脈沖渦流無損檢測技術及其用于航空航天材料缺陷檢測的研究進展

王三勝，易 忠，侯化安，石 東

（1.北京航空航天大學 微納測控與低維物理教育部重點實驗室，北京 100191； 2.北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094； 3.北京航空航天大學 航天器磁學與超導技術聯合實驗室，北京 100191； 4.中國東方紅衛星股份有限公司，北京 100081）

0 引言

統計數據顯示，很多航空航天事故的發生都是由于材料表面或者深層的微小缺陷導致飛行器的結構完整性遭到破壞，而這些缺陷發生的部位常出現在飛行器的表面、承力機構或者易損零部件，主要有腐蝕和裂紋兩種損傷模式[1]。如何及時發現缺陷并對缺陷進行定量評估對于確保飛行安全、降低事故發生概率、減少各項損失等具有非常重要的意義。

無損檢測（non-destructive testing，NDT）技術是利用被測材料的聲、磁或電學等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在裂紋或腐蝕等缺陷，并給出缺陷的大小、位置等信息，最終判定被檢對象所處技術狀態（如合格與否、剩余壽命等）的所有技術手段的總稱[2-3]。NDT 技術分為常規檢測技術和非常規檢測技術，其中常規檢測技術有超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測；非常規檢測技術有聲發射檢測、紅外檢測及激光全息檢測等。與其他缺陷檢測技術相比，NDT 技術具有其自身特定的優勢和應用方向。一些傳統的NDT 技術盡管相當成熟，但是對于微小裂紋、深度超過10 mm 的深層缺陷以及多層結構中微小缺陷的檢測存在一定的局限性，而對這些缺陷的檢測是航空航天領域無損檢測的重要工作。

脈沖渦流（pulsed eddy current，PEC）檢測技術是在傳統渦流檢測技術的基礎上發展而來的一種新型檢測方法[4-5]。盡管該技術在航空航天材料無損檢測領域的應用還處于起步階段，但考慮其具有一定的技術優勢和很好的應用前景，亟待加強應用的深入研究。

1 脈沖渦流無損檢測技術及其優勢

PEC 無損檢測技術以脈沖信號作為磁場激勵信號，當激勵線圈把具有一定占空比的脈沖電流信號施加在被測對象上時，根據法拉第電磁感應定律，在被測對象中會產生變化的渦流電流。而渦流電流又會產生二次感應磁場，從而在檢測線圈上感應出電壓。裂紋等缺陷的存在必將導致被測對象阻抗的變化，從而改變渦流感應磁場強度和分布情況，最終改變檢測線圈上感應電壓信號。進一步對檢測所得的信號進行分析與處理，便可反演出被測對象的結構與缺陷信息，從而完成無損檢測。脈沖渦流無損檢測原理如圖1所示。

圖1 脈沖渦流檢測原理 Fig.1 The principle of PEC detection

與傳統渦流檢測面向單層結構和表面的缺陷檢測不同，PEC 檢測技術能更加充分地發揮渦流檢測技術的優勢，特別是在多層結構和深層微觀缺陷的檢測領域，其主要原因是：

1）脈沖電流信號作為激勵信號，不僅可以產生瞬時高能的感應磁場和較大的渦流電流，進而可以檢測到更深的缺陷，而且相較于單頻激勵信號而言，脈沖電流信號的頻譜范圍廣，二次感應磁場更容易被識別和檢測，最終的感應電壓信號中包含缺陷的信息更加豐富、多樣，因而可提高檢測深度和缺陷的空間分辨率[6-8]。

2）該技術利用導體材料內部應力與電導率的對應關系，可以通過磁性探頭獲取在不同電導率條件下的脈沖渦流差值信號，進而可得到該差值信號的峰值特征與內部應力的分布，并完成對導體材料的缺陷檢測。

3）可無接觸檢測，材料表面無須清理，檢測速度快、效率高，配合傳感器運動平臺的機械控制可以實現大面積的掃描檢測，可促進無損檢測自動掃描和成像技術的發展；對檢測信號還可以補償邊緣效應和探頭提離效應對測試結果的影響[9-13]。

2 脈沖渦流無損檢測技術發展狀況及其在 航空航天材料缺陷檢測中的應用研究進展

渦流現象的發現已有近200年的歷史，在奧斯特、安培等科學巨匠的前期電磁學基礎上，渦流檢測技術逐漸形成。20世紀50年代，德國科學家福斯特提出了利用阻抗分析法來鑒別渦流檢測信號，為渦流檢測的分析提供了新的理論依據，極大地推動了渦流檢測技術的發展。正是因此，人們將福斯特稱為“現代渦流檢測之父”。密蘇里大學的Waidelich最早對脈沖渦流進行了初步的研究。1968年，Dodd等人針對特殊條件下的兩層導電媒介，首次建立了渦流探頭問題的數學模型，并進行了解析計算；隨后，為了滿足缺陷檢測的需要，他們研究了帶有缺陷的渦流數學模型[14]。

在應用方面，1993年，法國Cegely 實驗室的研究人員為了提高檢測靈敏度，設計了一套以磁阻傳感器作為檢測元件的差分式傳感器結構，并對飛行器鉚接結構周圍的缺陷進行了檢測[15]。1997年，他們又以霍爾傳感器作為檢測元件，并選擇檢測信號的峰值、峰值時間和特征頻率3 個參數作為特征信號對缺陷的尺寸進行了定量評估[16]。1996年，Tai C C 等人采用絕對式線圈傳感器，以阻抗分析法為指導，研究了脈沖渦流檢測線圈中電流的變化，并進一步對多層結構的電導率和厚度進行了實驗檢測[17]。

美國Iowa 州立大學無損評估中心針對飛機多層結構缺陷的脈沖渦流無損檢測技術及其定量分析作了大量的研究[18]，并申請了相關的技術專利。他們采用線圈作為激勵部件和檢測元件，選取檢測信號的峰值和過零時間作為特征量。研究結果顯示檢測信號的峰值信息與缺陷的腐蝕嚴重程度相關。隨后該研究機構進行了一系列深入的研究和實驗驗證，并于2001年成功研制了用于檢測飛機多層結構中腐蝕缺陷的脈沖渦流檢測儀。

2001年，加拿大國防部飛行器研究中心的研究人員借助脈沖渦流無損檢測技術對飛機機身的腐蝕情況進行了研究。在腐蝕一定的情況下，他們發現脈沖渦流的響應信號隨提離距離的變化而出現同一個交點，他們將該交點命名為提離交叉點（lift-off point，LOP）。后來，他們提出使用該方法抑制提離效應對檢測結果的影響，并進一步實現了對腐蝕缺陷的成像檢測。應用如圖2所示的檢測系統，通過大量實驗[19]得到的無損檢測結果見圖3。

圖2 飛行器腐蝕缺陷渦流檢測系統結構示意圖 Fig.2 The structure of eddy-current testing system for aircraft corrosion defect detection

圖3 飛行器腐蝕缺陷渦流檢測成像結果圖 Fig.3 The imaging result of eddy-current testing system for aircraft corrosion defects

澳大利亞航空與航海研究實驗室和英國防衛 評估與研究中心合作，就脈沖渦流無損檢測技術在飛機機身缺陷檢測中的應用展開了研究。他們于2001年研制出了成套的儀器——Trecscan，該儀器采用專門的機械掃描裝置，能夠對大面積飛機多層結構中出現的微裂紋和腐蝕缺陷進行定量檢測，并給出直觀的檢測結果。

2002年開始，德國Julich 研究中心的科學家在對脈沖渦流檢測技術進行研究的基礎上，創造性地將超導磁傳感器用于缺陷檢測，實現了對多層結構微裂紋缺陷的無損檢測[20-21]。

在我國，有關渦流檢測技術的研究時間較長，也取得了一定的成果，但關于脈沖渦流檢測技術的研究和應用目前還主要集中在北京航空航天大學、國防科技大學、西安理工大學、武漢理工大學和西南科技大學等少數高校，他們都對脈沖渦流檢測技術的實際應用進行了一定的研究，并取得了初步成果，但對于其工程應用還沒有突破。另外，國內有關脈沖渦流檢測的文獻僅局限于方法介紹和實驗分析，沒有整套的理論體系介紹，對多層金屬結構中層間或次表面缺陷的定量檢測和評估理論及其應用研究甚少。

武漢理工大學的研究主要集中在脈沖渦流檢測中的信號處理技術方面，游鳳荷等在對脈沖渦流的磁場特征進行分析的基礎上，給出了實用的材質渦流檢測信號處理方法[4]。通過研究，他們發現在激勵信號不變的情況下，脈沖渦流檢測對象中的感應渦流頻率特性與深度無關。另外，通過更換檢測對象和激勵脈沖信號特征，他們發現瞬時渦流的衰減周期和渦流的頻率組成，與檢測對象的材料屬性以及激勵脈沖的重復頻率密切相關[6]。

國防科技大學以飛機鉚接結構為研究對象，對脈沖渦流檢測技術的應用做了一系列的研究和實驗驗證。其中，楊賓峰等人以復合式雙線圈傳感器為激勵-檢測元件，通過大量的理論分析和實驗驗證得出：檢測線圈感應電壓信號的峰值和過零時間與檢測對象的裂紋和腐蝕缺陷之間存在著一定的對應關系[22]。通過不同的實驗設置和安排，他們得出：從檢測信號的峰值曲線可以確定缺陷的長度，而峰值最大值和過零時間可以確定缺陷的體積和深度。這些實驗結論，后期也被西南科技大學在 金屬表面裂紋檢測的相關研究中證實。

西安理工大學在脈沖渦流檢測技術的理論研究和模擬仿真方面做了大量的研究，他們通過理論分析計算，最終得出了感應電流和金屬厚度之間的定量關系[23-24]。

由上述分析可見，目前我國對于脈沖渦流檢測技術的研究還處于起步階段，研究方向較為單一且分散。在應用中，由于渦流檢測受到諸如集膚效應、電導率、磁導率等多種物理因素變化的影響，所以需要針對不同的對象建立合理的模型和數學分析，這是必須要解決的問題和難點。

3 基于SQUID 的脈沖渦流無損檢測技術 及本實驗室相關研究成果

超導量子干涉儀（superconducting quantum interference device，SQUID）是一種磁場傳感器，在20世紀80年代中后期開始應用于無損檢測領 域[25-30]，可以在低頻時檢測深層腐蝕和缺陷。

與常規渦流檢測方法中所用的感應線圈相比，SQUID 在探測恒定磁場以及低頻交變磁場中具有其他磁傳感器無法比擬的優勢，主要體現在：

1）SQUID 在低溫時具有極高的分辨率及靈敏度，且幾乎不受頻率變化的影響；利用SQUID 不僅可以檢測到更細小的缺陷，還可以檢測到距離材料表面更深處的缺陷，從而有效地解決了傳統脈沖渦流檢測技術中渦流強度與渦流穿透深度的矛盾，將檢測深度提高1 個數量級[31]。

2）對于噪聲信號的干擾問題，SQUID 可以采集最豐富的磁場信息，經過適當的處理方法有效分辨出雜散場和剩余磁場的信息。

3）基于SQUID 的脈沖渦流無損檢測系統響應速度快，后期利用成熟的處理算法，可以有效消除“提離效應”對測試結果的影響。

表1直觀地描述了基于SQUID 的脈沖渦流無損檢測系統在深層、微小缺陷檢測方面的優越性。

北京航空航天大學磁學與超導技術聯合實驗室對基于SQUID 的脈沖渦流無損檢測系統進行了全面的基礎研究和應用開發。圖4是以SQUID 作探測器的脈沖渦流無損檢測系統原理圖[20]。它主要由SQUID 控制單元、杜瓦、激勵線圈和信號發送 與接收單元組成。其中杜瓦的結構是關鍵：一是要求杜瓦的隔熱、磁屏蔽效果要好，保證SQUID 能正常工作；二是要求SQUID 的探測線圈距杜瓦外底面越近越好，以提高探測的靈敏度。

表1 SQUID 脈沖渦流檢測與常規渦流檢測的比較 Table1 Comparison between SQUID PEC testing and normal eddy-current testing

圖4 以SQUID 為探測器的脈沖渦流無損檢測系統 Fig.4 The PEC-NDT system with SQUID as the detector

本實驗室目前已具備基于SQUID 的磁場測量方法、測量精度為20 μm 的機械移動載臺（見圖5），并初步開展了材料無損檢測方面的研究?；谠撛O備，現已經開發了磁法無損檢測的相關檢測系統并獲得了初步的軟硬件研究成果。圖6是在機械移動載臺上對銅板表面進行的無損檢測結果，清晰地顯現了缺陷所在的具體位置。另外，目前正在聯合開展以高精度線圈磁傳感器為檢測探頭的脈沖渦流檢測技術研究，而基于SQUID 的脈沖渦流檢測系統也在籌備搭建中。

圖5 微位移機械移動載臺及其驅動電路 Fig.5 The micro-displacement platform and its driver circuit

圖6 樣品測試結果 Fig.6 The testing result of the sample

4 結束語

本文在回顧脈沖渦流無損檢測基本原理的基礎上，綜述了該技術國內外相關的研究進展及其在航空航天材料缺陷檢測中的應用，得知其在深層、微小缺陷檢測領域具有一定的優越性，是無損檢測領域的新貴?；赟QUID 的脈沖渦流無損檢測系統不僅可以檢測航天器等的表面/深層材料腐蝕缺陷，而且可對其他多層復合結構金屬部件的表面/深層腐蝕缺陷進行有效檢測[22,32]。另外，結合本實驗室的研究項目，還介紹了基于超導量子干涉儀的脈沖渦流無損檢測在微小缺陷檢測方面的優勢，展示了課題組在無損檢測方面的初步實驗結果。

為促進我國航空航天事業發展，有必要對脈沖渦流無損檢測技術在航空航天飛行器材料缺陷檢測中的應用開展廣泛而深入的全面研究，盡早建立完整的理論指導和分析方法，以及相關的檢測標準，實現該技術的工程化應用。

（References）

[1] 胡芳友,王茂才,溫景林.沿海飛機鋁合金結構件腐蝕與防護[J].腐蝕科學與防護技術,2003,15(2): 97-100 Hu Fangyou,Wang Maocai,Wen Jinglin.Corrosion analysis of aluminum alloys for aircraft structural components and its protection[J].Corrosion Science and Protection Technology,2003,15(2): 97-100

[2] 李家偉,陳積懋.無損檢測手冊[M].北京: 機械工業出版社,2002

[3] 任吉林,林俊明,高春法.電磁檢測[M].北京: 機械工業出版社,2000

[4] 游鳳荷,魏莉.材質渦流檢測信號處理方法[J].測控技術,2002,21(10): 11-13 You Fenghe,Wei Li.Signal processing method of material property eddy current testing[J].Measurement ＆Control Technology,2002,21(10): 11-13

[5] 葉子郁,朱目成.應用脈沖渦流檢測金屬表面裂紋的研究[J].計量技術,2005(10): 16-18

[6] 楊賓峰,羅飛路.脈沖渦流無損檢測技術應用研究[J].儀表技術與傳感器,2004(8): 45-46 Yang Binfeng,Luo Feilu.Study of pulsed eddy current nondestructive testing technology[J].Instrument Technique and Sensor,2004(8): 45-46

[7] Dai X W,Lud Wig R,Palanisamy R.Numerical simulation of pulsed eddy current nondestructive testing phenomena[J].IEEE Transactions on Magnetics,1990,26(6): 3089-3096

[8] Sophian A,Tian G Y,Taylor D,et al.Design of a pulsed eddy current sensor for detection of defects in aircraft lap-joints[J].Sensors and Actuators: A,2002,101(1): 92-98

[9] Smith R A,Hugo G R.Transient eddy current NDT for ageing aircraft capabilities and limitations[J].Insight: Nondestruct Test Condition Monitor,2001,43(1): 14-25

[10] Lepine B A,Wallace B P,Forsyth D S,et al.Pulsed eddy current method developments for hidden corrosion detection in aircraft structures[C]//Proceeding of American Conference for NDT.Toronto,1998,3

[11] Lebrun B,Jayet Y,Baboux J C.Pulsed eddy current signal analysis: application to the experimental detection and characterization of deep flaws in highly conductive materials[J].NDT＆E International,1997,30(3): 163-170

[12] Tian G Y,Sophian A,Taylor D,et al.Multiple sensors on pulsed eddy current detection for 3-D subsurface crack assessment[J].IEEE Sensors,2005,5(1): 90-96

[13] Tober G,Shiller D.EADS Airbus GmbH[C]//Proceedings of 15thWCNDT.Rome,2000-10: 15-21

[14] Dodd C V,Deeds W E.Analytical solutions to eddy- current probe-coil problems[J].Journal of Applied Physics,1968,39(6): 2829-2837

[15] Lebrun B,Jayet Y,Baboux J C.Pulsed eddy current application to the detection of deep cracks[J].Material Evaluation,1995(10): 1296-1300

[16] Lebrun B,Jayet Y,Baboux J C.Pulsed eddy current signal analysis：application to the experimental detection and characterization of deep flaws in highly conductive materials[J].NDT＆E International,1997,30(3): 163-170

[17] Tai C C,Rose J H,Moulder J C.Thickness and conductivity of metallic 1ayers from pulsed eddy current measurements[J].Rev Sci Instrum,1996,67(11): 3965-3972

[18] Bieber J A,Shaligram S K,Rose J H,et a1.Time-gating of pulsed eddy current signals for defect characterization and discrimination in aircraft lap-joints[J].Review of Progress in QNDE,1997(16B): 1915-1921

[19] Lepine B A,Wallace B P,Forsyth D S,et a1.Pulsed eddy current method developments for hidden corrosion detection in aircraft structures[C]∥PACNDT.Shanghai,1998

[20] Panaitov G,Krause H J,Zhang Y.Pulsed eddy current transient technique with HTS SQUID magnetometer for nondestructive evaluation[J].Physica C: Superconductivity,2002,372-376(2): 278-281

[21] Krause H J,Panaitov G I,Zhang Yi.Conductivity tomography for non-destructive evaluation using pulsed eddy current with HTS SQUID magnetometer[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2003,13(2): 215-218

[22] 楊賓峰,羅飛路,曹雄恒,等.飛機結構腐蝕檢測中的脈沖渦流無損檢測技術[J].測試技術學報,2005,19(1): 27-29 Yang Binfeng,Luo Feilu,Cao Xiongheng,et al.The detection of corrosion in aeroplane suing pulsed eddy current nondestructive testing technology[J].Journal of Test and Measurement Technology,2005,19(1): 27-29

[23] 趙亮.非接觸距離厚度的脈沖渦流檢測方法研究[D].西安: 西安理工大學,2006: 21-27

[24] 鄭崗,趙亮.金屬厚度的脈沖渦流無損檢測研究[J].傳感器與微系統,2006,25(4): 35-40 Zheng Gang,Zhao Liang.Research on thickness of metallic layers from pulsed eddy-current nondestructive measurements[J].Transducer and Microsystem Technologies,2006,25(4): 35-40

[25] Muck M,Korn M,Welzel C,et al.Nondestructive evaluation of various materials using a SQUID-based eddy-current system[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15(2): 733-738

[26] Carr C,Espy M A,Abeln T G,et al.Characterization of stainless steel inertia welds using HTS SQUID NDE[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15(2): 719-722

[27] Krause H J,Panaitov G I,Zhang Y.Appearance of sign reversal in geophysical transient electromagnetics with a SQUID due to stacking[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2007,15(2): 745-748

[28] Krause H J,Panaitvo G I,Wolters N.Detection of magnetic contaminations in industrial products using HTS SQUIDs[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15(2): 729-732

[29] 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): 242-246 Bai Shiwu,Ding Hongsheng.The principle and application of nondestructive testing based on DC superconducting quantum interference device[J].Nondestructive Testing,2006,28(5): 242-246

[30] 何東風,立木實,系崎秀夫.手持移動型高溫超導SQUID 在無損檢測中的應用[J].低溫與超導,2008,36(12): 44-47 He Dongfeng,Tachiki M,Itozaki H.Hand-held NDE system using high-Tc SQUID[J].Cryogenics and Superconductivity,2008,36(12): 44-47

[31] Valentino M,Ruosi A,Peuso G,et al.Structural health monitoring of materials by high critical temperature SQUID[J].Physical C: Superconductivity,2002,372: 201-208

[32] Moulder J C,Bieber J A,Ward W W,et al.Scanned pulsed-eddy-current instrument for non-destructive inspection of aging aircraft[J].SPIE,1996,2945: 2-13