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齿、外环、涡轮叶片等构件的表面[[70-75]【76,77]。磁光效应是指当以平行于外加磁场方向传播的线性偏振光穿过磁场中的旋光介质时,其偏振平面会被扭转的现象。在磁光/涡流成像检测技术:..中,通常采用交流(脉冲)激励线圈在被测导体上感应出涡流,涡流感生的磁场对通过磁光介质的线偏振光产生作用。根据涡流检测原理可知,只要在被检对象中的检测区域内产生直线流动、分布均匀的层状涡流,此涡流会在空间感应出垂直于被检对象的均匀磁场。如果试件中在该区域内含有缺陷,则缺陷处涡流的流动将发生变化,并引起该处的垂直磁场分布发生变化。此时,磁光传感元件将磁场的这种变化转换成相应的光强变化,即可对缺陷进行实时成像[}}s-sod磁光/涡流成像检测技术主要应用于航空航天装备的快速、准确、可视化无损检测[}si-s3},主要围绕以下几个关键问题进行研究,推动着涡流检测技术的不断进步。(ForwardProblem)和涡流逆问题(InverseProblem。涡流正问题是在条件(检测距离、缺陷等)己知的情况下,求解涡流传感器的磁场分布、阻抗变化等。涡流逆问题是在电磁场分布或者涡流传感器输出己知的情况下,对被检对象有关参数进行辨识的问题,包括位置辨识、形状辨识和媒质参数(电导率、磁导率、介电常数等)辨识。,大多数涡流正问题的解存在且唯一。国内外学者对涡流正问题开展了大量的研究工作。在解析计算方面,国外的主要研究有,1968年,美国学者DoddCV和DeedsWE利用巧妙的数学方法求解了关于矢量磁位的边值问题,建立了位于两层线性、各向同性、均匀半无限大导电媒质上方涡流传感器的数学模型,求解格林函数并应用叠加原理给出了涡流传感器阻抗的闭合解析表达式[[84]。该模型成为后来许多学者继续研究的基础,其模型和求解算法不断得到优化。1971年,等改进模型,分析:..了半无限大任意多层线性、各向同性、均匀导电媒质中间的轴对称、时谐电磁场问题,采用矩阵方法求解各层媒质的格林函数,然后计算线圈的阻抗,但其表达式含有Bessel函数的外积分区域从零到无穷大的二重广义积分,计算难度很大[[85]1994年,BowlerJR等提出了涡流检测中半无限大导体中理想裂缝模型,将理想裂缝假设为一个电流不可穿透的障碍面,其作用等效为一层面分布的电流偶极子,计算涡流传感器检测过程中的阻抗变化[86]。2005年,TheodoulidisTP等将半无限大导体上方涡流传感器阻抗求解积分表达式转化为无穷级数的和,简化了求解过程[fg}l。国内方面,2000年,雷银照采用矢量磁位计算轴对称圆柱导体的磁场分布,给出位于半无限大导体上方线圈传感器阻抗的解析表达式[88]。2002年,幸玲玲等研究了有限厚平板导体理想裂缝模型,导出了场点和源点位于同一区域时和不同区域时的并矢格林函数,解决了计算等效电流偶极子面密度时遇到的积分奇点问题[89]02004年,黄平捷等分析计算了多层导电结构厚度涡流检测传感器阻抗变化数学模型,并进行了实验验证[[90]随着计算机科学技术的发展,电磁场数值计算技术得到了广泛应用。功能强大的有限元数值计算方法使求解复杂结构的涡流问题成为可能,部分解析形式的涡流计算问题也转变成半解析半数值形式,加快了涡流问题的求解。国外的主要研究有,1993年,MachadoVM等利用有限元方法计算了含有内部缺陷线性导体的数值计算问题,并和其解析解取得一致[}91}01997年,BadicsZ等提出了一种直接计算导体内部缺陷扰动的三维有限元模型,有效减少了数值计算时间,并对含有缺陷的管道模型进行了数值计算和实验比较[}92}02000年,TanakaM等提出了一种涡流检测的快速有限元计算模型,通过提出的基函数选定求解区域,计算缺陷导致的矢量磁位变化[93]。2009年,MaoucheB等提出了一种涡流检测传感器的半解析模型,进行了有限元数值计算和实验验证[[94]。国内方面,2000年,蒋齐密等建立涡流检测的轴对称有限元模型,以条件变分法给出了涡流计算公式卿」。2008:..流场计算的特点和处理方法,有限元网格的自动生成和电磁场分析结果的后处理等问题[96][[97]。多数情况下,正问题的己知条件是连续函数,而逆问题的己知条件是离散的;正问题的解是存在且唯一的,但逆问题的解不唯一,离散的己知输入数据有时使解根本不存在;正问题的解一般是数值稳定的,但逆问题的解大多是不稳定的。因此,涡流逆问题比正问题要复杂得多,很难得到其解析算法。目前,涡流逆问题的求解方法主要可以分为两大类,一类是电磁场微积分方程的数值求解,另一类是模式识别方法。在数值法求解中,国外方面,1993年,NortonSJ等采用体积积分方程和直接共扼梯度法重构分层媒质的电导率分布和导体表面裂缝的形状[98]。1998年,YanM等采用有限元方法,通过迭代求解涡流检测的正问题,使用最小二乘法逼近目标函数,从而得到逆问题的解[[99]。国内方面,2000年,雷银照提出了一种三维缺陷的涡流逆问题计算方法,包括三维缺陷的数学描述、无约束极小化数学模型的建立和寻找极小点的数值方法[[97]。在模式识别方法中,主要是采用人工神经网络(work,ANN)方法。人工神经网络是在一定程度上模仿人脑神经系统处理信息的方法,用大量基本神经元相互连接组成自适应非线性动态系统,具有大规模并行处理能力。在涡流逆问题求解过程中,通过对正问题的不断反复训练来求解逆问题。主要研究有,1997年,国外学者WangB等分别采用多层前向感知器(Multi-LayerPerceptron,MLP)和径向基函数(RadialBasisFunction,RBF)两种神经网络模型,对涡流检测的实际数据和裂缝形状进行训练[yoo}02002年,positeNeuralN)模型,降低了神经网络输入变量的维数,同时具有较高的缺陷识:..,国内外学者对涡流传感器的尺寸结构、有效屏蔽等方面进行了大量研究。传统的涡流传感器常常采用漆包线绕制,传感器的灵敏度受到线圈大小、形状,绕线线径、匝数、匝比,磁芯大小、形状等的影响。1997年,国外学者WildeJ等采用ANSYS有限元仿真软件对线圈涡流传感器结构进行了优化[}102}02003年,国内学者游风荷等应用粗糙集约简算法,指出了影响线圈涡流传感器性能的各因素之间关系,获得了涡流传感器的设计规则【io3}近年来,新型磁测量传感器不断被应用到涡流检测中,提高了涡流检测的灵敏度和空间分辨率,如新型巨磁电阻(o-Resistance,GMR)传感器、超导量子干涉器(SuperconductingQuantumInterferenceDevice,SQUID)传感器等。巨磁电阻传感器是基于GMR效应的磁场测量装置。GMR效应是指微弱的磁场变化可以使得某些材料的电阻值发生明显变化。与线圈不同的是,巨磁电阻传感器直接测量磁场大小,其灵敏度与磁场的交变频率几乎无关,在很宽的频率范围(从DC到几兆赫兹)内具有很高的灵敏度,并且其具有可靠性好、抗恶劣环境、体积小及价格低等优点[[104-106年,国外学者KimJ等人己经将基于GMR磁测量传感器的涡流检测技术应用于飞机结构的检测中【io}}。在约瑟夫效应和磁通量子化效应基础上发展起来的超导量子干涉器,其性能远远超过常规器件,是当今最灵敏的磁测量装置。采用SQUID传感器的涡流检测仪器,具有检测灵敏度高、动态范围宽、空间分辨力高等特点,特别是工作在交流场检测模式时,容易实现对深层缺陷的检测【ios,io9}。该方法目前仍存在一些尚未解决的问题,国内外学者在SQUID的无损检测应用方面进行了大量的实验研究,涉及检测方法的改进、检测仪器的完善、空间分辨力的优化等,使商业化仪器逐渐成为可能[}mo,m}:..在涡流检测过程中,微弱涡流检测信号受到检测仪器内部电磁场、被检对象形状和表面特性、外界环境等的干扰,检测信号中往往带有高频噪声和低频扰动等,甚至湮没在噪声中,难于提取和判断。信号处理方法诸如傅立叶分析(FourierAnalysis)方法、小波分析(WaveletAnalysis)方法、主成分分析(ponentAnalysis,PCA)方法、独立分量分析(ponentAnalysis,ICA)方法等不断被应用于涡流检测中,增强检测信号,或者抑制其它干扰,提高缺陷判断的准确性。国外方面,2004年,ShinBH将独立分量分析方法应用到管道涡流检测信号的处理中,实现了信号消噪和支撑干扰抑制[l‘2]。2005年,TianGY等将小波分析方法和主成分分析方法应用到脉冲涡流检测信号的处理中,提高了缺陷分类识别和定量检测的准确性[}m3}。国内方面,2000年,孙晓云等研究了小波分析方法在涡流检测信号降噪中的应用,提出了采用小波多尺度边沿检测来消除支撑板干扰的新方法[l‘4]02003年,何岭松等将数字滤波器技术应用到涡流检测信号处理中,有效降低了低频波动和高频干扰等【lls}02003年,林俊明等应用小波分析方法对涡流检测信号进行去噪,分辨出微弱的缺陷信号}m6},主要通过测量涡流传感器输出信号的变化以得到被检对象特性。被检对象中影响涡流传感器输出信号的因素很多,诸如磁导率、电导率、外形尺寸和缺陷等,各种因素的影响程度各异。另一方面,在一次检测过程中,有时需要同时获得被检对象的多个参数。常规涡流检测技术采用单一频率工作,获取的信息量有限,难以满足实际检测过程中的更高需求。单频涡流检测:..所示。1970年,美国科学家LibbyHL首先提出多频涡流检测技术,用以实现涡流检测过程中的干扰抑制或者被检对象的多参数检测[[21]。多频涡流检测技术采用多个不同频率激励涡流传感器,利用不同频率下,参数有不同变化的原理来实现的。在不同频率下得到的检测信号,通过一定的方法进行分析处理,提取多个所需参数,或者抑制干扰【1,3,21,117]。。7涡流技术由于具有的很多优点而被广泛应用。首先,它是非接触检测,而且能穿透非导体的覆盖层,这就使得在检测时不需要做特殊的表面处理,因此缩短了检测周期,降低了成本。同时,涡流检测的灵敏度非常高。涡流检测按激励方式和检测原理的不同可以分为单频涡流、多频涡流、脉冲涡流、远场涡流等,下面对这些技术的发展简要的加以介绍。传统的涡流采用单频激励的方式,主要来对表面及近表面的缺陷进行检测,根据被测材料及缺陷深度的不同,激励频率的范围从几赫兹到几兆赫兹不等,为了得到良好的检测信号,激励线圈必须在缺陷的附近感应出最大的涡流,感应电流的大小和激励频率、电导率、磁导率、激励线圈的尺寸和形状以及激励电流的大小有关[64一69]。通过测量阻抗或电压的变化来实现对缺陷的检测。然而,由于对其它参数也很敏感,这就影响了对缺陷的检测。为了克服单频涡流的缺点,1970年美国人Libby提出了多频涡流的技术(Multi-frequencyEddyCurrent,MFEC),多狈涡流是同时用儿个狈率信号激励探头,较单频激励法可获取更多的信号[fs‘一9‘],这样就可以抑制实际检测中的许多干扰因素,如热交换管管道中的支撑板、管板、凹痕、沉积物、表面锈斑和管子冷:..磁噪声,以及探头晃动提离噪声等。理论与实践表明,被测工件的缺陷和上述干扰因素对不同频率的激励信号各有不同的反应,可反应出不同的涡流阻抗平面。利用这一原理,用两个(或多个)不同频率的正弦波同时激励探头,然后由两个(或多个)通道分别进行检波、放大和旋转等处理,此后,通过多个混合单元的综合运算,就可以有效的去除信号干扰,准确的获取缺陷信号[f12l。但是,多频涡流只能提供有限的检测数据,很难以可视化的方式实现对缺陷的成像检测。70年代中后期,脉冲涡流技术(PulsedEddyCurrent,PEC)在世界范围内得到广泛的研究,PEC最早由密苏里大学的Waidelich在20世纪50年代初进行研究,脉冲涡流的激励电流为一个脉冲,通常为具有一定占空比的方波,施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播,根据电磁感应原理,此脉冲涡流又会感应出一个快速衰减的磁场,随着感生磁场的衰减,检测线圈上就会感应出随时间变化的电压,由于脉冲包含很宽的频谱,感应的电压信号中就包含重要的深度信息。脉冲涡流主要有以下几个特点[[24]:不需要改变测试参数的设置,一次扫描就可以完成对大面积复杂结构的检测;探头上可施加较大的能量来实现对深层缺陷的检测;与多频涡流相比,仪器的成本低。8远场涡流(Remotefieldeddycurrent,RFEC),20世纪50年代末60年代初,。80年代,有限元法和计算机数值分析技术的应用进一步推动了远场涡流机理的研究,、、.:..机仿真技术研究了远场涡流现象,应用能量扩散流的概念阐明了远场涡流现象的机理.。1986年,美国的科罗拉多州立大学用有限元方法模拟并复制了远场状态。,发现了“磁位峡谷”和“相位节点”现象}020世纪80年代以后,国内外一些研究机构着手进行远场涡流检测系统的研制,I}.TomitaandI}.Yasui等人还撰文介绍了其应用系统。近年来,远场涡流技术的应用得到全面深入的研究,许多研究机构正在进行远场涡流检测系统的9三、远场涡流和常规涡流技术的比较(1远场涡流技术检测的是穿过管壁后在管外沿管轴传播一段距离再返回到管内的磁场,接收线倍管径处的远场区。常规涡流技术则是采用靠近管壁的线圈以直接磁祸合的形式来拾取传播到管壁又返回的信号。(2)远场涡流检测仪频率较低(典型为50500Hz),磁场可以穿过铁磁性材料管壁,为了保证在激励的每个周期内采集到信号,并且不漏检,其检测速度受到限制,通常只有常规涡流检测方法的1/3}1/5,约在10}20m/min之问。常规涡流检测仪频率较高(1000Hz范围),在铁磁性材料管道中,:..磁场被限制在管道的内表面,检测外部缺陷非常困难。(3)远场涡流技术主要用于检测铁磁性管道,也可以用于检测非铁磁性管道,其最大优势是能检查厚壁铁磁性管道,最大检测壁厚为25~,这是常规涡流技术无法达到的。其次,对大范围壁厚缺损,远场涡流检测技术的检测灵敏度和精确度较高,精度