無損探傷傳感器摘要：無損檢測技術(shù)(NondestructiveTesting，NDT)是門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科，它是在不破壞或損壞被檢測對象的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常或缺陷存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反響的變化，來探測各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和外表缺陷，并對缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化作出判斷和評價(jià)無損探傷的方法很多，常用的檢測方法有電渦流檢測和超聲波檢測等。關(guān)鍵字:傳感器無損探傷電渦流超聲波電渦流傳感器無損探傷1電渦流的產(chǎn)生方式基于法拉第感應(yīng)現(xiàn)象，金屬導(dǎo)體在置于交變的磁場中時(shí)，導(dǎo)體外表會有感應(yīng)電流的產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。因此，要形成渦流必須具備：①存在交變磁場；②導(dǎo)電體處于交變磁場中。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器分為高頻反射式與低頻透射式兩大類。2、電渦流傳感器的根本原理如圖1所示為電渦流傳感器根本原理圖，如果把提個(gè)勵(lì)磁線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以正弦交變電源時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)出電渦流，又產(chǎn)生新的交變磁場。根據(jù)楞次定律，將對抗原磁場，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、線圈與金屬導(dǎo)體的距離x以及線圈勵(lì)磁電流的角頻率等參數(shù)，都將提高渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗聯(lián)系。因此，線圈等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為圖1電渦流傳感器工作原理示意圖1-電渦流線圈2-被測金屬導(dǎo)體〔1〕假設(shè)能保持其中大局部參數(shù)恒定不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣能形成傳感器的線圈阻抗Z與此參數(shù)的單值函數(shù)。再通過傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路測出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的非電量測量，這就是代內(nèi)渦流傳感器的根本工作原理。假設(shè)把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈，其關(guān)系可用圖2所示電路來等效。圖2電渦流傳感器等效電路圖線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)1-傳感器線圈2-電渦流短路環(huán)M，它將隨著間距x的減小而增大。根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出Ⅰ、Ⅱ回路的電壓平衡方程式，即〔2〕〔3〕式中——線圈勵(lì)磁電流角頻率，單位。由此可得傳感器線圈受到電渦流影響后的等效阻抗Z的表達(dá)式，即〔4〕=式中——短路環(huán)阻抗值，單位為——線圈受電渦流影響后的等效電阻，單位為；L——線圈受電渦流影響后的等效電感，單位為H；——線圈不受電渦流影響時(shí)的原有復(fù)數(shù)阻抗，單位為；——線圈受電渦流影響后的復(fù)數(shù)阻抗增量，單位為。由圖2及式4不難得到以下參數(shù)表達(dá)式，即當(dāng)距離x減小時(shí)，互感量M增大，由式〔6-4〕可知，等效電感L減小，等效電阻R增大。從理論和實(shí)測中都證明，此時(shí)流過線圈是增大的。這是因?yàn)榫€圈的感抗的變化比R的變化大得多。由于線圈的品質(zhì)因數(shù)與等效電感成正比，與等效電阻〔高頻時(shí)的等效電阻比直流電阻大得多〕成反比，所以當(dāng)電渦流增大時(shí)，Q下降很多。3、電渦流外表探傷利用電渦流傳感器檢查金屬外表〔已涂防銹漆〕的裂紋以及焊接處的缺陷等。在探傷中，傳感器與被測導(dǎo)體保持距離不變。檢測過程中，由于缺陷將引起導(dǎo)體電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化，使電渦流變小，從而引起輸出電壓突變。圖3是用電渦流探頭檢測高壓輸油關(guān)外表的裂紋示意圖。兩只導(dǎo)向輥用耐磨、不導(dǎo)電的聚四氟乙烯制成，有的外表還刻有螺旋導(dǎo)向槽，并以相同的方向旋轉(zhuǎn)。油管在它們的驅(qū)動下，勻速地在楔型電渦流探頭下方作360°轉(zhuǎn)動，并向前挪動。探頭對油管外表進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，得到圖4a的輸出信號。當(dāng)油管存在裂紋時(shí)，電渦流所走的路程大為增加〔見圖3b〕，所以電渦流突然減小，輸出波形如圖4a中的“尖峰”所示。該信號十分紊亂，用肉眼很難辨出缺陷性質(zhì)。該信號通過帶通濾波器，濾去外表不平整、抖動等造成的輸出異常后，得到圖4b中的兩個(gè)尖峰信號。調(diào)節(jié)電壓比擬器的閥值電壓，得到真正的缺陷信號。圖4a為時(shí)域信號。計(jì)算機(jī)還可以根據(jù)圖4a的信號計(jì)算電渦流探頭線圈的阻抗，得到圖4c所示的“8”字花瓣?duì)钭杩箞D。根據(jù)長期積累的探傷經(jīng)驗(yàn)，可以從該復(fù)雜的阻抗圖中判斷出裂紋的長短、深淺、走向等參數(shù)。圖中的黑色邊框?yàn)榉匆晥?bào)警區(qū)。當(dāng)“8”字花瓣?duì)顖D形超出報(bào)警區(qū)時(shí)即視為超標(biāo)，產(chǎn)生報(bào)警信號。上述系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是非接觸測量，不磨損探頭，檢測速度可達(dá)每秒幾米。對機(jī)械系統(tǒng)稍作改造，還可以用于軸類，滾子類的缺陷檢測。圖3輸油管外表裂紋檢測1、2-導(dǎo)向輥3-楔形電渦流探頭4-裂紋5-輸油管6-電渦流圖4探傷輸出信號原始信號b〕帶通濾波后的信號c〕阻抗圖1-尖峰信號2-擺動引起的偽信號3-可忽略的小缺陷4-裂紋信號5-反視報(bào)警框6-花瓣阻抗圖超聲波傳感器無損探傷1、超聲波振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。其頻率在16Hz～2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2×104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，頻率在3×108Hz～3×1011Hz之間的波，稱為微波。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的鼓勵(lì)下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。2、超聲波傳感器介紹利用超聲波物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置稱為超聲波換能器，或超聲波探測器、超聲波傳感器，有時(shí)也叫超聲波探頭。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，在檢測技術(shù)中壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭；由于其結(jié)構(gòu)不同，分為直探頭式、斜探頭式和雙探頭式，直探頭式結(jié)構(gòu)如下圖 圖5超聲波直探式探頭結(jié)構(gòu)1—壓電片；2—保護(hù)膜；3—吸收塊；4—蓋；5—絕緣柱；6—換能片；7—導(dǎo)電螺桿；8—接線片；9—壓電片座；10—外殼它主要由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、保護(hù)膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ，超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板，壓電片的底面接地線，上面接導(dǎo)線引至電路中。阻尼塊又稱吸收塊，它的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當(dāng)鼓勵(lì)的電脈沖信號停止時(shí)，壓電片因慣性作用會繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。當(dāng)吸收塊的聲阻抗等于晶體的聲阻抗時(shí)，效果最正確。3、超聲波傳感器無損探傷對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，遇到雜質(zhì)或分介面就會有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。⑴穿透法探傷穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)探頭分別置于工件的相對面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可是脈沖。其工作原理如圖6所示。接收探頭發(fā)射探頭高頻發(fā)生器放大器接收探頭發(fā)射探頭高頻發(fā)生器放大器顯示工件圖6穿透法探傷示意圖⑵反射法探傷反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說明其檢測原理。圖7反射法探傷示意圖B工件圖7反射法探傷示意圖B工件缺陷FT探頭高頻發(fā)生器接收放大TFB超聲波。超聲波以一定的速度向工件的內(nèi)部傳播。一局部超聲波遇到缺陷反射回來〔缺陷波F〕；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面也反射回來〔底波B〕。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波T、缺陷波F及底波B經(jīng)放大后在顯示器熒光屏上顯示出來。由發(fā)射波T、缺陷波F及底波B在掃描線上的位置，可確定缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷的大小；由缺陷波的形狀，可判斷缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面積時(shí)，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時(shí)，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。對于兩種無損探傷檢測傳感器的分析觀點(diǎn)電渦流傳感器電渦流檢測速度快，特別適合管、棒材的檢測，對于外表和近外表缺陷有較高的靈敏度，可對大小不同的缺陷進(jìn)行評價(jià)，能在高溫狀態(tài)下進(jìn)行探傷，可用于異形材和小零件的檢測，不僅適用于導(dǎo)電材料的缺陷檢測，而且可檢測材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、熱處理狀況、硬度和幾何尺寸等，使用廣泛。但電渦流探傷儀在實(shí)際使用時(shí)會受到諸多因素的影響，例如環(huán)境溫度變化、外表硬度、機(jī)械轉(zhuǎn)動不均勻、抖動等，用單個(gè)電渦流探頭易受上述因素影響，嚴(yán)重時(shí)無法分辨缺陷和裂紋，因此必須采用差動電路。在楔型探頭的尖端部位設(shè)置發(fā)射線圈，在其上方的左、右兩側(cè)分別設(shè)置一只接收線圈，它們的同名端相連，在沒有裂紋信號時(shí)輸出互相抵消。當(dāng)裂紋進(jìn)入左、右接受線圈下方時(shí)，由于相位上有先后差異，所以信號無法抵消，產(chǎn)生輸出電壓，這就是差動原理。溫漂、抖動等干擾通常是同時(shí)作用于兩只電渦流差動線圈，所以不會產(chǎn)生輸出信號。渦流探傷的顯著特點(diǎn)是對導(dǎo)電材料就能起作用，而不一定是鐵磁材料，但對鐵磁材料的效果較差。其次，待探工件外表的光潔度、平整度、邊介等對渦流探傷都有較大影響，因此常將渦流探傷用于形狀較規(guī)那么、外表較光潔的銅管等非鐵磁性工件探傷。超聲波傳感器超聲波檢測是無損檢測中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，適用于各種尺寸的鍛件、軋制件、焊縫和某些鑄件，無論是鋼鐵、有色金屬和非金屬，都可以采用超聲法進(jìn)行檢測，包括各種機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)件、電站設(shè)備、船體、鍋爐、壓力和化工容器等．就物理性能而言，用超聲法可以檢測厚度、材料硬度、淬硬層深度、晶粒度、液位和流量、剩余應(yīng)力和膠接強(qiáng)度等，但無法檢測外表和近外表的延伸方向平等于外表的缺陷、外表粗糙、形狀復(fù)雜的試件，此外，該方法對缺陷的定性、定量表征常常不準(zhǔn)確．兩者進(jìn)一步比照電渦流無損探傷檢測是應(yīng)用于導(dǎo)電材料檢測的一種常規(guī)方法。與超聲波檢測相比擬，它的測量范圍那么相對較小，同時(shí)它又容易受到多種因素的影響。并且渦流的鼓勵(lì)頻率的上下也直接影響渦流檢測的效果。一般而言，鼓勵(lì)頻率高，靈敏度就高，但渦流更集中于試件外表。而超聲波檢測的適應(yīng)性強(qiáng)、檢測靈敏度高、不易受影響、對人體無害、使用靈活、設(shè)備輕巧、本錢低廉、可即時(shí)得到探傷結(jié)果，適合各種環(huán)境下工作，并能對正在運(yùn)行的裝置和設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。雖然超聲波檢測難以識別缺陷的種類，但采用超聲波頻譜分析和超聲波全息成像方法，都有助于對缺陷的定性?？梢娤噍^于電渦流檢測，超聲波檢測是無損探傷檢測應(yīng)用領(lǐng)域中更適用且更活潑的檢測方法。技術(shù)改良近幾年來，針對超聲波檢測的缺陷，在其根底上一種新的檢測技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)——超聲相控陣技術(shù)。相控超聲相控陣技術(shù)是使用不同形狀的多陣元換能器來產(chǎn)生和接收超聲波波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的時(shí)間延遲，改變聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方向的變化，然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)圖像成像．與傳統(tǒng)超聲檢測相比，由于聲束角度可控和可動態(tài)聚焦，超聲相控陣技術(shù)具有可檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷和較高的檢測頻率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高速、全方位和多角度檢測．對于一些規(guī)那么的被檢測對象，如管形焊縫、板材和管材等，超聲相控陣技術(shù)可提高檢測效率、簡化設(shè)計(jì)、降低技術(shù)本錢．特別是在焊縫檢測中，采用合理的相控陣檢測技術(shù)，只需將換能器沿焊縫方向掃描即可實(shí)現(xiàn)對焊縫的覆蓋掃查檢測．這就使得該技術(shù)與傳統(tǒng)超聲波檢測相比，具有信噪比高、超聲束更窄、有效探傷深度范圍大、分辨力高和效率大的特點(diǎn)。近年來，無損檢測技術(shù)的開展比以往任何時(shí)候都更快、更新，無損檢測已經(jīng)更深入、更廣泛地參與到國計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域．相信在不遠(yuǎn)的將來，新生領(lǐng)域如納米材料、微機(jī)電器件等行業(yè)的無損