幾種電磁無損檢測技術比較及發展現狀

馮蒙麗，蔡玉平，宋春榮，劉 進

(軍械工程學院 基礎部理化教研室，石家莊 050003)

無損檢測是檢測技術的重要組成部分，其重要性在全世界得到公認［1］。他以不損害被檢測對象為前提，對材料，零部件，及產品進行有效檢查和測試，評價其完整性，連續性和其他物理性能。大體可分為3 個時期:無損探傷(non-destructive inspection)、無損檢測(non-destructive testing)和無損評價(non-destructive evaluation)［2］。

隨著現代工業和科學技術的發展，無損檢測取得了長足的進步。檢測設備不斷令人耳目一新，逐漸向計算機化、自動化、可視化發展;而理論與實踐上也是百家爭鳴，計算機技術、模式識別、反演技術、人工智能、神經網絡技術、小波技術，以及各種數據處理理論和技術廣泛應用于無損檢測領域［3-4］。同時，隨著諸如交流磁場檢測、金屬磁記憶檢測的發展，各種仿真技術的重要性得到了前所未有的重視，這也是未來研究手段的重要發展方向［5-7］。

1 電磁無損檢測

電磁無損檢測是無損檢測技術的重要分支，是利用材料在電磁場作用下，呈現出的電學或磁學性質的變化，判斷材料內部組織及有關性能的實驗方法，主要包括渦流檢測、磁粉檢測、微波檢測、漏磁檢測［8］，近幾年發展起來的交流磁場檢測(ACFM)以及金屬磁記憶檢測(MMM)也屬電磁無損檢測范圍之內。其中，渦流磁場檢測、交流磁場檢測、金屬磁記憶檢測是近年來研究的重點。本文對這3 種檢測技術的原理、應用、檢測儀器及最新進展進行了總結歸納，并指出了今后發展的方向。

1.1 渦流檢測

1.1.1 基本原理及特點

渦流檢測是以電磁感應為基礎，通過測定被檢工件內感生渦流的變化來無損地評定導電材料及其工件的某些性能，或發現其缺陷的無損檢測方法(原理圖見圖1)，可用于檢測金屬導電率、涂層厚度、應力、位移等，但應用最為普遍的是探傷［9］。

圖1 渦流檢測原理

1.1.2 發展現狀

渦流檢測的發展始于1879年，其首次將物理現象同測量聯系起來，但當時并未形成一種測量技術。直到20 世紀50年代，隨著德國forster 阻抗分析法的提出，渦流檢測才取得了實質性的突破，并用于實際工程［10］。1951年，W·R·Maclean 運用遠場理論開發了一項檢測技術，獲得了美國專利。不久，殼牌公司的T·R·Schmidt 對遠場渦流無損測技術獨立進行了研究，并于1961年將此項技術命名為“遠場渦流檢測”，以區別于普通的渦流檢測，這種技術主要用于檢測管線［11］。1970年，美國人Libby 提出了多頻技術，開創了多頻渦流檢測的先河，這種技術在大亞灣核電站冷凝器管道檢測中取得了重大突破。80年代初，Witting 等人又提出了脈沖渦流法，隨著近年來的發展，其在多層金屬結構缺陷(尤其是航空材料檢測)的定量檢測和評估方面展現了潛在的應用優勢［12］。在儀器設備方面，美國的EM3300 和MIZ-20 為采用阻抗平面顯示技術的典型產品，目前，我國在有限元數值仿真、遠場渦流探頭性能指標分析及檢測系統的研制等方面取得一系列研究成果，推出商品化遠場渦流檢測儀器，其中ET-556H 和EEC-39RFT 已用于化工煉油設備的鋼質熱交換管和電廠高壓加熱器鋼管的在役探傷。

雖然渦流檢測在實踐中已有廣泛應用，但目前渦流檢測還主要處于當量分析階段，在定量分析方面有待進一步研究。我國一些科研機構在人工神經網絡技術和三維缺陷阻抗圖的研究方面取得了不少進展，并取得了較好的實際結果，已接近發達國家的研究水平，推動了我國渦流檢測理論的發展［13］。

目前，理論的不斷完善和技術的不斷發展正推動渦流檢測向多個方向發展，如多頻渦流檢測技術、遠場渦流檢測技術、渦流三維成像技術等，這些將會進一步促進渦流檢測技術在無損探傷、性能測試和實時監控方面的廣泛應用［13］。

1.2 交流磁場檢測

交流磁場檢測是近年來無損檢測的主要進展之一，主要用來檢測覆有防腐涂層或絕緣層的水下結構表面缺陷。他采用均勻的感應場，并通過測量試件上方的磁場強度來實現缺陷檢測。

1.2.1 基本原理及特點

根據楞次定律，電磁波在導體中傳播時，導體中將產生感應電流，而感應電流分布及大小與導體的電導特性有關。如果讓交變電流垂直于樣品平面，當被測樣品中無缺陷時感應電流均勻分布，電流線平行;如果存在缺陷，電流線會在缺陷邊緣處產生匯聚和偏轉，兩端電流密度比激勵電流要大得多，存在一定的奇異性，這種電流的變化會產生一個偶極子磁場，如圖2 所示。在缺陷兩端電流最密集，會產生2 個Bz 峰值，根據兩峰值之間的距離可以確定缺陷的長度;沿缺陷方向Bx 值受擾動，在缺陷最深處達到最小值。因此ACFM 檢測可以通過分析Bz 和Bx 獲得與缺陷有關的長度、深度信息［14］。

這種方法具有非接觸測量、受工件材料影響小、數學模型精確、無需標定等獨特優點，被廣泛應用于水下結構、海上平臺、石油化工、電力工業以及航空航天等各種場合的表面裂紋檢測［15］。

圖2 交流磁場檢測原理

1.2.2 發展現狀

ACFM 方法的提出源于海洋石油設備水下檢測需求。20 世紀80年代英國倫敦大學的無損檢測中心為了克服ACPD 法需要探頭與工件檢測表面相接觸的缺點，提出了通過交流電磁場來檢測工件缺陷的思路，并對其基本原理進行了深入研究，獲得了成功。最近幾年國外又出現了一種新的測量技術——表面磁場測量(SMFM)技術，其與ACFM 原理類似，只是數據處理有差別，只需要一維磁場數據即可，但是對后處理要求更高，測量過程中外界影響因素較多，尚未應用于實際領域。

目前，國外對ACFM 的研究已經較為成熟，已具有相關的裂縫檢測儀以及更新換代產品。在我國，對其研究還處于起步階段，一些研究機構，比如國防科技大學、華中科技大學、西安交通大學等通過仿真軟件等對電磁檢測機理及探頭研制進行了探索和設計。北京科技大學相關人員還把ACFM 與SQUID 檢測設備相配合，結合反演技術在成像領域進行了初步研究。但是到目前為止，國內研究也僅限于理論和實驗階段，離實際應用還相去甚遠［16］。

1.3 金屬磁記憶檢測

1.3.1 基本原理及特點

金屬磁記憶(MMM)檢測技術是始于1999年10月引入中國的一種新的無損檢測手段，相較于當前應用較多的渦流檢測，交變磁場檢測具有不需磁化裝置，探頭提離效應小，不需耦合，可快速準確測定應力集中區，且檢測靈敏度高(是目前唯一能以1 mm 精度確定應力集中區的方法)等優勢，特別適合野外作業，在裝備武器以及航空器缺陷快速準確定位中具有無可比擬的優勢，在軍事上具有廣闊的應用前景。

設備出現運行性損壞之前，應力集中區金屬組織的變化(腐蝕、疲勞、蠕變)有一個過程。相應地，金屬的磁性強度也在隨之變化，他反映著設備及其結構的實際應力變形狀況。鐵磁性材料工件，在地磁和交變載荷作用下，缺陷或應力集中部位的導磁率最小，其磁場切向分量具有最大值，而法向分量則改變符號，且具有零值點，如圖3 所示。而在工件表面會形成漏磁場，表面漏磁場“記憶”了部件的缺陷或應力集中的位置，即“磁記憶”效應。由于鐵磁性材料表面上的磁場法向分量為零值時對應的區域與工件缺陷或應力集中部位對應，故對工件表面的漏磁場法向分量進行掃描檢測，就能間接地判斷出工件是否有缺陷或應力集中位置［17］。

圖3 金屬磁記憶檢測原理

1.3.2 發展現狀

1994年，俄羅斯的Doubov 首次介紹了金屬磁記憶概念，經過20 多年來的理論和實踐研究，金屬磁記憶檢測技術已經發展成較為成熟的無損檢測方法［18］。目前，國際焊接學會批準執行的歐洲規劃《ENRESS2 應力和變形檢測》中，已明確規定MMM法為切合實用的設備和結構應力變形狀態的檢測方法［19］。

當前，對金屬磁記憶檢測的研究主要集中在相關機理的探索以及儀器設備的研制兩個領域［20］。在機理研究方面，國內外學者分別從不同的角度進行了解釋，如Doubov 認為磁記憶的產生是源于金屬的磁現象物理本質和位錯過程之間的關系［21］;我國的任吉林等從能量平衡角度解釋了鐵磁體內部磁疇的疇壁發生不可逆的重新取向排列［22］;仲維暢提出了電磁感應學說，認為鐵磁性材料在地磁場作用下發生應變，產生感應電流并激勵出感應磁場使材料磁化［23］;而周俊華等從唯象理論出發，利用近似的分子場解釋了鐵磁性材料在應力集中處的漏磁場的切向分量出現最大值，同時法向分量為零的現象［24］。

在檢測設備發面，目前，各國都在競相研發自己的磁記憶檢測儀。俄羅斯動力診斷公司最先開發了專門的檢測儀器TSCM22FM，TSC21M24 型應力集中磁指示儀EM1X21，EM1C22型裂紋電磁指示儀。在我國，2000年3月埃德森(廈門)電子有限公司在國內研制成功磁記憶檢測儀EMS22000 金屬診斷儀(8通道)，此后還研發了改進型EMS22003 智能磁記憶/渦流檢測儀，SMART22004/ 5 智能型多功能電磁檢測儀，北京鐵路局北京科學技術研究所研制的MTR21 型便攜式鐵路專用鋼軌磁記憶檢測儀，其檢測小車可在鋼軌表面移動。此外，清華大學、北京理工大學也研發了相應的磁記憶檢測設備。

2 幾種方法比較

以上3 種電磁檢測方法，憑借自身的特點在不同的領域發揮著巨大的作用。

本文對其進行列表比較，如表1 所示。渦流檢測是當前在線檢測應用最為普遍成熟的檢測手段，但是渦流檢測自身存在一定缺陷，干擾因素多，提離效應大，且難以對缺陷進行當量分析。交流磁場檢測與渦流檢測相比最大的優勢在于不需要標定，具有涂層穿透性以及可探測較深層次裂紋的長度和深度，在定量描述上前進了一步，但是仍舊不能對材料疲勞程度進行評估。金屬磁記憶檢測的優勢恰在于此，他不僅能判斷缺陷的位置，還能根據應力集中點對可能出現損害的位置進行預警，此外由于他不需要激勵裝置，因此設備簡便，對表面要求不高，可以在各種環境下工作。

表1 3 種檢測方法比較

3 發展展望

1)缺陷的定量化檢測與評估

電磁檢測缺陷可分為識別、定位、定量化和預警4 步。所謂缺陷識別就是判斷待測試件中是否有缺陷定位就是確定缺陷在試件中的位置;定量化就是在允許的誤差范圍內確定缺陷的形狀和參數;所謂“預警”，指材料的損傷未完全形成之前即可根據某些性能改變對其使用壽命進行評估。目前，缺陷識別和定位已經研究得比較深入，但缺陷輪廓的重構仍然是一個挑戰，涉及到反演、成像一系列問題，還需要繼續研究。而疲勞預警更是當前研究的一道難題，目前涉及這一領域的主要是磁記憶檢測。

2)新型探頭設計(提高靈敏度)

探頭性能對電磁檢測至關重要，縱觀已有的研究成果發現，探頭的優化設計主要分為優化傳統線圈式探頭的機械結構和應用新型磁場傳感器兩個方面。

3)與多種仿真技術和大型計算軟件相結合

隨著計算機和大型仿真軟件(如ANSYS)的發展，可采用數值計算、環境模擬來設計探頭，產生模擬實驗信號，并進行檢測分析，可以說方便、迅速，節省時間和成本，在輔助探頭設計，作為產生缺陷相應信號的實驗臺，分析檢測機理方面發揮著重要作用。這也是今后新檢測技術研究的一項重要手段，可為進一步的實驗研究積累數據和一定的理論基礎。

4)綜合檢測方法

每一種無損檢測方法都有自己的優點和缺點，而單一的無損檢測方法只能檢測出部分缺陷，不能完成全面的無損檢測。因此發展多功能多參數的綜合檢測方法成為一種潮流。

5)自動化、可視化成像技術發展

研究和發展成像技術。在管材探傷中，用多頻技術提取管子內外表面及內部缺陷渦流信號，并利用計算機對不同渦流信號的圖像進行分析與識別，然后在顯示屏上顯示的管子截面圖中準確地表示出來。國內目前也有各種掃描成像裝置，但需進一步研究，爭取在缺陷定性定量分析上取得更大進展。

6)標準化建設

主要針對ACFM、金屬磁記憶檢測，當前國內的研究主要以理論為主，與國外差距較大，從長期的發展目標來看，建立統一的技術標準將是走向應用的必經之路。

7)基礎理論完善

當前，金屬磁記憶的理論基礎呈現百家爭鳴的態勢，金屬磁記憶這一現象，物理基礎很明確，但至今還未建立令人滿意的鐵磁構件內部殘余應力與表面漏磁場之間的對應關系，需加強基礎理論研究。

［1］耿榮生.新千年的無損檢測技術—從羅馬會議看無損檢測技術的發展方向［J］.無損檢測，2001，21(1):2-5.

［2］劉貴民，馬麗麗. 無損檢測技術［M］. 北京:國防工業出版社，2010:3-4.

［3］白世武，丁紅勝.直流超導量子干涉器無損檢測的原理與應用［J］.無損檢測，2006，28(5):242-244，255.

［4］羅飛路，趙東明.利用交變磁場測量法的金屬表面缺陷檢測［J］.測控技術，2004，23(2):44-45.

［5］劉春燕，羅飛路.基于ANSYS 的遠場渦流建模與仿真［J］.先進制造技術，2005，24(5):37-38.

［6］馮蒙麗，蔡玉平，趙建君，等.ANSYS 在電磁無損檢測中的應用［J］.四川兵工學報，2009，30(6):24-26.

［7］張英，宋凱，任吉林，等.ANSYS 軟件在金屬磁記憶檢測中的應用［J］.無損檢測，2004，26(5):217-220.

［8］任吉林，林俊明. 電磁無損檢測［M］. 北京:科學出版社，

2009:7-16.

［9］張慶軍，倪世彬.渦流檢測技術在鋼鐵工業中的新應用［J］.冶金信息導刊，2005(2):40-42.

［10］Robert D. Shaffer. Eddy current testing［J］. today and tomorrow.Materials Evaluation，Jan 1994，28-32.

［11］嚴舒.遠場渦流無損檢測技術的發展與應用［J］.石油科技論壇，2008(3):55-56.

［12］何赟澤. 脈沖渦流檢測技術研究［D］. 長沙:國防科技大學，2008.

［13］王燕.電渦流檢測的有限元仿真分析［J］.南昌:華東交通大學，2008.

［14］馮蒙麗，王麗，丁紅勝.電磁反演方法結合交變磁場測量對金屬表面缺陷進行檢測分析［J］. 測試技術學報，2007，21(4):324-328.

［15］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):77-79.

［16］趙海濤.基于交變磁場測量技術的金屬表面缺陷檢測系統的研究與實現［D］.長沙:國防科技大學，2004.

［17］齊杰，張偉，儲擁軍，等.金屬磁記憶檢測技術的介紹［J］.化工設備與管道，2008，45(5):60-61.

［18］王麗，馮蒙麗.金屬磁記憶檢測的原理和應用［J］.物理測試，2007，25(2):25-26.

［19］Doubov A A. Evaluation of Service Life of Power Equipment with the Use of Metal Magnetic Memory，Met hod［J］.Energetik，2005(11):18-20.

［20］汪濱波，廖昌榮，駱靜，等.金屬磁記憶檢測技術的研究現狀及發展［J］.無損檢測，2010，32(6):467-474.

［21］Doubov A A.A study of metal properities using the methond of magnetic memory［J］.Metal Science and Heat Treatment，1997，39 (9/10):401-402.

［22］任吉林，烏冠華，宋凱，等.金屬磁記憶檢測機理的探討［J］.無損檢測，2001，24(1):2-4.

［23］仲維暢.鐵磁性物體在地磁場中的自發運動磁化［J］.無損檢測，2004，27(1):36-39.

［24］周俊華，周俊華，雷銀熙.鐵磁性材料磁記憶現象的理論分析［C］//第八屆全國無損檢測大會論文集.蘇州:中國機械工程學會，中國電機工程學會，2003.

［25］馮小勤，魏東旭.脈沖渦流測厚參數的優化［J］.淮陰師范大學學報:自然科學版，2010(6):481-483.