淺析多頻渦流與脈沖渦流檢測技術間的關系

林俊明

（愛德森（廈門）電子有限公司，廈門 361004）

多頻渦流和脈沖渦流檢測技術是兩種不同的渦流檢測方法。

多頻渦流檢測技術采用幾個頻率同時工作，能有效地抑制多種干擾因素，一次性提取多個所需的信號（如缺陷信息、壁厚情況等），實現多參數檢測。在當今對許多復雜重要的構件，如熱交換器管道、汽輪機葉片、大軸中心孔等的檢測中得到了廣泛的應用［1］。

脈沖渦流檢測技術通常使用具有一定占空比的方波（具有一定上升沿和下降沿時間的單次或周期性的波形）作為激勵信號。采用這種激勵方式時，無需更換探頭和改變激勵頻率就可對被測件大面積不同深度內的缺陷進行一次性掃描檢測。脈沖渦流檢測技術具有操作簡單、可通過后續算法消除提離和邊緣效應等優點［2］，被認為是未來很有發展潛力的無損檢測技術之一［3］。

筆者將從多頻渦流和脈沖渦流檢測技術的基本工作原理出發，對這兩種渦流無損檢測技術進行比較分析，探尋兩者間的關系，并列舉兩種技術在實際生產中的應用情況。

1 多頻渦流與脈沖渦流檢測技術的基本原理

1.1 多頻渦流檢測基本原理

多頻渦流檢測通常根據被檢測對象同時需檢測的目標參數（如缺陷、管壁厚度等）和要排除的干擾信號（如支撐板、管板等引起的干擾信號和抖動信號），用合適的含有多種頻率成分的信號激勵檢測線圈，然后對受檢對象作用參數調制的輸出信號加以放大，分別進行解調，并把解調信號的各個分量以指定的方式組合起來（混頻），綜合分析處理，達到“去偽存真”的目的。

多頻渦流法中每一個檢測通道的檢測結果都與所有被測件目標參數有關，因此，對于n個作用參數，就要求有n＋1個或2n個獨立的檢測通道，以便能將所有感興趣的參數分離，使處理后每一個通道表示一個參數。為了分離提取各個參數信號，需要一系列的數學計算調整，其數學方法基于數學矩陣或矢量空間轉換的原理［4－5］。

1.2 脈沖渦流檢測基本原理

在渦流激勵線圈兩端施加脈沖信號后，激勵線圈中就存在單次或周期的脈沖電流。由法拉第電磁感應定律可知，激勵線圈中的脈沖電流會感生出一個快速衰減的脈沖磁場，該脈沖磁場又會在導體試件中感應出瞬時渦流（脈沖渦流），向導體試件內部傳播。當激勵信號的波峰消失后，被測材料中產生的感應電流波形就反映了材料參數。隨著渦流磁場的衰減，檢測探頭上就會感應出隨時間變化的電壓信號。由于渦流磁場的大小與被測試件本征特性密切相關，若試件中存在缺陷，將使渦流磁場的分布發生變化，最終使檢測探頭的信號發生變化，該變化的信號就間接包含了被測試件的本征特性（如裂紋的深度、大小、類型等）。將該檢測信息進行進一步的后續信號處理，提取相關特征量等，即可實現對被測件的檢測。

2 多頻渦流與脈沖渦流檢測技術間的關系

根據多頻渦流和脈沖渦流檢測技術的工作原理，得到兩者檢測過程的電路信號流程圖如圖1所示。利用信號發生器為探頭提供所需的激勵信號r1（t）。受試件參數的影響，探頭得到響應信號r2（t）。同時，信號發生器提供激勵信號給補償電路，由補償電路給出補償信號r3（t），對探頭信號進行調整，得到調整后的信號r4（t），然后r4（t）傳送給濾波器和放大器，再把信號展開送入頻譜分析或相敏檢波器，與信號發生器提供的參考信號r5（t）相結合，得到一系列函數信號Ci，經過A／D轉換電路后送入計算機或其他運算單元進行進一步處理，最終顯示檢測結果。從圖1可以看出，多頻渦流與脈沖渦流法的工作原理基本相同，不同之處在于兩種方法的激勵信號的形式，以及信號的處理模式。

圖1 多頻渦流與脈沖渦流法信號流程圖

從信號頻譜關系的角度看，在激勵端，脈沖渦流方法中，通常線圈兩端的激勵信號采用如圖2所示的周期方波信號，其占空比為σ。對于這種周期函數形式的脈沖激勵信號，可以用三角傅里葉級數來表示，其基頻為ω＝2π／T。假設周期脈沖信號的幅值為A，等價的傅里葉級數可以寫為式（1）所示的形式，其中n表示諧波階數，t為時間坐標。從上述分析可知，利用方波激勵（其基頻f1＝1／T）實施脈沖渦流檢測就相當于利用頻率為fn＝nf1，n＝1，2，3...的無數個連續正弦激勵實施多頻渦流檢測的過程，其幅值總是≤2A／nπ，而這一值是隨著n值的增加而逐步減小的。當用脈沖信號進行渦流檢測，由于激勵信號有很寬的帶寬，同樣也可以獲得試件的多參數信息，所以和多頻渦流檢測一樣，脈沖渦流檢測也能實現多參數檢測。脈沖渦流的輸入g（t）表示成以下形式：

圖2 脈沖激勵

根據疊加原理，在輸入瞬態脈沖可看作多個輸入諧波之和時，對應的瞬態輸出為各諧波輸入量所對應的輸出量之和。若取占寬比σ＝0.5，則式（1）可以寫成［6］：

假設對n通道的多頻渦流檢測儀施加式（2）中對應的諧波激勵，就相當于進行脈沖渦流檢測，當然此時不考慮后續的信號處理方法，如圖3所示。

圖3 脈沖渦流與多頻渦流的信號等效分析

從上述分析可知，如果從脈沖渦流與多頻渦流檢測激勵信號的頻譜分析角度來理解，脈沖渦流的實質是衰減型的多頻渦流，或者說多頻渦流的實質是具有高頻諧波加權補償的脈沖渦流。

在信號的分析處理方面，多頻渦流在阻抗平面分析技術的基礎上有進一步的處理模式，即采用混頻技術來抑制干擾信號。它的原理是：每個檢測通道的信號都可由試件參數的不同線性組合來表示，通過對不同通道的信號進行旋轉、放大、相減等處理，即可抑制干擾信號。多頻渦流法中的混頻處理起到“去偽存真”的作用，提高了渦流檢測的可靠性和靈敏度。而脈沖渦流法對檢測數據的分析過程相對比較簡單，目前對信號的分析主要在時域進行，通過從時域提取特征量對缺陷進行檢測，沒有充分利用脈沖渦流頻率分量豐富的優點，當然，這里面也有具體技術因數的制約，例如，足夠寬的電路增益頻帶在目前技術條件下很難達到。因此，尋找新的檢測特征量以及擴展信號分析域是目前脈沖渦流檢測的研究方向之一［4，7－9］。

在檢測設備的研發方面，多頻渦流方法中需要多個渦流檢測通道（理論上可以實現無窮個），通道越多成本越高，對系統的穩定性、一致性等要求也高，硬件電路不易實現。另有一種多頻渦流設計模式，即采用分時工作方式，但如此一來會影響檢測及處理速度和效率。而理論上脈沖渦流則等價于成百上千個激勵／檢測通道同時工作，它能獲得瞬態大功率，較多頻渦流法對金屬材料的穿透檢測能力更強，硬件電路成本也相對較低，但實際應用中，高頻信號相對較弱，受電路頻帶噪聲的影響，拾取能力遠不如多頻渦流設備。從頻譜角度分析的結論也確鑿地佐證了這一點。

3 多頻渦流與脈沖渦流檢測技術的應用

在這兩種檢測技術的應用方面，經過多年的發展，它們均已形成相對成熟的檢測設備，并在許多領域得到應用，但目前，多頻渦流技術仍占據著絕對的優勢。如基于多頻渦流技術的EEC－39RFT＋＋視頻／多頻／遠場渦流檢測儀，目前已在航天航空、核工、電力等領域得到廣泛的應用：比如在大亞灣核電站的常規島鈦管、漢川電廠的凝汽器銅管、湖北雙環化工集團的不銹鋼管檢測［9－11］等諸多熱交換器管道檢測中，抑制在役管道支撐板、管子材質不均勻、形變以及探頭晃動等造成的干擾，檢測出在役金屬管道可能存在的缺陷及壁厚腐蝕減薄；脈沖渦流技術則適用于電力、石油、化工和天然氣等行業中直接對表面帶有涂層、隔熱層、隔層（如鋁、不銹鋼、鍍鋁鋼等）或被測表面粗糙、有結垢的管道進行檢測，如在役隔熱層下鋼管壁厚腐蝕減薄的檢測，典型產品為EEC－83帶保溫層管壁電磁測厚儀。而集多頻渦流與脈沖渦流功能于一體、帶有頻譜分析功能的EEC－96＋八頻56通道渦流檢測儀，在汽車零部件材料檢驗中，分析、計算和復原渦流響應信號的主頻及其高次諧波分量，實現對鋼鐵材料的基體組織、表面硬度、滲碳層深檢測、混料分選等。

4 結語

基于法拉第電磁感應原理的多頻渦流與脈沖渦流，屬于兩種不同的渦流檢測方法，具備常規渦流檢測的基本特性，如金屬材料的缺陷、組織酥松、幾何形變、電導率、磁導率等不連續性的檢出，但這兩種方法前端的信號處理流程是基本一致的；就激勵信號而言，脈沖渦流可看作是衰減型的多頻渦流，或者說多頻渦流激勵的實質是具有高頻諧波加權補償的脈沖渦流；從信號處理角度看，多頻渦流技術后期信號處理上主要基于頻域角度，并具有阻抗分析與混頻處理等技術；脈沖渦流技術后期信號處理上主要基于時域分析，并從中提取特征量。此外，多頻渦流可以任意選擇預置頻率參數及激勵強度，即在選定一組頻率后，采用不同的激勵與增益，獲得更多的組合信息量，故具備更多的靈活性。

在應用方面，雖然目前多頻渦流的應用面遠大于脈沖渦流，但脈沖渦流技術能勝任某些單頻或多頻渦流檢測無法完成的任務。可以預期，隨著電磁渦流檢測理論的深入研究，電子技術與計算機技術的迅速發展，多頻渦流和脈沖渦流檢測技術必將成為電磁檢測技術領域的重要組成部分。

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