圈探頭線圈被測(cè)體被測(cè)體被 限 定被 限 定的空氣的空氣26263D 分析結(jié)果分析結(jié)果(b) (b) 模型模型2 2磁磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度度分分布布圖圖渦渦流流密密度度分分布布圖圖(a) (a) 模型模型1 127273D 分析結(jié)果分析結(jié)果(a) (a) 模型模型1 (b) 1 (b) 模型模型2 2被測(cè)體半徑被測(cè)體半徑 (mm)(mm)渦流密度渦流密度 ( (10103 3A/m

17、A/m2 2) )1235123511331133103110319299298278277257256236235215214194193173172152150 1.8 3.6 5.4 0 1.8 3.6 5.4 7.2 9.07.2 9.00.9 2.7 4.5 6.3 0.9 2.7 4.5 6.3 8.1 8.1 被測(cè)體半徑被測(cè)體半徑 (mm)(mm)122912291127112710251025923923821821719719617617515515413413311311209209渦流密度渦流密度 ( (10103 3A/mA/m2 2) )0 1.8 3.6 5.4 0

18、 1.8 3.6 5.4 7.2 9.07.2 9.00.9 2.7 4.5 6.3 0.9 2.7 4.5 6.3 8.1 8.1 渦流密度沿被測(cè)體徑向分布曲線圖渦流密度沿被測(cè)體徑向分布曲線圖28283D 分析結(jié)果分析結(jié)果項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)值數(shù)值項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)值數(shù)值項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)值數(shù)值項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)值數(shù)值線圈內(nèi)徑線圈內(nèi)徑 1.00mm 線圈外直徑線圈外直徑 4.70mm被測(cè)體半徑被測(cè)體半徑9.00mm激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓24V線圈高度線圈高度 5.10mm 被測(cè)體高度被測(cè)體高度12.00mm線圈直流電阻線圈直流電阻12激勵(lì)頻率激勵(lì)頻率 10KHz模型模型實(shí)部電流實(shí)部電流(A) 虛部電流虛部電流(A) 電阻電阻()

19、感抗感抗() 11.30231.399650.391254.153121.30351.400150.372554.1470誤差（）誤差（）0.090.040.040.02IUZ 表表1 1表表2 22929有限元仿真有限元仿真2D模型x xx x(a) (a) 模型模型1 (b) 1 (b) 模型模型2 2線圈線圈被測(cè)體被測(cè)體y yB BA AC C空氣空氣線圈線圈無(wú)無(wú)限限遠(yuǎn)遠(yuǎn)空空氣氣B BA A近場(chǎng)空氣近場(chǎng)空氣被測(cè)體被測(cè)體D D30302D仿真結(jié)果和仿真結(jié)果和3D仿真結(jié)果比較仿真結(jié)果比較模型模型實(shí)部電流實(shí)部電流(A)虛部電流虛部電流(A)電阻電阻()感抗感抗()2D模型模型模型模型11.35

20、591.400450.466952.1232模型模型21.35731.401250.438852.07023D模型模型模型模型11.30231.399650.391254.1561模型模型21.30351.400150.372554.1470誤差誤差(%)4.130.110.193.93可用可用2D2D模型代替模型代替3D3D模型進(jìn)行電渦流傳感器的電磁場(chǎng)模型進(jìn)行電渦流傳感器的電磁場(chǎng)仿真和線圈阻抗計(jì)算仿真和線圈阻抗計(jì)算 表表4 43131線圈阻抗理論和有限元計(jì)算值比較線圈阻抗理論和有限元計(jì)算值比較 相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值不銹鋼相對(duì)磁導(dǎo)率不銹鋼相對(duì)磁導(dǎo)率r1.01

21、線圈內(nèi)徑線圈內(nèi)徑r1 / mm0.60不銹鋼電導(dǎo)率不銹鋼電導(dǎo)率 / MS/m1.3333線圈外徑線圈外徑r2 / mm2.0045#鋼相對(duì)磁導(dǎo)率鋼相對(duì)磁導(dǎo)率r1496線圈高度線圈高度D/ mm0.8045#鋼電導(dǎo)率鋼電導(dǎo)率 / MS/m7.576被測(cè)體厚度被測(cè)體厚度c檢測(cè)頻率檢測(cè)頻率f / KHz1000強(qiáng)加邊界到對(duì)稱強(qiáng)加邊界到對(duì)稱40r2檢測(cè)距離檢測(cè)距離h/ mm0.50軸的距離軸的距離b/ mm相關(guān)計(jì)算參數(shù)相關(guān)計(jì)算參數(shù)計(jì)算項(xiàng)計(jì)算項(xiàng)理論理論計(jì)算值計(jì)算值有限元計(jì)算值有限元計(jì)算值誤差誤差2 (%)誤差誤差3 (%)模型模型1模型模型2誤差誤差1 (%) ZinR ()4.76254.76234.

22、76120.230.0040.27X ()199.026198.0768 198.57830.250.470.23Z=Zin + Zsc (不銹鋼不銹鋼)R ()14.269414.502914.30691.351.620.26X () 174.3406 172.8186 173.27080.260.870.61Z=Zin + Zsc (45#鋼鋼)R ()14.902314.960914.96430.020.390.41X () 224.7151 224.9792 224.48290.220.120.10表表5 5表表6 63232結(jié)論：一定范圍外的空氣對(duì)傳感器磁場(chǎng)影響較小一定范圍外的空氣對(duì)

23、傳感器磁場(chǎng)影響較小利用軸對(duì)稱可將利用軸對(duì)稱可將3D3D模型簡(jiǎn)化為模型簡(jiǎn)化為2D2D模型模型理論計(jì)算法和有限元法得到了相互驗(yàn)證理論計(jì)算法和有限元法得到了相互驗(yàn)證3333(a) 非磁性材料非磁性材料電阻電阻()感抗感抗()檢測(cè)距離檢測(cè)距離(mm)403020100-10-20-30-40-50-60-700.5 1 1.5 2 感抗感抗(c=4mm）感抗感抗(c=infinite）電阻電阻(c=4mm）電阻電阻(c=infinite）0 檢測(cè)距離檢測(cè)距離(mm)電阻電阻()感抗感抗()(b) 鐵磁性材鐵磁性材料料 感抗感抗(c=0.04mm）感抗感抗(c=infinite）電阻電阻(c=0.04m

24、m）電阻電阻(c=infinite）非磁性材料的自旋排列圖非磁性材料的自旋排列圖 鐵磁性材料的自旋排列圖鐵磁性材料的自旋排列圖 3434消除傳感器與被測(cè)材料相關(guān)性的方法消除傳感器與被測(cè)材料相關(guān)性的方法 方法的提出方法的提出 感抗感抗L L電阻電阻R R投影平面投影平面Z Zp p( (x x3 3) )Z Zp p( (x x2 2) )Z Zp p( (x x1 1) )x x1 1x x2 2x x3 3Z Z1 1Z Z2 2Z Z3 3Z Zp p3 3Z Zp p2 2Z Zp p1 1O O驗(yàn)證過(guò)程：驗(yàn)證過(guò)程：1. 1. 線圈電阻感抗線性線圈電阻感抗線性2. 2. 關(guān)系曲線平行關(guān)系

25、曲線平行3. 3. 線性變化線性變化 驗(yàn)證方法：驗(yàn)證方法： 有限元法和試驗(yàn)法有限元法和試驗(yàn)法3535方法的驗(yàn)證方法的驗(yàn)證有限元法有限元法相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值輸入頻率輸入頻率f/KHz900內(nèi)徑內(nèi)徑r1 / mm0.60被測(cè)體高度被測(cè)體高度t/mm9.00線圈直流電阻線圈直流電阻R/4.70外徑外徑r2 / mm2.65被測(cè)體半徑被測(cè)體半徑rt/mm12.00線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)130高度高度d/ mm0.80有限元分析參數(shù)有限元分析參數(shù)材料名稱材料名稱45號(hào)鋼號(hào)鋼鋁鋁硬鋁硬鋁(固溶狀態(tài)固溶狀態(tài))硬鋁硬鋁(退火退火)銅銅(T1)不銹鋼不

26、銹鋼(1Cr18Ni9Ti)電阻率電阻率 (10-6/m) 0.132 0.026220.0730.044 0.01710.75相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率149611111.01材料參數(shù)材料參數(shù)363602040608010012080100120140160180200220240260280感抗（）電阻（）感抗感抗 = 76.17467 + 1.70342 = 76.17467 + 1.70342 電電阻阻R R SD SD N NP P0.999810.99981 1.41433 6 1.41433 60.00010.0001同一檢測(cè)距離同一檢測(cè)距離 同一條直線同一條直線37370204060

27、801001208010012014016018020022024026028002040608010012080100120140160180200220240260280020406080100120801001201401601802002202402602800204060801001208010012014016018020022024026028002040608010012080100120140160180200220240260280感抗（）電阻（） 0.05mm 0.5mm 2.0mm 1.5mm 1.0mm不不同同檢檢測(cè)測(cè)距距離離 平平行行3838檢測(cè)距離檢測(cè)距離(mm)

28、0.000.501.001.502.00di- dj (i-j=1)0.500.500.500.50電阻電阻感抗感抗關(guān)系式關(guān)系式R=1.7034(wL)+76.1747R=1.7098(wL)+145.5526R=1.7174(wL)+174.7262R=1.6807(wL)+191.3107R=1.6940(wL)+200.2063直線斜率直線斜率1.70341.70981.71741.68071.6940直線截距直線截距b1=76.1747b2=145.5526b3=174.7262 b4=191.3107 b5=200.2063bi - bj (i-j=1)69.377929.17361

29、6.58458.8956斜率平均值斜率平均值1.7011斜率誤差斜率誤差(%)0.140.510.961.200.413939有限元法驗(yàn)證結(jié)論有限元法驗(yàn)證結(jié)論1.在同一檢測(cè)距離下、不同被測(cè)材料下線圈電阻和感在同一檢測(cè)距離下、不同被測(cè)材料下線圈電阻和感抗呈線性關(guān)系；抗呈線性關(guān)系；2.在不同檢測(cè)距離下，線圈電阻和感抗的關(guān)系曲線相在不同檢測(cè)距離下，線圈電阻和感抗的關(guān)系曲線相互平行；互平行；3.檢測(cè)距離和各條直線截距不是線性變化的。檢測(cè)距離和各條直線截距不是線性變化的。 4040方法的驗(yàn)證方法的驗(yàn)證試驗(yàn)法試驗(yàn)法 探頭阻抗測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)探頭阻抗測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)阻抗分阻抗分析儀析儀高精度位高精度位移標(biāo)定器移標(biāo)定

30、器傳感探頭及傳感探頭及延伸電纜延伸電纜夾具夾具4141電感電感(H)(H)電阻電阻()()90 90 808070706060505020 70 20 70 120120電感電感=0.2759=0.2759* *電阻電阻+47.933+47.933R R2 2=0.9925=0.9925同一檢測(cè)距離同一檢測(cè)距離 線性線性4242圖圖 4-14 不同檢測(cè)距離、不同被測(cè)材料下線圈電阻和電感之間的關(guān)系不同檢測(cè)距離、不同被測(cè)材料下線圈電阻和電感之間的關(guān)系 (900KHz)電阻電阻()909085 85 80807575707065656060555525 50 75 25 50 75 100 1251

31、00 125(0.10mm2.00mm) (0.10mm2.00mm) 不同檢測(cè)距離不同檢測(cè)距離 平行平行4343直線的相關(guān)參數(shù)直線的相關(guān)參數(shù)距離距離(mm)電阻電阻電感關(guān)系式電感關(guān)系式截距截距斜率斜率斜率誤斜率誤差差(%)檢測(cè)檢測(cè)距離距離檢測(cè)距檢測(cè)距離間距離間距截距截距相鄰截相鄰截距變化距變化0.10R=0.2759(L)+47.933047.93300.27592.950.200.10R=0.2795(L)+51.205051.20503.27200.27951.690.400.20R=0.2842(L)+56.801056.80105.59600.28420.040.600.20R=0.

32、2966(L)+61.753061.75304.95200.28660.810.800.20R=0.2928(L)+65.581065.58103.82800.29282.991.000.20R=0.2925(L)+68.541068.54102.96000.29252.881.200.20R=0.2900(L)+71.368071.36802.82700.29002.001.400.20R=0.2861(L)+73.399073.39902.03100.28610.631.600.20R=0.2829(L)+75.018075.01801.61900.28290.491.800.20R=0.

33、2799(L)+76.400076.40001.38200.27991.552.000.20R=0.2769(L)+77.493077.49301.09300.27692.604444試驗(yàn)法驗(yàn)證結(jié)論試驗(yàn)法驗(yàn)證結(jié)論1.在同一檢測(cè)距離下、不同被測(cè)材料下線圈電阻和感在同一檢測(cè)距離下、不同被測(cè)材料下線圈電阻和感抗呈線性關(guān)系；抗呈線性關(guān)系；2.在不同檢測(cè)距離下，線圈電阻和感抗的關(guān)系曲線相在不同檢測(cè)距離下，線圈電阻和感抗的關(guān)系曲線相互平行；互平行；3.檢測(cè)距離和各條直線截距不是線性變化的檢測(cè)距離和各條直線截距不是線性變化的。 4545兩種驗(yàn)證方法結(jié)果比較兩種驗(yàn)證方法結(jié)果比較 實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法 有限元法有限元法

34、 基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論 0.2843 0.2843 1.701056 1.701056 1.6077 1.6077 斜率斜率 互感互感M M (H) (H) 磁 場(chǎng) 間 的 距 離磁 場(chǎng) 間 的 距 離x x (mm)(mm)非線性非線性 表明：增加非線性校正環(huán)節(jié)后，可通過(guò)表明：增加非線性校正環(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)的功能提出的方法實(shí)現(xiàn)與被測(cè)材料無(wú)關(guān)的功能4646l 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)。l 德國(guó)漢諾威大

35、學(xué)利用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。l 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)。l 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)。47472022-3-82022-3-84747管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)機(jī)理示意圖管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)機(jī)理示意圖管材管材2323管內(nèi)徑管內(nèi)徑激勵(lì)線圈激勵(lì)線圈檢測(cè)線圈檢測(cè)線圈低頻交流電低頻交流電近場(chǎng)區(qū)近場(chǎng)區(qū)過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)區(qū)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)區(qū)區(qū)能量直接耦合通道能量直接耦合通道能量的間接耦合通道能量的間接耦合通道4848 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)的特征：遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)的特征：1.幅值特性曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。幅值特性曲線

36、出現(xiàn)拐點(diǎn)。2.相位特性曲線出現(xiàn)相位特性曲線出現(xiàn)90的相位急劇變化。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。間接耦合通道的能量二次穿過(guò)待檢測(cè)材料。 (a)幅值特性曲線幅值特性曲線 (b)相位特性曲線相位特性曲線4949 導(dǎo)電平板激勵(lì)線圈檢測(cè)線圈間接能量耦合通道直接能量耦合通道電磁屏蔽結(jié)構(gòu)導(dǎo)電平板激勵(lì)線圈檢測(cè)線圈間接能量耦合通道直接能量耦合通道電磁屏蔽結(jié)構(gòu) 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)線圈和檢測(cè)線圈同在平板導(dǎo)體件的一側(cè)時(shí)，使得檢測(cè)線圈設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)激勵(lì)線圈和檢

37、測(cè)線圈同在平板導(dǎo)體件的一側(cè)時(shí)，使得檢測(cè)線圈檢測(cè)的也是兩次穿過(guò)板厚的間接耦合通道的能量。檢測(cè)的也是兩次穿過(guò)板厚的間接耦合通道的能量。5050 阻抗分析法（或稱相位分析法）的應(yīng)用使渦流檢測(cè)阻抗分析法（或稱相位分析法）的應(yīng)用使渦流檢測(cè)向前跨出一大步，但是，傳統(tǒng)的相位分析法向前跨出一大步，但是，傳統(tǒng)的相位分析法均采用單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）數(shù)（即只能抑制一個(gè)干擾因素的影響）。單頻渦流檢。單頻渦流檢測(cè)雖應(yīng)用較廣，如對(duì)管、棒、線材等金屬產(chǎn)品的探傷測(cè)雖應(yīng)用較廣，如對(duì)管、棒、線材等金屬產(chǎn)品的探傷。但

38、對(duì)許多復(fù)雜重要的構(gòu)件，如熱交換器管道的在役。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；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。皮下缺陷的檢測(cè)，具有多種干擾因素待排除。5151 為了使渦流儀器能在試驗(yàn)中同時(shí)鑒別更多的參數(shù)，為了使渦流

39、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)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)。受檢工件做出正確評(píng)價(jià)。 多頻多頻/多參數(shù)渦流檢測(cè)技術(shù)是多參數(shù)渦流檢測(cè)技術(shù)是1970年美國(guó)科學(xué)家年美國(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)有效地抑

40、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）。（如缺陷信息、壁厚情況等）。5252多頻渦流檢測(cè)基本原理多頻渦流檢測(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，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。所要解決的問(wèn)題所在。5353二二 、脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)、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

41、脈沖渦流檢測(cè)原理試件試件激勵(lì)線圈激勵(lì)線圈BexcIeddy霍爾傳感器霍爾傳感器Beddy),(excitationrBxf 激勵(lì)脈沖激勵(lì)脈沖脈沖磁場(chǎng)脈沖磁場(chǎng)瞬時(shí)渦流瞬時(shí)渦流反磁場(chǎng)反磁場(chǎng)線圈阻抗的變化線圈阻抗的變化或磁傳感器輸出或磁傳感器輸出5454二二 、脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)、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)算渦流集膚深度的計(jì)算 2 單頻渦流趨膚深度單頻渦流趨膚深度脈沖渦流趨膚深度脈沖渦流趨膚深度01n1()sin()nnf tAAn t12,1,3,5,7,nnn1125555 漏磁檢測(cè)方法是一項(xiàng)自動(dòng)化程度較高的磁學(xué)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