非金屬材料電磁檢測新技術研究

王星　郭靜　楊潔　易艷彤　衡東梅

摘要：目前的電磁檢測技術只適用于導電金屬材料和非金屬復合材料，如石墨和碳纖維，而不適用于非金屬非導電材料。理論分析表明，電常數的變化可能導致檢測線圈阻抗的變化。提出了一種新的無損檢測方法，通過對電常數的修正檢測非金屬材料中的缺陷。在實踐中，由電常數變化引起的阻抗變化信號非常微弱。使用電路，例如電橋、放大器、相位敏感探測、濾波等。為了消除干擾信號，選擇并放大有用信號，提高探測信號/噪聲比率，有效判斷非金屬材料是否存在缺陷或不連續性。

關鍵詞：電磁檢測;非金屬材料;介電常數;信噪比

前言

渦流檢測技術（ET）、交流電磁場檢測技術（ACFM）和電磁色譜成像技術（EMT）具有不接觸、不損害和不輻射的全部優點，可廣泛應用于無損檢測領域。盡管上述三種檢測技術均以電磁感應原理為基礎，但其檢測機制、特征信號提取電路和檢測電路因檢測對象和范圍而異。對這三種電磁無損檢測技術的分析可以促進這些技術在開發過程中的交流和應用。

一、三種檢測技術的系統結構

1.典型的ET系統

一種系統和類型包括檢測探頭、信號源電路、信號處理電路等。探針激勵信號由高精度波形發生器產生，信號頻率由控制面板上的開關選擇。放大、XY分解、障礙物過濾/過濾、A/D轉換、測量信號導入計算機后，間隔信號信息由算法提取，探頭線圈阻抗變化值顯示在顯示器上，從而獲得檢測到故障的位置等信息。

2.典型的ACFM檢測系統

典型的ACFM系統主要由電源、勵磁信號發生器、功率放大電路、散射電路、勵磁探頭、信號調節電路、A/D采集卡和PC組成。信號發生器將正弦波作為勵磁信號提供，驅動勵磁探頭，以零件表面的周期性旋轉方向激發均勻的感應電流，產生旋轉感應磁場，檢測探針提取零件表面的磁流密度信號，檢測軟件處理信號。

3.典型的EMT系統

EMT系統可分為三個部分。傳感器網絡、接口電路和計算機。傳感器網絡由屏蔽層、檢測線圈和勵磁線圈組成。勵磁電流應用于每個勵磁線圈，產生可變磁場。不同方向的檢測線圈從對象域獲取電導率或磁導率分布信息，并通過接口電路將其導出到計算機。使用反向變換算法重建場的空間分布，即重建圖像。

二、電介質介電常數

顧名思義，電介質是一種非導電材料，即絕緣材料，在其中沒有移動電氣負荷。如果將電子環境置于靜態電場中，則電子和原子核在電場強度的影響下，會在原子范圍內進行相對微位移，并且不能與它們所屬的原子分離，以實現如導管中的自由電子這樣的宏觀運動達到靜電平衡時，電場內部的場強不等于零，這是電介質的電能與導體電能的主要區別。電介質包括各種物質，如氣體、液體和固體。它是一種電氣絕緣材料，可以忽略其內部的自由電荷。由于分子內部力的限制，帶電粒子通常無法移動。但是，在外部電場作用下，這些帶電粒子仍可在微觀一級移動，也就是說，電環境可以偏振光，用電常數表示＼電環境在變換電磁場中偏振光，產生額外的電磁場。

在外部電場作用下，介質的介電常數是整體反映介質微極化過程的宏觀物理量。在沒有電場的情況下，構成介質的分子或原子對外部世界是中性的，在外部世界，原子核的正電荷中心與原子核周圍分布的電子電荷中心重合。但是，當環境受到電場作用時，每個分子或原子的正負電荷中心相對偏移，中性分子或原子成為極。由不同原子或離子組成的分子，例如離子晶體中由正負離子組成的結構單元，在沒有電場作用的情況下處于正常的節點位置，并保持對外界的電中立性。當環境受到電場作用時，正負離子會產生相對位移，破壞原始的中性分布。實際上，電荷的再分配相當于從中性分子轉變為附帶二極管。構成極電環境的粒子是具有極端時刻的極分子。在沒有電場的情況下，極分子是隨機排列的，自然極矩向量在所有方向上分布的可能性相等。所有分子固有的極矩向量和零，整個電介質保持電氣中立。但是，當環境受到電場作用時，每個極分子在電場中都會受到旋轉，并且傾向于與電場方向對齊，從而導致電場兩極分化。

三、介電常數對傳感器的檢測影響

渦流檢測是一種基于電磁感應原理的無損檢測方法。樣品在交流電流線圈附近進行了測試。線圈創建的可變磁場通過測試樣品的電磁感應檢測，測試樣品中檢測到渦流。此時，測試樣品中的渦旋也會產生相應的感應磁場，影響原始磁場，從而引起線圈電壓或阻抗的變化。渦旋的強度和分布可能受到影響，線圈的應力或阻抗可能會在測量的樣品表面或表面附近發生故障或其他性質變更時發生變化。因此，儀器檢測線圓中的應力或阻抗變化可以間接檢測測試樣品中的缺陷或其他特性變化。

四、檢測系統

需要根據探測目標和應用對象開發不同類型的傳感器和儀器。振蕩器產生的交流電流穿過線圈。當探針卷軸穿過工件屬性變更的位置時，探針卷軸的阻抗會變更，并由溫度計指示。檢測非金屬材料時，如果材料有缺陷或不連續，材料的電氣常數可能會發生變化，線圈阻抗也可能發生變化。但是，電恒引起的阻抗變化實際上很小，很難用檢測系統測量絕對阻抗或電壓，因此需要使用各種電橋、平衡電路和放大器來檢測和放大線圈阻抗的變化。同時，由于線圈對檢測中的多個參數敏感，與零件無關的參數可能形成多個干擾信號，嚴重干擾信號可能影響有效信號的識別，并在檢測結果的判斷中引起問題。這需要使用各種電路，例如相位敏感探測和過濾，以消除干擾因素的影響并確保探測的可靠性。檢測線圈可以設計為在測量由于電流常數變化而引起的微小阻抗變化時作為橋梁連接。

結束語

簡而言之，電磁檢測技術迄今已得到發展，檢測對象一直限于導電材料。本文建議將電磁檢測技術應用于非導電非金屬材料，利用電常數變化對檢測線圈的影響，提高檢測信噪比，檢測非金屬材料是否不連續，實現快速、高靈敏度、高效、高效的檢測毫無疑問，這種探測技術將是電磁無損探測發展歷史上的一個重大突破。

參考文獻：

[1]黃平捷，吳昭同，嚴仍春.多層厚度電渦流檢測阻抗模型仿真及驗證[J].儀器儀表學報，2004，25（4）：473-476.

[2]亓和平.交流電磁場檢測技術裝備及應用[J].石油機械，2005，33（6）：77-80.