电磁无损检测技术及应用

周德强联系方式:[e-mail]电磁无损检测及应用2内容一．个人基本情况二．电磁无损检测三．常规涡流无损检测四．远场涡流无损检测五．多频涡流无损检测六．脉冲涡流无损检测七．漏磁无损检测3一、个人基本情况2007.4-2010.6南京航空航天大学测试计量技术及仪器博士学位2008.9-2009.9受国家留学基金委资助在英国纽卡斯尔大学电气电子与计算机学院从事合作研究2002.9-2005.6华中农业大学农业机械化工程硕士学位1997.9-2001.6长江大学机械电子工程学士学位学习经历42011.10-至今无锡国盛精密模具有限公司博士后2010.6-至今江南大学机械工程学院讲师硕士生导师2005.7-2007.1江苏技术师范学院机械与汽车工程学院2001.7-2002.6武汉钢铁集团公司建设公司一、个人基本情况工作经历5主持项目（1）国家自然科学基金青年基金（051107053）方向性脉冲涡流无损检测机理与应用研究25万（2）中国博士后基金5万（3）2012年入选“江苏省企业博士集聚计划”20万申获专利3项，其中发明专利2项，实用新型1项。发表论文20余篇，其中国际期刊3篇（SCI检索），国内重要核心期刊3篇（EI检索）。一、个人基本情况科研情况6二、电磁无损检测电磁无损检测定义：利用材料在电磁场的作用下呈现出的电磁特性变化来判断被测材料组织及有关性能的一类试验方法。分类：电磁无损检测涡流检测漏磁检测交变磁场测量单频涡流检测多频涡流检测远场涡流检测脉冲涡流检测直流漏磁检测交流漏磁检测多频漏磁检测脉冲漏磁检测7TfttV二、电磁无损检测分类，以方波为例：00n1()sin()nnftAAnt0nAn、和式中，、、分别为基准角频率、振幅谱和相位谱。0nAn8二、电磁无损检测分类1）当时，为直流漏磁检测，此时被测试件中不产生涡流。0(1,2,.....,)nAn2）当，且多项式中仅有一项时，产生单频激励。00A3）当时，且多项式中有多项式时，产生多频激励。00A4）当具有全频时，产生脉冲激励。9二、电磁无损检测激励磁场的成分1.从磁场的穿透能力来看，直流磁化能够穿透铁磁性构件的全断面，因而能够激发出各个部位的缺陷产生出的磁场信息，但对非铁磁性构件直流磁化则无能为力；交流频率随着频率的提高，涡流渗入层面不断变薄，同时检测的灵敏度也将不断提高。2.从信息获取的角度来看，增加激励电流中的多项式以至达到脉冲激励，使得激励频率成分不断丰富，从而有可能得到更多的检测参数和方程去评估被测缺陷特征参数，如多频涡流、相控阵涡流技术等。3.从信号处理上看，直流磁化仅包含幅度信息，考虑磁场空间分布即可，交流激励含有了幅度、相位、频率等时空信息，因而分析的范围和参量更复杂。10二、电磁无损检测11三、常规涡流无损检测研究意义输出与被测体电磁特性有关电涡流传感器性能与探头线圈结构和几何参数相关问题1同一企业或研究机构因被测体电磁特性不同需购进不同传感器问题3检测国外引进设备时，因不了解材料电磁特性而无法精确标定传感器。问题2在野外作业时，用于测量某一被测体的传感器出现问题时不能用其他传感器不能替代12目的1寻求消除被测体电磁特性对传感器输出影响的基础理论，并研究其实现方法目的2研究探头几何结构及其参数对传感器性能的影响，对提高传感器性能提供指导三、常规涡流无损检测13线圈被测体输入一级磁场二级磁场涡流),,,(,,fxFQLZ三、常规涡流无损检测14三、常规涡流无损检测涡流等效电路R1R2I1L1MI2U2L1111212222jjjj0IRILIMUIMIRIL2222121222222222(2)(2)Z2-2(2)(2)fMfMRRjfLfLRfLRfL222122222222122222()()()=-()LMRRRRLLMLLLRL15单匝线圈的阻抗求解模型Oyxρ’z’I(t)z1区2区3区4区c1区：z-c(c0)2区：-cz03区：0zz’4区：zz’三、常规涡流无损检测16轴对称时谐电磁场本构方程约束方程4,3,2,10)1(222iAkAiii)'(limlimlimlimlimlimlimlimlimlimlimlim040'30'40'30'32020030202001202010IzAzAAAzAzAAAzAzAAAzzzzzzzzzzzzczczczcz0lim0lim0lim0lim4321AAAA内边界条件无限远边界条件定解问题BA0A三、常规涡流无损检测17柱坐标系下0)1(1222222zAAkAAi)(f2)(Zg0)1(222RRRSL型本征值问题方程(1)0)1()111(222222ikzZZRRRR(2)0)1(22222RRR(3)分离变量法)()(zZρRA三、常规涡流无损检测18t=λρ0)1(2222RttRttRtBESSEL方程d])][()([),(4312110uzuzeCeCYCJCzA无限远边界条件内边界条件d)'()('2')(210101121zzucuueeuJJIAd])()[()'()('2212)2(21'10102zuczuzeuueuueJJIAd)()'()('21'10103zzzeeeJJIAd)()'()('21''10104zzzeeeJJIAcurrrrcurrrrcurrrrreuuuuuueuuuuuueuuuuuu222212212221221222122122))(())(())(())(())(())((R的通解Z的通解三、常规涡流无损检测19圆柱线圈阻抗求解模型yOxr1r2dhz线圈c1区：z-c2区：-cz03区：0zh4区：zd+h三、常规涡流无损检测20'd'ddzJIdhhrrzJI21'd'dhddhhzeeze1'd'd)'()1()(),,(2'1)(2012101121zuhdcuueJeeeuJrrUJAd])()[()1()(),,(2212)2(21012102zuczuhdceuueuueeJrrUJAd))(()1(),,(21102103zzhdAeeJeerrUJAd)(])1()1()[,,(21102104zhdhdeJeeeerrUJAtttJrrUrrd)(1),,(211321三、常规涡流无损检测215区：hzd+hP(ρ,,z)d)](1[()(),,(21)(1021051dhzzzdheeeeJrrUJA上部线圈单独作用d)](1()[(),,(21)(0121052zhzhzeeeeJrrUJA下部线圈单独作用d)]1(2[)(),,(21)()()(1021052515dhzzdhhzeeeeJrrUJAAA三、常规涡流无损检测22zjIzAnjjZrrdhhcd)(),(dd)(20521)(jZd)])1()1(2[),,(22022102hddceeedrrUnjd)1(),,(2)(021220dcinedrrUnjjZd)])1(),,()(22021202hdcsceerrUnjjZ入射场阻抗散射场阻抗三、常规涡流无损检测23圆柱线圈阻抗的数值计算zρr2r1dhbc520121220)]()[()]exp(1[2),,(2)(iiiiiiicinbJbddrrIntnjjZ)2exp()()()]2exp(1)[()]()[())](exp()[exp(2),,(2)(222225202121220cuuucuubJbdhhrrIntnjjZiiriiriiriiiiiiiiicsciriiriiiiiiiicscuubJbdhhrrIntnjjZ5202121220)]()[())](exp()[exp(2),,(2)(tttJrrIntrriiid)(),,(21121三、常规涡流无损检测24传感器磁场有限元仿真及线圈阻抗计算场量随时间按正弦规律变化线圈激励电压均匀分布忽略探头运动速度的影响线圈中的涡流忽略不计电导率和磁导率均为常数忽略位移电流，按似稳场处理忽略被测体电阻率的温度效应假设00JBBEJHjw三、常规涡流无损检测25有限元仿真3D模型(a)模型1(b)模型2探头线圈被测体近场空气远场空气探头线圈被测体被限定的空气三、常规涡流无损检测263D分析结果(b)模型2磁场强度分布图涡流密度分布图(a)模型1三、常规涡流无损检测273D分析结果(a)模型1(b)模型2被测体半径(mm)涡流密度(×103A/m2)12351133103192982772562352141931721501.83.65.47.29.00.92.74.56.38.1被测体半径(mm)122911271025923821719617515413311209涡流密度(×103A/m2)01.83.65.47.29.00.92.74.56.38.1涡流密度沿被测体径向分布曲线图三、常规涡流无损检测283D分析结果项目数值项目数值项目数值项目数值线圈内径1.00mm线圈外直径4.70mm被测体半径9.00mm激励电压24V线圈高度5.10mm被测体高度12.00mm线圈直流电阻12Ω激励频率10KHz模型实部电流(A)虚部电流(A)电阻(Ω)感抗(Ω)11.30231.399650.391254.153121.30351.400150.372554.1470误差（％）0.090.040.040.02IUZ表1表2三、常规涡流无损检测29有限元仿真2D模型xx(a)模型1(b)模型2线圈被测体yBAC空气线圈无限远空气BA近场空气被测体D三、常规涡流无损检测302D仿真结果和3D仿真结果比较模型实部电流(A)虚部电流(A)电阻(Ω)感抗(Ω)2D模型模型11.35591.400450.466952.1232模型21.35731.401250.438852.07023D模型模型11.30231.399650.391254.1561模型21.30351.400150.372554.1470误差(%)4.130.110.193.93可用2D模型代替3D模型进行电涡流传感器的电磁场仿真和线圈阻抗计算表4三、常规涡流无损检测31线圈阻抗理论和有限元计算值比较相关参数参数值相关参数参数值不锈钢相对磁导