渦流檢測技術在金屬表面缺陷檢測中的應用

1 渦流檢測技術發(fā)展概述

隨著科學技術發(fā)展的日新月異，金屬逐步成為工業(yè)生產(chǎn)中十分重要的材料，有著不可替代的功能和作用。由于活潑性金屬占據(jù)了主導，當在空氣中暴露時，極容易產(chǎn)生氧化、腐蝕等現(xiàn)象，導致裂紋、凹坑等缺陷的出現(xiàn)，進而影響到安全性能。傳統(tǒng)的人工檢查方法，不僅效率低、且準確率不高，缺陷漏檢的情況頻頻發(fā)生。而無損檢測技術的應用，借助于不同的物理方法，實現(xiàn)了在不損壞被檢測試件的前提下，科學、合理的對試件進行安全性、完整性評價。常用的無損檢測方法較多，如PT檢測、MT檢測、UT檢測、RT檢測、渦流檢測等。相比于其他的檢測方法，由于渦流檢測無需清洗試件、不需要使用耦合劑，且輻射量微小，具有操作簡單、成本低、應用廣泛等優(yōu)點。

渦流檢測技術的原理是基于電磁感應而來的，激勵線圈在交變電流的作用下產(chǎn)生變化的磁場，當金屬試件靠近時，會在其表面產(chǎn)生感生渦流，進而通過改變周圍磁場而感生出電勢。一旦金屬試件存在缺陷，便可以通過檢測線圈觀察到感生電勢發(fā)生變化，作為缺陷判定的依據(jù)。電磁感應現(xiàn)象的研究，可以追溯到1820年，奧斯特、法拉第、麥克斯韋、休斯等人先后開展了積極的探索

。到了20世紀40年代，福斯特首次提出了渦流阻抗分析法，并在70年代得到了較為廣泛的關注。到了90年代初期，遠場渦流檢測技術得到了較快的發(fā)展，擺脫了趨膚效應的限制。在檢測信號處理技術方面，高性能的技術也逐步成熟。

2 金屬表面缺陷檢測中常用的渦流檢測方法

2.1 渦流及其趨膚效應

電動勢產(chǎn)生的機理源于電磁感應現(xiàn)象，是由于導體中的磁通量變化引起的，當導體閉合成為回路時，其自由電子便會在感應電動勢的驅(qū)使下產(chǎn)生感應電流。電流磁效應最早是由奧斯特發(fā)現(xiàn)的，畢奧和薩伐爾在此基礎上，通過實驗進行了假說的驗證，并提出來畢奧—薩伐爾定律。由于引入了矢量磁位的計算方式，電磁問題得到了進一步簡化，可以用于求解空間的磁場分布。由電磁感應原理可知，導體相當于磁場運動或其內(nèi)部的磁場改變時，會感生出如圖1所示的渦流，呈漩渦狀流動。同樣，渦流也會在空間中發(fā)生磁場的變化，進而對磁場的分布產(chǎn)生影響，可用渦流分布密度來表示

。

若想使學生處理應用題的能力得到提升，審題能力的提升是其關鍵.比如下面所列問題：一艘輪船在一定距離L區(qū)間內(nèi)航行，其耗油量和速度平方呈正比例關系，如果輪船用每小時s海里的速度向前航行，它的耗油價值是m元，再假設輪船每向前航行1小時，在去除郵費之外所發(fā)生的其他費用是n元，試問此輪船的速度在多少的時候，航行本距離所用的總費最節(jié)省？在對此類應用題加以審題時，教師需要引導學生增強雙向推理能力，亦即讓應用題中所呈現(xiàn)出來的描述式語言朝數(shù)學思維進行轉(zhuǎn)化，并使之以科學的態(tài)度納入到相應的數(shù)學學科理論之內(nèi).

趨膚效應是感生渦流在金屬表面集中分布的現(xiàn)象，需要將交變電流導入到線圈中，受交流電的頻率影響較大。究其原因，是由于金屬的表面位置和中心位置，存在著大小不同的電感，電流更容易流過電感小的地方，導致渦流會在金屬表面集中。趨膚效應的程度，可用渦流深度來表示，主要受頻率大小的影響。

2.2 等效阻抗法

當交流電導入線圈后，在金屬試件的表面位置，會有渦流產(chǎn)生。通?？捎么?lián)電路表示線圈和金屬試件，串聯(lián)部分包括了電阻和電感。所形成的線圈耦合電路中，初級回路是線圈，次級回路是金屬試件。受到感應電流的作用，互感器傳遞來自于次級回路的阻抗，進而對初級回路的等效阻抗產(chǎn)生影響

。此時，初級回路中阻抗的變化被檢測到，以實現(xiàn)缺陷檢測的功能。相比于完整的金屬，表面缺陷的磁導率、電導率等參數(shù)都會發(fā)生變化，對阻抗產(chǎn)生影響。

作為一種新型的渦流檢測方法，陣列渦流最早出現(xiàn)在20世紀90年代。采用多個激勵—檢測線圈組合式傳感器，且彼此之間是相互獨立的，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體的多方位檢測。相比于普通探頭，對缺陷方向的敏感性大幅提高，其探頭的結構可以針對不同的被測物體，進行靈活設計，缺陷檢測的成像效果極佳。

2.3 低頻渦流檢測方法

相比于低頻渦流方法而言，高頻渦流通常采用高于1MHz的頻率，屬于高頻反射型的電渦流傳感器，所產(chǎn)生的渦流匯集到金屬試件的表面。不僅適用于金屬表面微小變形和缺陷的檢測，還能夠檢測出覆流層厚度，檢測結果快捷、準確。如在鈮板表面的平整度檢測中，采用高頻檢測的技術，不僅可以得到彩色成像的檢測結果，還能夠?qū)崿F(xiàn)微米級別凹凸變化的清晰分辨圖像。

2.4 高頻渦流檢測方法

傳統(tǒng)的UT和RT檢測方法，不易檢測出存在于物體內(nèi)部的缺陷，而渦流檢測的方法則相對容易實現(xiàn)。由于趨膚效應的存在，當降低激勵信號的頻率時，可以大幅提高渦流的滲透深度，一般將頻率控制在小于1kHz的水平，甚至可以低至幾赫茲。渦流效應的產(chǎn)生是由于低頻交流信號的影響，因而是極度微弱的，相應的檢測信號也十分微弱。由此可見，對于微小缺陷而言，低頻渦流檢測技術顯然不適用，其適用的數(shù)量級為毫米級、微米級。

青菜、蔬菜、生菜是蘇南地區(qū)的四季栽培蔬菜，在蘇南氣候條件下，夏季高溫多雨對其構成了高溫和高濕脅迫，所以青菜、菠 菜、生菜在夏季生產(chǎn)中往往表現(xiàn)生長緩慢，死苗率高，病蟲害嚴重，葉片易變黃、腐爛等[1]，因此夏季栽培中篩選耐高溫高濕的品種成為青菜新品種選育的重要目標之一。鑒于此，筆者選取3個品系(生菜、菠菜、青菜)15份不同蔬菜材料，在不同溫度和濕度下對其分別進行高溫高濕處理，篩選適宜蘇南夏季氣候特征的蔬菜品種，旨在降低高溫高濕脅迫對蔬菜產(chǎn)量的影響。

2.5 多頻渦流檢測方法

如圖所示，對金屬回轉(zhuǎn)體試件的檢測方法如下，周向計數(shù)檢測采用角度傳感器，軸向渦流檢測采用電渦流傳感器，可以得到電壓信號。當數(shù)據(jù)采集卡接收到電壓信號時，會傳送到缺陷檢測系統(tǒng)，經(jīng)過分析處理后再將其與預先設定的參考值進行比較。當數(shù)據(jù)超限時，會進行自動報警，并由系統(tǒng)自動記錄存儲當前的數(shù)據(jù)值。檢測裝置由硬件、軟件兩個部分組成，系統(tǒng)構成見圖2。

本方案的自動化檢測，是通過機械裝置來實現(xiàn)的，主要構成部件包括了電動機、楚論、聯(lián)軸器、光杠、絲杠、機架等。在與試件軸線平行的支撐臺上按照電渦流傳感器，在試件右端面支架上安裝角度傳感器，通過電機帶動試件旋轉(zhuǎn)，支撐平臺在齒輪傳動作用下平移，以實現(xiàn)快速檢測的功能。傳感器的選擇，不僅要求結構簡單、體積小，還應考慮線性范圍、靈敏度、穩(wěn)定性等指標，同時兼顧幾個、后期維護等要求。同時，要求數(shù)據(jù)采集卡擁有足夠的存儲空間。

相比于多頻渦流檢測方法，掃頻渦流則采用了循環(huán)激勵的方式，作用在被測物體的信號在同一時刻只有一種頻率。其信號頻率不僅連續(xù)，且有著非常寬的帶寬，其數(shù)量級可從幾十Hz跨越到幾十兆Hz。對于結構復雜的器件檢測，掃頻渦流方法尤為適用，能夠容易的檢測到物體質(zhì)量不連續(xù)時產(chǎn)生的阻抗變化。

2.6 掃頻渦流檢測方法

防洪是指根據(jù)洪水規(guī)律與洪災特點，研究并采取各種對策和措施，以防止或減輕洪水災害，保障社會經(jīng)濟發(fā)展的水利工作。而城市防洪工程更是與我們的生活息息相關，在城市規(guī)劃中首先要考慮防洪工程的建設，包括堤防工程、蓄洪工程、分洪工程、河道整治和排水設施等，對洪水可起到擋、泄、蓄等作用。

2.7 陣列渦流檢測方法

目前專業(yè)性修復的開展主要集中在文物類建筑中，許多具有歷史和藝術價值的地面鋪裝在以往的維修中沒有得到應有重視和恰當?shù)男迯?對于歷史性地面的重視與保護不足，材料、特征的歷史研究匱乏，資金限制與專業(yè)技術力量的缺位都是客觀的制約條件.

3 渦流檢測在金屬回轉(zhuǎn)體表面缺陷檢測中的應用案例

3.1 不同檢測方法比較及方案選擇

傳統(tǒng)的檢測設備往往價格不菲，導致檢測的成本普遍偏高，因而應用的普及性不強。而價格低、操作簡單的檢測系統(tǒng)，則有著很高的性價比，不僅擁有缺陷定位、自動化檢測、連鎖報警、記錄保存等功能，并同時還配有安全保護裝置。對于金屬回轉(zhuǎn)體的表面缺陷檢測而言，可選用的方法檢測有多種，而每種方法都各有利弊，選擇時需要綜合考慮多種因素

。本文的案例中，僅針對表面裂紋位置的檢測，因而選用渦流檢測方法較為適用。

從檢測機理分析，有三種檢測方案可供選擇。一是在探頭旋轉(zhuǎn)的情況下，金屬回轉(zhuǎn)體沿著直線方向前進。其優(yōu)點是靈敏度高、速度快、操作便捷；但由于需要將探頭安裝在試件表面、且旋轉(zhuǎn)速度高，因此硬件設施要求高、耦合方法特殊。二是探頭螺旋掃描，保持金屬回轉(zhuǎn)體不動。該方案有著較為復雜的機械結構，且由于金屬回轉(zhuǎn)體較長，檢測過程中探頭做往復運動，導致檢測效率低、不易實現(xiàn)自動化。三是在保持探頭不動的情況下，金屬回轉(zhuǎn)體采用螺旋前進的方式。既可以避免提離干擾，對檢測設備硬件條件的要求也不高，但對于大口徑的試件難以達到高速旋轉(zhuǎn)，導致整體檢測效率偏低。本文綜合以上方法的優(yōu)缺點，采用金屬回轉(zhuǎn)體試件原地轉(zhuǎn)動，探頭沿水平方向進行直線移動的方法，同時加入角度傳感器、渦流傳感器進行改進，以提高檢測的效率。

3.2 檢測方案設計

單一激勵頻率是較為的傳統(tǒng)渦流檢測方法，通常只能獲得一個或兩個被測物體的參數(shù)。在檢測結構復雜的物體及缺陷時，則需要對多種干擾因素進行抑制來提高檢出率，并鑒別所采集的多個參數(shù)

。因此，在檢測過程中同時使用多種頻率的信號，有助于檢測效率的提高，由此衍生出了多頻渦流檢測方法。該方法不僅能夠混合處理多個特定頻率的激勵，不同頻率通常為偶數(shù)倍的關系，還能夠?qū)崿F(xiàn)多種信號的一次提取，以及對多種干擾因素的有效抑制。

基于區(qū)塊鏈的電子數(shù)據(jù)存證的設計與實現(xiàn)………………………………………冒小樂，陳鼎潔，孫國梓 24-6-28

傳統(tǒng)的檢測方法相對容易實現(xiàn)，但所獲得的渦流信息是間接的，因而存在較大的誤差。而該系統(tǒng)適用于各類缺陷的檢測，對于金屬回轉(zhuǎn)體試件，能夠檢測出凹坑、裂紋及結疤等位于表面和近表面的缺陷。結合現(xiàn)場實際的使用情況來看，系統(tǒng)應當適用于多種規(guī)格條件，滿足實時、全面、高效率檢測的功能要求。通過提高系統(tǒng)檢測的準確性，所有組件一體化操作，實現(xiàn)了對各類缺陷的有效分析判斷，大大改善了整體的檢測質(zhì)量，產(chǎn)品的競爭力和可靠性也大幅提升。

3.3 硬件及軟件要求

(4)注重社會合作。美國高校向社會提供大型儀器設備的開放共享，其不僅面向?qū)W校、科研院所進行資源共享，更是對整個美國社會開放共享，這種高度開放的形式，有利于整個社會的科技進步，對美國高校而言，一是可以帶來較大資金收益，二是降低了大型科學儀器設備的空置率和浪費，提高了大型科學儀器設備的使用效率和科研產(chǎn)出，是雙贏的共享模式。

對于傳感系統(tǒng)而言，被測體也屬于其組成部分，相關的性能參數(shù)改變，也會對傳感器系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生影響。一方面，被測體的尺寸變化，如其直徑與探頭直徑比例的變化，會對靈敏度產(chǎn)生影響。另一方面，被測物體的材料，如磁導率、電導率的變化，也會對傳感器的靈敏度產(chǎn)生影響。綜合考慮上述因素，本文選用的材料為20#鋼，試件長度為800mm、直徑為400mm。通過在不同位置處，分別設置不同深度的典型裂紋缺陷，能夠?qū)Ω鞣N工況進行充分的模擬。

檢測系統(tǒng)的設計，按照界面簡單、使用方便的原則，能夠?qū)崿F(xiàn)實時顯示數(shù)據(jù)、自動保存記錄等功能。檢測功能的實現(xiàn)，需要對所采集的信號進行識別、比較、記錄、存儲，當異常信號被識別到時，能夠?qū)崟r顯示波形和數(shù)據(jù)值，同時還兼有數(shù)據(jù)導出功能?？煞譃槿齻€功能模塊，重點需要解決數(shù)據(jù)采集卡、各類傳感器與檢測程序的連接問題，以保證檢測的精確度，滿足信號數(shù)據(jù)保存的要求。

3.4 檢測試驗及分析

渦流檢測技術的應用十分廣泛，具有速度快、設備簡單等優(yōu)點，同時也容易受到干擾因素影響而產(chǎn)生誤檢。因此，必須在檢測時采用合適的檢測參數(shù)，以保證得到準確的試驗結果。本文選用的金屬回轉(zhuǎn)體試件長度為800mm、直徑為400mm，材料為20#鋼，在其表面進行刻制缺陷標記。通過工作參數(shù)試驗，包括激勵頻率、提離距離、檢測速度等，對收集到的檢測輸出信號進行分析。進而判別缺陷種類，得出檢測信號與缺陷參數(shù)之間的規(guī)律，實現(xiàn)對裂紋深度的預判。

為了確保試驗結果的可靠性，激勵頻率選擇范圍40～60Hz、提離距離為0.6mm、檢測速度為200r/min。裂紋的位置通過檢測系統(tǒng)在前面板中直接顯示出來，同時可保存到Excel文檔中。表1的試驗數(shù)據(jù)，對缺陷位置進行了詳細的定位。

常見的缺陷種類主要有裂紋、磨面、結疤等，大約占到了缺陷總數(shù)的70%左右。通過多次重復試驗，并對結果進行平均值處理，從而確定輸出電壓與缺陷之間的關系。由于裂紋屬于典型、且危害性大的缺陷，其深度對影響到渦流檢測的信號，受到趨膚效應的影響，檢測深度通常不超過5mm。裂紋深度與輸出電壓之間是成正比的線性關系，可以根據(jù)輸出電壓預估得到裂紋的深度。

4 結語

金屬表面缺陷檢測在工業(yè)生產(chǎn)活動中十分重要，必須定期進行缺陷檢測，也是國家工業(yè)自動化水平的體現(xiàn)。渦流檢測技術的應用，在缺陷檢測中取得了較好的效果。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，無損檢測可以大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量、合格率及使用壽命，有著可觀的經(jīng)濟效益。在金屬回轉(zhuǎn)體試件的檢測中，傳統(tǒng)的設備存在成本過高等問題，并且實現(xiàn)了檢測的自動化，提高了檢測精度和可靠度。不僅實現(xiàn)了對缺陷的具體位置進行二維定位，還可以將輸出信號、輸出電壓相關聯(lián)，可預測被檢裂紋的深度，為實現(xiàn)工業(yè)檢測提供了可靠的技術支撐。

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