非金屬材料電磁檢測新技術(shù)研究

王星　郭靜　楊潔　易艷彤　衡東梅

摘要：目前的電磁檢測技術(shù)只適用于導(dǎo)電金屬材料和非金屬復(fù)合材料，如石墨和碳纖維，而不適用于非金屬非導(dǎo)電材料。理論分析表明，電常數(shù)的變化可能導(dǎo)致檢測線圈阻抗的變化。提出了一種新的無損檢測方法，通過對電常數(shù)的修正檢測非金屬材料中的缺陷。在實(shí)踐中，由電常數(shù)變化引起的阻抗變化信號非常微弱。使用電路，例如電橋、放大器、相位敏感探測、濾波等。為了消除干擾信號，選擇并放大有用信號，提高探測信號/噪聲比率，有效判斷非金屬材料是否存在缺陷或不連續(xù)性。

關(guān)鍵詞：電磁檢測;非金屬材料;介電常數(shù);信噪比

前言

渦流檢測技術(shù)（ET）、交流電磁場檢測技術(shù)（ACFM）和電磁色譜成像技術(shù)（EMT）具有不接觸、不損害和不輻射的全部優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。盡管上述三種檢測技術(shù)均以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，但其檢測機(jī)制、特征信號提取電路和檢測電路因檢測對象和范圍而異。對這三種電磁無損檢測技術(shù)的分析可以促進(jìn)這些技術(shù)在開發(fā)過程中的交流和應(yīng)用。

一、三種檢測技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.典型的ET系統(tǒng)

一種系統(tǒng)和類型包括檢測探頭、信號源電路、信號處理電路等。探針激勵(lì)信號由高精度波形發(fā)生器產(chǎn)生，信號頻率由控制面板上的開關(guān)選擇。放大、XY分解、障礙物過濾/過濾、A/D轉(zhuǎn)換、測量信號導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后，間隔信號信息由算法提取，探頭線圈阻抗變化值顯示在顯示器上，從而獲得檢測到故障的位置等信息。

2.典型的ACFM檢測系統(tǒng)

典型的ACFM系統(tǒng)主要由電源、勵(lì)磁信號發(fā)生器、功率放大電路、散射電路、勵(lì)磁探頭、信號調(diào)節(jié)電路、A/D采集卡和PC組成。信號發(fā)生器將正弦波作為勵(lì)磁信號提供，驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁探頭，以零件表面的周期性旋轉(zhuǎn)方向激發(fā)均勻的感應(yīng)電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)感應(yīng)磁場，檢測探針提取零件表面的磁流密度信號，檢測軟件處理信號。

3.典型的EMT系統(tǒng)

EMT系統(tǒng)可分為三個(gè)部分。傳感器網(wǎng)絡(luò)、接口電路和計(jì)算機(jī)。傳感器網(wǎng)絡(luò)由屏蔽層、檢測線圈和勵(lì)磁線圈組成。勵(lì)磁電流應(yīng)用于每個(gè)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生可變磁場。不同方向的檢測線圈從對象域獲取電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率分布信息，并通過接口電路將其導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)。使用反向變換算法重建場的空間分布，即重建圖像。

二、電介質(zhì)介電常數(shù)

顧名思義，電介質(zhì)是一種非導(dǎo)電材料，即絕緣材料，在其中沒有移動(dòng)電氣負(fù)荷。如果將電子環(huán)境置于靜態(tài)電場中，則電子和原子核在電場強(qiáng)度的影響下，會(huì)在原子范圍內(nèi)進(jìn)行相對微位移，并且不能與它們所屬的原子分離，以實(shí)現(xiàn)如導(dǎo)管中的自由電子這樣的宏觀運(yùn)動(dòng)達(dá)到靜電平衡時(shí)，電場內(nèi)部的場強(qiáng)不等于零，這是電介質(zhì)的電能與導(dǎo)體電能的主要區(qū)別。電介質(zhì)包括各種物質(zhì)，如氣體、液體和固體。它是一種電氣絕緣材料，可以忽略其內(nèi)部的自由電荷。由于分子內(nèi)部力的限制，帶電粒子通常無法移動(dòng)。但是，在外部電場作用下，這些帶電粒子仍可在微觀一級移動(dòng)，也就是說，電環(huán)境可以偏振光，用電常數(shù)表示＼電環(huán)境在變換電磁場中偏振光，產(chǎn)生額外的電磁場。

在外部電場作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是整體反映介質(zhì)微極化過程的宏觀物理量。在沒有電場的情況下，構(gòu)成介質(zhì)的分子或原子對外部世界是中性的，在外部世界，原子核的正電荷中心與原子核周圍分布的電子電荷中心重合。但是，當(dāng)環(huán)境受到電場作用時(shí)，每個(gè)分子或原子的正負(fù)電荷中心相對偏移，中性分子或原子成為極。由不同原子或離子組成的分子，例如離子晶體中由正負(fù)離子組成的結(jié)構(gòu)單元，在沒有電場作用的情況下處于正常的節(jié)點(diǎn)位置，并保持對外界的電中立性。當(dāng)環(huán)境受到電場作用時(shí)，正負(fù)離子會(huì)產(chǎn)生相對位移，破壞原始的中性分布。實(shí)際上，電荷的再分配相當(dāng)于從中性分子轉(zhuǎn)變?yōu)楦綆ФO管。構(gòu)成極電環(huán)境的粒子是具有極端時(shí)刻的極分子。在沒有電場的情況下，極分子是隨機(jī)排列的，自然極矩向量在所有方向上分布的可能性相等。所有分子固有的極矩向量和零，整個(gè)電介質(zhì)保持電氣中立。但是，當(dāng)環(huán)境受到電場作用時(shí)，每個(gè)極分子在電場中都會(huì)受到旋轉(zhuǎn)，并且傾向于與電場方向?qū)R，從而導(dǎo)致電場兩極分化。

三、介電常數(shù)對傳感器的檢測影響

渦流檢測是一種基于電磁感應(yīng)原理的無損檢測方法。樣品在交流電流線圈附近進(jìn)行了測試。線圈創(chuàng)建的可變磁場通過測試樣品的電磁感應(yīng)檢測，測試樣品中檢測到渦流。此時(shí)，測試樣品中的渦旋也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場，影響原始磁場，從而引起線圈電壓或阻抗的變化。渦旋的強(qiáng)度和分布可能受到影響，線圈的應(yīng)力或阻抗可能會(huì)在測量的樣品表面或表面附近發(fā)生故障或其他性質(zhì)變更時(shí)發(fā)生變化。因此，儀器檢測線圓中的應(yīng)力或阻抗變化可以間接檢測測試樣品中的缺陷或其他特性變化。

四、檢測系統(tǒng)

需要根據(jù)探測目標(biāo)和應(yīng)用對象開發(fā)不同類型的傳感器和儀器。振蕩器產(chǎn)生的交流電流穿過線圈。當(dāng)探針卷軸穿過工件屬性變更的位置時(shí)，探針卷軸的阻抗會(huì)變更，并由溫度計(jì)指示。檢測非金屬材料時(shí)，如果材料有缺陷或不連續(xù)，材料的電氣常數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，線圈阻抗也可能發(fā)生變化。但是，電恒引起的阻抗變化實(shí)際上很小，很難用檢測系統(tǒng)測量絕對阻抗或電壓，因此需要使用各種電橋、平衡電路和放大器來檢測和放大線圈阻抗的變化。同時(shí)，由于線圈對檢測中的多個(gè)參數(shù)敏感，與零件無關(guān)的參數(shù)可能形成多個(gè)干擾信號，嚴(yán)重干擾信號可能影響有效信號的識(shí)別，并在檢測結(jié)果的判斷中引起問題。這需要使用各種電路，例如相位敏感探測和過濾，以消除干擾因素的影響并確保探測的可靠性。檢測線圈可以設(shè)計(jì)為在測量由于電流常數(shù)變化而引起的微小阻抗變化時(shí)作為橋梁連接。

結(jié)束語

簡而言之，電磁檢測技術(shù)迄今已得到發(fā)展，檢測對象一直限于導(dǎo)電材料。本文建議將電磁檢測技術(shù)應(yīng)用于非導(dǎo)電非金屬材料，利用電常數(shù)變化對檢測線圈的影響，提高檢測信噪比，檢測非金屬材料是否不連續(xù)，實(shí)現(xiàn)快速、高靈敏度、高效、高效的檢測毫無疑問，這種探測技術(shù)將是電磁無損探測發(fā)展歷史上的一個(gè)重大突破。

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