[科普中国]-涡流探伤仪

涡流探伤仪常用于军工、航空、铁路、工矿企业，可在野外或现场使用，是具有多功能、实用性强、高性能、价格比特点的仪器，广泛应用于各类有色金属、黑色金属管、棒、线、丝、型材的在线、离线探伤。对金属管、棒、线、丝、型材的缺陷，如表面裂纹、暗缝、夹渣和开口裂纹等缺陷均具有较高的检测灵敏度。

概述涡流探伤仪是一种基于涡流检测原理来探测钢铁棒材、板材是否存在裂纹、气孔等缺陷的设备，它具有抑制干扰信号、拾取有用信息的功能，该仪器由振荡器、探头线圈、信号检波装置、测量比较电路、信号处理报警显示及电源等几部分组成，主要用于金属材料的无损探伤。

涡流探伤仪是无损探伤仪中，最受器械行业欢迎的一款仪器，具有的高实用性，高性比价的优点，得到了广大工程应用者的喜爱。

工作原理涡流检测是许多NDT（无损检测）方法之一，它应用“电磁学”基本理论作为导体检测的基础。涡流的产生源于一种叫做电磁感应的现象。当将交流电施加到导体，例如铜导线上时，磁场将在导体内和环绕导体的空间内产生磁场。涡流就是感应产生的电流，它在一个环路中流动。之所以叫做“涡流”，是因为它与液体或气体环绕障碍物在环路中流动的形式是一样的。如果将一个导体放入该变化的磁场中，涡流将在那个导体中产生，而涡流也会产生自己的磁场，该磁场随着交流电流上升而扩张，随着交流电流减小而消隐。因此当导体表面或近表面出现缺陷或测量金属材料的一些性质发生变化时，将影响到涡流的强度和分布，从而我们就可以通过一起来检测涡流的变化情况，进而可以间接的知道导体内部缺陷的存在及金属性能是否发生了变化。

影响涡流场的因素有很多，诸如探头线圈与被测材料的耦合程度，材料的形状和尺寸、电导率、导磁率、以及缺陷等等。因此，利用涡流原理可以解决金属材料探伤、测厚、分选等问题，如：裂缝、缺陷检查；材料厚度测量；涂层厚度测量；材料的传导性测量等。

涡流检测的优越性主要包括：

（1）对小裂纹和其它缺陷的敏感性；（2）检测表面和近表面缺陷速度快，灵敏度高；（3）检验结果是即时性的；（4）设备接口性好；（5）仅需要作很少的准备工作；（6）测试探头不需要接触被测物；（7）可检查形状尺寸复杂的导体。

硬件组成正弦波振荡器正弦波振荡器以正反馈放大器构成的自激振荡器为基础（如图2所示），它主要由放大器和正反馈网络组成，且要满足产生自激振荡的幅度和相位平衡条件：幅度平衡条件指反馈信号的幅度应等于原输入信号的幅度，即 ， ；相位平衡条件指正反馈信号与输入信号的相位相同，即它们之间的相位差应满足： ，其中。为产生某一确定频率的正弦波，还需具有选频网络，选频网络可使信号中不满足自激振荡条件的频率受到抑制。1

变压器反馈式LC正弦波振荡器（如图3所示）的放大电路以三极管BGl（3DG201）为核心组成，变压器的三个线圈N1、N2、N3分别绕在同一铁心上，N1为原边绕组，N2、N3为副边绕组。N1作为三极管的集电极负载，N2、N3作为三极管的发射极负载，用来实现正反馈，即将输出信号在N2、N3中感生的交流电压自放大器的发射极通过隔直电容C1回送输入端：同时N2、N3与可变电容C3组成LC并联谐振回路作为选频网络。

该振荡器的自激振荡起始于电压、电流的瞬时波动或冲击，例如在接通电源的瞬间，电路中各部分都将产生一个非正弦波冲击信号，它们包含丰富的频率，其中必有LC谐振回路所决定的频率 。由于 满足白激振荡条件，谐振回路对 呈现的电阻值最大，放大器的电压放大倍数A也就最大，且· 值最大，这有利于起振；而对于以外的其它频率不满足自激条件，Lc并联谐振回路的等效阻抗都比较小，或者呈电感性（ ）、或者呈电容性（ ），也就比较小，不利于起振，而使它们逐渐衰减消失。经过“放大-正反馈-放大”的循环过程， 谐波的幅度迅速增加，振荡逐渐建立起来，经变压器耦合，在输出端得到频率为 的正弦波。1

探头线圈探头线圈是由激励线圈和测量线圈组成的变压器耦合式互感电路，两个线圈以一个磁芯为核心采用紧密耦合方式绕制，其中激励线圈和测量线圈的匝数比为3：1，而被测试件金属块相当于很多个匝数为1的线圈重叠而成。正弦波振荡器提供激励信号，其输出端直接与激励线圈相连，激励线圈用作高频正弦信号激励源，通以高频正弦信号就会产生交变磁场（一次磁场）。测量线圈用来检测通过其中的磁通量变化，以此来确定试件表面缺陷引起的磁场变化。一次磁场通过测量线圈时会在其中产生交变的感生电动势，而且还会在金属块中感生出交变的涡流，该涡流同样也会在周围空间形成交变磁场（二次磁场）并在测量线圈中产生感应电动势。因此通过测量线圈的磁场是由激励磁场和涡流磁场迭加得到的合成磁场。当探头在被测试件表面上（或一定距离处）划过时，由于被测试件和探头都具有高磁导率，磁通主要集中在探头和被测试件接触点的主磁路内；忽略漏磁通时，可认为主磁路内处处都有相同的磁通。假定激励信号振幅不变，探头线圈和金属块之间的距离也保持恒定，则涡流及涡流磁场的强度与分布就由金属块的材质决定，即合成磁场受金属块的电导率、磁导率、裂纹等因素的影响。

探头和被测试件的磁导率都远大于空气的磁导率，故被测试件表面没有缺陷（气隙）时，则可认为磁路中的磁感应强度均匀分布、处处不变（因磁路各处材质均匀、磁场强度不变）；当被检测材料表面有缺陷或裂纹存在时，探头接触到的气隙发生变化，磁路的磁导率不再处处均匀，此时磁路内的磁导率变小，而磁场强度不变，则磁感应强度变小、通过此磁路及测量线圈的磁通量变小，进而影响测量线圈的电特性。根据互感原理，在其它参数并未发生变化的情况下，会使测量线圈的感应电动势幅值变小；同理，探头在运动过程中由气隙再返回原来状况的过程中，通过磁路的磁通量又会恢复变大，测量线圈的感应电动势幅值也就会相应变大。因此，只要检验出代表磁通量发生变化的电特性参数（电动势），就能间接取得金属块的裂纹及分布等相关信息，这正是利用涡流方法对金属进行探伤检测的基本原理。1

检波电路为了发现测量线圈的感生电动势变化，借鉴了收音机的检波原理，从而利用检波电路把测量线圈中的高频信号包络线检测出来。一般用于检波的理想器件是点接触型半导体二极管。根据输入信号的大小，检波二极管工作在其特性曲线的线性区（直线部分）或非线性区（弯曲部分），前者用于大信号检波，后者用于小信号检波。由于来自测量线圈的输入信号幅度较大，要求二极管工作在线性区大信号检波，这与整流过程一样，都是利用二极管的单向导电性，其工作原理如图4所示，上图中输入信号F为测量线圈的感生电动势，电阻R1为负载，C1为一小容值电容。检波过程如下图所示：在输入信号的前1/4周期内，电动势F对电容C1充电，由于C1容值很小，充电时间常数很小，C1的充电电压很快跟随别直变化，从而使R1两端的电压逐渐升高，直到达到峰值电压；在第二个1/4周期内，电动势F的电压开始减小，而电容C1为储能元件，C1转而开始放电而对电阻R1充电，使得电阻R1两端的电压并不跟随F而变小，而是发生图中粗线轨迹所示的慢减小，直到这条轨迹再次与电动势F的电压轨迹相遇、F的电压高于C1两端的电压时，F再次对C1充电，从而使电阻R1两端的电压再次升高；如此周而复始，则从电阻R1两端检出了如下图所示的电压波形。可见，输入信号的频率越高，电容C1的放电时间就越短，则电阻R1两端的输出电压就越逼近于电动势F的电压峰值。因此把电阻R1两端的电压提取出来，就得到了电动势F的电压幅值包络线的近似图形，于是就检出了所需要的测试信号。1

测量比较电路测量比较电路用来判断从二极管检波电路取得的包络线是否带有表明被测试件表面有、无缺陷的电信号，它主要由三极管BG2、稳压管DZ、精密变阻器Rvar和运放LM324组成。三极管BG2起低放作用，电阻R1、R2分别为其基极、集电极的偏置电阻。电容C1为10 的大电容，C2为0.01 的小电容。由于大电容的时间常数很大，对于高频信号近似于断路，对于低频信号相当于短路；而小电容时间常数小，对于低频信号相当于断路，对于高频信号相当于短路。而该电路的输入信号包络线波形为低频信号，因此该信号能通过电容C1送到三极管BG2的基极，而输入信号中有高频成分（噪声）则会通过小电容C2接地，使C2起到屏蔽信号高频分量的作用。当探头线圈检测到被测试件表面有气隙时，测量线圈输出的交流信号幅值会减小；该信号经检波后得到一个向下弯曲的电压曲线，其弯曲部分就代表了探测到试件缺陷对涡流的影响；此时三极管BG2基极输入电压减小、集电极输出电压增大。输入的包络线信号经BG2放大后输出的波形形状更为明显，由集电极输出并送入比较器电路。1

报警电路报警电路用来对测量比较电路的输出信号进行处理，使其由单一的电信号转化为易于让人察觉的声、光等信号，从而实现报告检测结果的目的。一般而言，测量比较电路的输出电平可直接驱动发光二极管亮、灭，但由于探头线圈相对被测试件表面的划动速度很快，因此偶尔有缺陷时二极管的亮、灭改变只是瞬间动作，有时很难直接用肉眼观测到其变化，故要考虑此输出信号以显著形式表现出来。测量比较电路输出的低电平是有用信号，其宽度不定，但该电平总有一个“高一低一高”的跳变过程。根据这一特性，采用由集成555定时器组成的单稳态触发器构成报警电路，该电路的输入、输出不依赖于输入电平的具体状态，而仅与“高-低”或“低-高”的跳变触发及其本身的电路特性有关，因此可以很好解决显示报警信号的问题。1

应用领域（1）轴承外圈、轴承内圈、齿轮坯、环型金属零件、汽车零部件；

（2）铜管、钢管、不锈钢管、焊接管、铝塑管、钢丝、双层管、铜包铝、铜包钢、铝丝金属棒材等生产线在线及离线上的无损探伤；

（3）石油套管、抽油杆、空心轴等无损探伤；

（4）冷凝器管、空调器管、汽车油管等检测；

（5）适合于各种金属管棒线材的无损探伤。

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学