无损检测技术--脉冲涡流检测技术

华中科技大学机械学院1脉冲涡流检测技术1脉冲涡流检测技术简介2脉冲涡流检测系统3脉冲涡流检测的理论基础4应用无损检测技术华中科技大学机械学院2脉冲涡流检测技术-研究背景Exampleofaninsulatedobjectsubjecttocorrosion:piping.华中科技大学机械学院3脉冲涡流检测技术简介-基本原理Apulsedmagneticfieldissentbytheprobecoil.Thispenetratesthroughanynon-magneticmaterialbetweentheprobeandtheobjectunderinspection(e.g.insulationmaterial).Thevaryingmagneticfieldwillinduceeddycurrentsonthesurfaceoftheobject.Thediffusivebehaviouroftheseeddycurrentsisrelatedtothematerialpropertiesandthewallthicknessoftheobject.华中科技大学机械学院4脉冲涡流检测技术简介-特点•脉冲涡流检测技术属于电磁检测范围，具有无接触式检测和表面无需清理的优点•相对超声、热成像检测技术，脉冲涡流检测不需要任何祸合介质和射线法比较，它不需要放射源，不会造成环境污染。•与传统涡流采用单一频率的正弦电流作为激励不同，脉冲涡流采用具有一定占空比的方波作为激励，这样就可以选择占空比占空比脉冲保持时间与间歇时间之比减低的激励信号，在激励线圈中允许存在高的电流而不会由于能量的持续耗散而损坏线圈。这样就可以得到较大的瞬时功率作用于试件，使感应磁场的变化更大，从而最终使得检测线圈上瞬态感应电压的变化更为明显。•传统电磁检测主要进行信号的稳态分析，即通过阻抗分析法或测量感应电压的幅值和相角来确定缺陷的位置而脉冲涡流主要对感应电压信号进行时域的瞬态分析，提取信号的特征量或者特征变化量，分析缺陷的尺寸、类型和结构参数等变化，进而对缺陷进行定量检测和评估。华中科技大学机械学院5脉冲涡流检测技术简介-特点•脉冲具有丰富的频谱内容包含从直流到甚至更高的频率分量，所以只需一次扫描就可以实现对多层金属结构中不同位置不同深度下缺陷的检测，检测信号便于在时域和频域同时进行数据分析和处理并且由于脉冲涡流比单频涡流衰减得慢，所以瞬态感应电压信号中就包含了更多的有关缺陷的信息。•对于厚度有变化的复杂多层结构的大面积扫描，可分辨结构变化和缺陷参数变化对信号的影响，而无需更换探头或改变设置参数。•检测速度快，检测效率高。如对于同样含有多频谱分量的扫频测量法，实现一次检测需要几分钟，而脉冲涡流检测仅耗时数秒脉冲涡流信号比多频涡流信号响应更快，因为它同时运行一系列不同的电流频率。•信息的采集和处理容易，可以在很短的时间内获得大量的信息，有利于发展自动扫描和成像技术。•对检测信号既可以实时处理，也可以离线处理并且在数据的后期处理阶段，可以补偿边缘效应和探头提离效应对结果的影响。•脉冲涡流检测系统的设备成本与多频涡流法和扫频测量法相比较低。多频涡流法需要多个检测通道，这就增加了系统的代价扫频测量法需要专门的扫频设备，成本较高。华中科技大学机械学院6脉冲涡流检测技术简介-局限性传统单频涡流作为激励源的涡流检测相比，虽然具有可实现宽频带范围内分析的优点，但这却对检测系统的信噪比提出了更高的要求对检测试件各种参数变化的高敏感性，也使得这项技术在实际的检测过程中，同样也易受到提离效应的影响此外，目前所建立绪论的理论依据和检测模型尚不完备，这些问题都限制了脉冲涡流检测技术实际检测能力和应用范围的进一步发展。华中科技大学机械学院7脉冲涡流检测系统检测对象：铁磁性管道壁厚范围：6—65mm包覆层厚度：200mm包覆层外壳材料：铝或者不锈钢薄壁工作温度：-150℃—500℃检测最小管径：50mm1脉冲涡流检测技术简介-仪器华中科技大学机械学院8公司MillmateThicknessGaugeSystem测量对象：0.1mm—10mm的低合金铜铝材料0.15mm—10mm的其它非铁磁性金属材料尺寸：200×450×300mm电源：24VDC，最大电流3A重量：85Kg支持Profibus(开方式工业现场总线)协议支持OPC(Open-Connectivity)方式组网支持以独立I/O方式工作1脉冲涡流检测技术简介-仪器华中科技大学机械学院9公司脉冲涡流检测系统采用了阵列探头，可以实现大面积的阵列检测，同时探头是柔性的，可以用于复杂工件形状的测量；实时成像，信号分析清晰明了。1脉冲涡流检测技术简介-仪器华中科技大学机械学院10脉冲涡流检测方法的激励是一个宽频带的脉冲，其频带的宽度反比与脉冲的长度。因此在检测端得到的信号是宽频带的，包含了待测试件不同深度的信息。2脉冲涡流检测系统-原理华中科技大学机械学院11检测试件检测线圈激励线圈σμ典型的脉冲涡流在铁磁性材料中的响应为一条在一段时间τ后满足指数衰减率的曲线，通过和已知厚度试件上测得的参考信号对比，可以得出待测试件的厚度。特征量：衰减率华中科技大学机械学院12特征量：Vpp,TZC,LOIVppTZCLOI华中科技大学机械学院13提离高度检测区域探头覆盖区域是指激励线圈发射的电磁场穿越包覆层投射到试件表面的最小区域。因为探头覆盖区域的限制，使脉冲涡流设备有一个所能测量铁管的最小管径参数。探头覆盖区域(footprint)华中科技大学机械学院14局部腐蚀(如坑,槽)不均匀壁厚损失(如带包覆层管道腐蚀)全局壁厚损失平均壁厚平均壁厚平均壁厚最小壁厚最小壁厚最小壁厚探头覆盖区域脉冲涡流方法的局限性华中科技大学机械学院15脉冲涡流检测系统-组成DDS芯片(AD9833)主控单元(AT89S52)电压比较器LM311电压放大(OP37)功率放大PC机激励线圈检测线圈或者Hall传感器数据采集卡(A/D转换和采集)信号放大及调理电路试样采集触发模块华中科技大学机械学院16脉冲涡流检测系统-检测信号对于磁场信号的分析，目前主要是通过测量磁场最大值出现的时间来确定缺陷的位置。典型的△By曲线如图一左半部分所示，△By曲线的最大值对应着缺陷的深度信息，缺陷越深，则△出现最大值的延迟时间就会越长，因此，对测量的△By值进行时域分析，就可以确定缺陷的位置。华中科技大学机械学院17脉冲涡流检测系统-检测信号将检测线圈在空载状态下即线圈下方无待检测金属板材所获得的响应信号作为为参考信号，将检测线圈在检测状态下即线圈下方有待检测金属板材所获得的响应信号作为被检试样的响应信号，则参考信号减去被检试样的响应信号即为差动信号。华中科技大学机械学院18脉冲涡流检测理论基础对脉冲涡流检测信号的研究，一般是通过计算单频激励时涡流线圈的阻抗Z(w)，然后根据I(w)=V(w)/Z(w)。得到I(w)，再对一系列单频激励的I(w)进行叠加，由此得到脉冲激励的瞬时响应。华中科技大学机械学院19脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型在线性，各向同性，非均匀的媒质中，电流密度i0。，矢量磁位的微分方程由于等式右边第二项在10MHz以下比第三项要大的多，因此在所述情况下，后者可以忽略。如图4-1所示，对大多数线圈问题来说，假定轴对称是完全成立的，则矢量磁位关于线圈轴对称也是完全成立的，由此得到扩展的方程华中科技大学机械学院20脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型假定i0是时间的弦函数矢量磁位也是时间的函数并进一步化简得到tiei这是在线性，非均匀媒质，正弦激励下得到的矢量磁位的普通微分方程。由于假定媒质为线性，各向同性，均匀的，I为单匝线圈在(r0,z0)点的总驱动电流，此时华中科技大学机械学院21脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型华中科技大学机械学院22脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型华中科技大学机械学院23脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型华中科技大学机械学院24脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型华中科技大学机械学院25脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型华中科技大学机械学院26脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型华中科技大学机械学院27脉冲涡流检测理论基础-阻抗模型华中科技大学机械学院28脉冲涡流检测理论基础-感应涡流微分形式的欧姆定律由于是轴对称，上式就变为其中，A(r,z)是所关心区域的矢量磁位。长直导线的感应电压为同样由于轴对称，单匝线圈的感应电压为通过分析与近似，有限线圈截面的自感电压为华中科技大学机械学院29脉冲涡流检测理论基础-感应涡流线圈阻抗就变为有了这个阻抗表达式，就可以应用叠加原理对脉冲涡流激励的响应进行计算。根据华中科技大学机械学院30脉冲涡流检测理论基础-仿真实验华中科技大学机械学院31脉冲涡流检测理论基础-仿真实验华中科技大学机械学院32脉冲涡流检测理论基础-仿真实验华中科技大学机械学院33脉冲涡流检测技术-应用实例Applicationonconcretecoveredobject:supportlegsofsphericalstoragetanks.华中科技大学机械学院34:underwaterandthroughmarinegrowth:sheetpiling.4脉冲涡流检测技术-应用实例华中科技大学机械学院35脉冲涡流检测技术-应用实例Inspectionofjettysupportlegs华中科技大学机械学院36脉冲涡流检测技术-应用实例Inspectionthroughcoating:thesailingship“Urania”华中科技大学机械学院37脉冲涡流检测技术-应用实例Inspectiononrough,corrodedsurfaceswithoutgrinding华中科技大学机械学院38脉冲涡流检测技术-应用实例InspectionusingamagneticCrawlerROV:The“