淺析多頻渦流與脈沖渦流檢測技術(shù)間的關(guān)系

林俊明

（愛德森（廈門）電子有限公司，廈門 361004）

多頻渦流和脈沖渦流檢測技術(shù)是兩種不同的渦流檢測方法。

多頻渦流檢測技術(shù)采用幾個頻率同時工作，能有效地抑制多種干擾因素，一次性提取多個所需的信號（如缺陷信息、壁厚情況等），實現(xiàn)多參數(shù)檢測。在當今對許多復(fù)雜重要的構(gòu)件，如熱交換器管道、汽輪機葉片、大軸中心孔等的檢測中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

脈沖渦流檢測技術(shù)通常使用具有一定占空比的方波（具有一定上升沿和下降沿時間的單次或周期性的波形）作為激勵信號。采用這種激勵方式時，無需更換探頭和改變激勵頻率就可對被測件大面積不同深度內(nèi)的缺陷進行一次性掃描檢測。脈沖渦流檢測技術(shù)具有操作簡單、可通過后續(xù)算法消除提離和邊緣效應(yīng)等優(yōu)點［2］，被認為是未來很有發(fā)展?jié)摿Φ臒o損檢測技術(shù)之一［3］。

筆者將從多頻渦流和脈沖渦流檢測技術(shù)的基本工作原理出發(fā)，對這兩種渦流無損檢測技術(shù)進行比較分析，探尋兩者間的關(guān)系，并列舉兩種技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。

1 多頻渦流與脈沖渦流檢測技術(shù)的基本原理

1.1 多頻渦流檢測基本原理

多頻渦流檢測通常根據(jù)被檢測對象同時需檢測的目標參數(shù)（如缺陷、管壁厚度等）和要排除的干擾信號（如支撐板、管板等引起的干擾信號和抖動信號），用合適的含有多種頻率成分的信號激勵檢測線圈，然后對受檢對象作用參數(shù)調(diào)制的輸出信號加以放大，分別進行解調(diào)，并把解調(diào)信號的各個分量以指定的方式組合起來（混頻），綜合分析處理，達到“去偽存真”的目的。

多頻渦流法中每一個檢測通道的檢測結(jié)果都與所有被測件目標參數(shù)有關(guān)，因此，對于n個作用參數(shù)，就要求有n＋1個或2n個獨立的檢測通道，以便能將所有感興趣的參數(shù)分離，使處理后每一個通道表示一個參數(shù)。為了分離提取各個參數(shù)信號，需要一系列的數(shù)學計算調(diào)整，其數(shù)學方法基于數(shù)學矩陣或矢量空間轉(zhuǎn)換的原理［4－5］。

1.2 脈沖渦流檢測基本原理

在渦流激勵線圈兩端施加脈沖信號后，激勵線圈中就存在單次或周期的脈沖電流。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，激勵線圈中的脈沖電流會感生出一個快速衰減的脈沖磁場，該脈沖磁場又會在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時渦流（脈沖渦流），向?qū)w試件內(nèi)部傳播。當激勵信號的波峰消失后，被測材料中產(chǎn)生的感應(yīng)電流波形就反映了材料參數(shù)。隨著渦流磁場的衰減，檢測探頭上就會感應(yīng)出隨時間變化的電壓信號。由于渦流磁場的大小與被測試件本征特性密切相關(guān)，若試件中存在缺陷，將使渦流磁場的分布發(fā)生變化，最終使檢測探頭的信號發(fā)生變化，該變化的信號就間接包含了被測試件的本征特性（如裂紋的深度、大小、類型等）。將該檢測信息進行進一步的后續(xù)信號處理，提取相關(guān)特征量等，即可實現(xiàn)對被測件的檢測。

2 多頻渦流與脈沖渦流檢測技術(shù)間的關(guān)系

根據(jù)多頻渦流和脈沖渦流檢測技術(shù)的工作原理，得到兩者檢測過程的電路信號流程圖如圖1所示。利用信號發(fā)生器為探頭提供所需的激勵信號r1（t）。受試件參數(shù)的影響，探頭得到響應(yīng)信號r2（t）。同時，信號發(fā)生器提供激勵信號給補償電路，由補償電路給出補償信號r3（t），對探頭信號進行調(diào)整，得到調(diào)整后的信號r4（t），然后r4（t）傳送給濾波器和放大器，再把信號展開送入頻譜分析或相敏檢波器，與信號發(fā)生器提供的參考信號r5（t）相結(jié)合，得到一系列函數(shù)信號Ci，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換電路后送入計算機或其他運算單元進行進一步處理，最終顯示檢測結(jié)果。從圖1可以看出，多頻渦流與脈沖渦流法的工作原理基本相同，不同之處在于兩種方法的激勵信號的形式，以及信號的處理模式。

圖1 多頻渦流與脈沖渦流法信號流程圖

從信號頻譜關(guān)系的角度看，在激勵端，脈沖渦流方法中，通常線圈兩端的激勵信號采用如圖2所示的周期方波信號，其占空比為σ。對于這種周期函數(shù)形式的脈沖激勵信號，可以用三角傅里葉級數(shù)來表示，其基頻為ω＝2π／T。假設(shè)周期脈沖信號的幅值為A，等價的傅里葉級數(shù)可以寫為式（1）所示的形式，其中n表示諧波階數(shù)，t為時間坐標。從上述分析可知，利用方波激勵（其基頻f1＝1／T）實施脈沖渦流檢測就相當于利用頻率為fn＝nf1，n＝1，2，3...的無數(shù)個連續(xù)正弦激勵實施多頻渦流檢測的過程，其幅值總是≤2A／nπ，而這一值是隨著n值的增加而逐步減小的。當用脈沖信號進行渦流檢測，由于激勵信號有很寬的帶寬，同樣也可以獲得試件的多參數(shù)信息，所以和多頻渦流檢測一樣，脈沖渦流檢測也能實現(xiàn)多參數(shù)檢測。脈沖渦流的輸入g（t）表示成以下形式：

圖2 脈沖激勵

根據(jù)疊加原理，在輸入瞬態(tài)脈沖可看作多個輸入諧波之和時，對應(yīng)的瞬態(tài)輸出為各諧波輸入量所對應(yīng)的輸出量之和。若取占寬比σ＝0.5，則式（1）可以寫成［6］：

假設(shè)對n通道的多頻渦流檢測儀施加式（2）中對應(yīng)的諧波激勵，就相當于進行脈沖渦流檢測，當然此時不考慮后續(xù)的信號處理方法，如圖3所示。

圖3 脈沖渦流與多頻渦流的信號等效分析

從上述分析可知，如果從脈沖渦流與多頻渦流檢測激勵信號的頻譜分析角度來理解，脈沖渦流的實質(zhì)是衰減型的多頻渦流，或者說多頻渦流的實質(zhì)是具有高頻諧波加權(quán)補償?shù)拿}沖渦流。

在信號的分析處理方面，多頻渦流在阻抗平面分析技術(shù)的基礎(chǔ)上有進一步的處理模式，即采用混頻技術(shù)來抑制干擾信號。它的原理是：每個檢測通道的信號都可由試件參數(shù)的不同線性組合來表示，通過對不同通道的信號進行旋轉(zhuǎn)、放大、相減等處理，即可抑制干擾信號。多頻渦流法中的混頻處理起到“去偽存真”的作用，提高了渦流檢測的可靠性和靈敏度。而脈沖渦流法對檢測數(shù)據(jù)的分析過程相對比較簡單，目前對信號的分析主要在時域進行，通過從時域提取特征量對缺陷進行檢測，沒有充分利用脈沖渦流頻率分量豐富的優(yōu)點，當然，這里面也有具體技術(shù)因數(shù)的制約，例如，足夠?qū)挼碾娐吩鲆骖l帶在目前技術(shù)條件下很難達到。因此，尋找新的檢測特征量以及擴展信號分析域是目前脈沖渦流檢測的研究方向之一［4，7－9］。

在檢測設(shè)備的研發(fā)方面，多頻渦流方法中需要多個渦流檢測通道（理論上可以實現(xiàn)無窮個），通道越多成本越高，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性等要求也高，硬件電路不易實現(xiàn)。另有一種多頻渦流設(shè)計模式，即采用分時工作方式，但如此一來會影響檢測及處理速度和效率。而理論上脈沖渦流則等價于成百上千個激勵／檢測通道同時工作，它能獲得瞬態(tài)大功率，較多頻渦流法對金屬材料的穿透檢測能力更強，硬件電路成本也相對較低，但實際應(yīng)用中，高頻信號相對較弱，受電路頻帶噪聲的影響，拾取能力遠不如多頻渦流設(shè)備。從頻譜角度分析的結(jié)論也確鑿地佐證了這一點。

3 多頻渦流與脈沖渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用

在這兩種檢測技術(shù)的應(yīng)用方面，經(jīng)過多年的發(fā)展，它們均已形成相對成熟的檢測設(shè)備，并在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但目前，多頻渦流技術(shù)仍占據(jù)著絕對的優(yōu)勢。如基于多頻渦流技術(shù)的EEC－39RFT＋＋視頻／多頻／遠場渦流檢測儀，目前已在航天航空、核工、電力等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用：比如在大亞灣核電站的常規(guī)島鈦管、漢川電廠的凝汽器銅管、湖北雙環(huán)化工集團的不銹鋼管檢測［9－11］等諸多熱交換器管道檢測中，抑制在役管道支撐板、管子材質(zhì)不均勻、形變以及探頭晃動等造成的干擾，檢測出在役金屬管道可能存在的缺陷及壁厚腐蝕減??；脈沖渦流技術(shù)則適用于電力、石油、化工和天然氣等行業(yè)中直接對表面帶有涂層、隔熱層、隔層（如鋁、不銹鋼、鍍鋁鋼等）或被測表面粗糙、有結(jié)垢的管道進行檢測，如在役隔熱層下鋼管壁厚腐蝕減薄的檢測，典型產(chǎn)品為EEC－83帶保溫層管壁電磁測厚儀。而集多頻渦流與脈沖渦流功能于一體、帶有頻譜分析功能的EEC－96＋八頻56通道渦流檢測儀，在汽車零部件材料檢驗中，分析、計算和復(fù)原渦流響應(yīng)信號的主頻及其高次諧波分量，實現(xiàn)對鋼鐵材料的基體組織、表面硬度、滲碳層深檢測、混料分選等。

4 結(jié)語

基于法拉第電磁感應(yīng)原理的多頻渦流與脈沖渦流，屬于兩種不同的渦流檢測方法，具備常規(guī)渦流檢測的基本特性，如金屬材料的缺陷、組織酥松、幾何形變、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等不連續(xù)性的檢出，但這兩種方法前端的信號處理流程是基本一致的；就激勵信號而言，脈沖渦流可看作是衰減型的多頻渦流，或者說多頻渦流激勵的實質(zhì)是具有高頻諧波加權(quán)補償?shù)拿}沖渦流；從信號處理角度看，多頻渦流技術(shù)后期信號處理上主要基于頻域角度，并具有阻抗分析與混頻處理等技術(shù)；脈沖渦流技術(shù)后期信號處理上主要基于時域分析，并從中提取特征量。此外，多頻渦流可以任意選擇預(yù)置頻率參數(shù)及激勵強度，即在選定一組頻率后，采用不同的激勵與增益，獲得更多的組合信息量，故具備更多的靈活性。

在應(yīng)用方面，雖然目前多頻渦流的應(yīng)用面遠大于脈沖渦流，但脈沖渦流技術(shù)能勝任某些單頻或多頻渦流檢測無法完成的任務(wù)?？梢灶A(yù)期，隨著電磁渦流檢測理論的深入研究，電子技術(shù)與計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，多頻渦流和脈沖渦流檢測技術(shù)必將成為電磁檢測技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。

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