脉冲涡流
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2023年3月20日发(作者：管理能力自我评价)Ｍ。 麓黯 …… 。ｎ
基于脉冲涡流的管道检测方法
陈薇
（长江科学院，湖北武汉４３００１４）
摘要：文章介绍了脉冲涡流检测技术的发展历史，分析了其特点与优势，并阐述了脉冲远场涡流检测的基本原理。对
于脉冲涡流管道检测系统的设计，大体包括了铁磁性试验管道、探头传感器的仿真模拟、线圈设计、电路设计几个部分。
描述了如何进行数据的采集与处理，并对系统的功能与效果进行了探讨。
关键词：脉冲涡流；远场涡流；管道检测；系统设计
中图分类号：ＴＧ１１５．２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—５０６５（２０１７）０１—００５２—２
Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ
ＣＨＥＮ Ｗｅ
（Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００１４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｉｔｓ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｎｄ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｆａｒ－ｆｉｅｌｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ．ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｅｓｔ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｐｒｏｂｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｃｏｉｌ ｄｅｓｉｇｎ，
ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｐａｒｔｓ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄａｔａ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｆａｒ ｆｉｅｌｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ
１脉冲涡流检测技术概述
１＿１脉冲涡流检测技术的发展
从发现和使用涡流现象，距今已有几百年的历史。早在
１９世纪初，法国科学家傅科在一次实验中发现了涡流现象，
科学家休斯将其与实验结果联系到一起，并逐步形成了相对
完善的涡流检测原理。随着计算机信息技术的快速发展，极
大的促进了涡流领域中各项理论研究与试验的进步，涡流检
测也成为了一种常用的无损检测技术。脉冲涡流检测技术
的英文缩写是ＰＥＣ，属于新型的无损检测技术，拥有多项优
势，应用前景较为广阔。
１．２特点与优势
采用脉冲涡流检测技术，与检测表面无需直接接触、且
无需清理，也不用添加任何介质，也无需放射源。瞬态感应信
号信息量极为丰富，一次扫描可以测量多个深度，检测速率
与效率较高，检测结果稳定性强，适用于多层的、结构复杂
的、大面积的金属检测。相比于传统涡流检测。脉冲涡流采用
方波信号作为激励信号，通过分析瞬态感应磁场时域响应中
磁场最大值出现时间点，以此来判定缺陷的相关信息。脉冲
涡流可以在某段区域内，提供连续多频的激励信号，可以提
供出更多的信息，并且能够检测到深度较大的深层缺陷 】。
２脉冲远场涡流检测的基本原理
脉冲远场涡流的激励信号采用脉冲信号，以远场涡流检
测原理为依据，适用于铁磁性管道的缺陷检测。图１为脉冲
远场涡流检测原理示意图，激励线圈与检测线圈构成了检测
探头传感器，且两线圈与管道同轴。检测铁磁性管道的内部
时，存在着两种传播路径不同的能量传递方式，即直接传递
路径和间接传递路径。以激励线圈中心点为基准点，能量传
收稿日期：２０１６－１ ２
作者简介：陈薇，女，生于１９９０年，湖北武汉人，硕士，助工，研究方向
无损探伤。
递强度的衰减程度，与激励线圈间的距离成反比，可分为近
场区、过渡区和远场区。不同区域的能量强度、能量组成成
分都是不同的，所检测到的波形与反应的信息也有所不同 。 ｛毳
图１脉冲远场涡流检测原理示意图
在近场区内，激励线圈直接传递的能量，是磁场能量的
主要来源，随着与激励线圈的距离的增大而衰减。在磁场变
化的瞬间，检测信号的输出感应电压值才会发生变化，而其
余时间的磁场强度均为零。在过渡区内，磁场能量既包括了
通过直接传递路径的磁场能量，也包括了沿着间接传递路径
的磁场能量。在上升沿和下降沿的瞬间，以及激励截止一段
时间后，都会有电压感应信号的变化。在远场区内，沿着间
接传递路径的磁场能量，成为了磁场能量的主要来源。由于
存在着两次穿过的管壁的检测信号，其相位会两次滞后于激
励信号。远场区的峰值电压与过零时间，在缺陷处有着较高
的灵敏性，十分适用于缺陷检测工作。
３脉冲涡流管道检测系统设计
３＿１铁磁性试验管道
磁性材料的组成成分包括了铁磁性物质与亚铁磁性物
质，当外加磁场存在时，会使磁性材料产生相应的磁化强度
和磁感应强度。随着外加磁场的强度变化，产生具有曲线特
征的磁化曲线。磁化曲线有着非线性的特点，以磁饱和现象
与磁滞现象为主要特征。对于铁磁性物质来说，即便是很微
５２世界有色金属２０１７年１月上
小的磁场作用下，也容易进入到磁饱和的状态。磁化强度与
磁场强度，可以用复杂的非线性函数关系来描述。当超过居
里温度时，由于受到晶体热运动的影响，破坏了相邻原子磁
矩的定向排列。容易导致铁磁性消失。在实验中，采用铁磁
性的小口径管道，用于输油管道的模拟。试验所用的管道试
件，严格按照《承压设备无损检测》中的相关标准规定，作
为全面检测和评价被测试件的重要依据 】。
３．２探头传感器的仿真模拟
管道试件内部的检测，是通过探头传感器完成的。脉冲
涡流检测系统所使用的探头传感器，主要包括了两个部分，
即激励线圈和检测线圈，彼此之间保持着一定的距离，并且
用连接杆固定以增加其牢固性。图２为探头传感器结构示意
图，由于管道内部的干扰较多，容易影响到检测的结果，需
要在线圈之间采取屏蔽措施，以去除管道内部的磁场。
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图２探头传感器结构示意图
查阅中外相关文献资料中，关于探头部分的记录，合理
确定激励线圈与检测线圈的尺寸参数。采用专业的ＡＮＳＹＳ
仿真软件，能够实现相关数据的交换共享，可以用于模拟仿
真探头传感器的材料特性，以及各个部位的相关参数。根据
仿真的结果，来进行探头的制作，并通过实际试验中验证其
可行性。仿真中主要设置的参数，包括了管道、激励线圈、
激励信号、以及磁导率。完成建模与参数设置后，还需要进
行合理的网格划分。根据网格的密集与稀疏程度，从而得到
磁场分布的状况。
３＿３线圈设计
在脉冲涡流管道检测系统中，线圈的设计包括了激励线
圈与检测线圈两部分。激励线圈的设计制作至关重要，不仅
对信号在管道内的传递有着直接的影响，更关系到检测信号
能否被接收，需要综合考虑形状、骨架尺寸、匝数等多方面
因素。线圈形状的选择，需要根据不同的检测环节来确定，
以圆柱形较为常用。线圈尺寸的设计，则需要综合仿真的结
果，以及线圈的内外径。而线圈匝数的确定，应当充分考虑
到对线圈阻抗、容抗、感抗等参数的影响。匝数过多时，电
流变化慢、脉冲低、阻抗高，降低了探头的灵敏度，不利于
检测工作的进行。匝数过少时，电感量小、磁场强度弱、穿
透能力低，无法到达检测的位置。
检测传感器可分为线圈和磁传感器两种，以检测线圈较
为常用。是以磁场的变化率为测试量，通过瞬时感应电压的
变化情况来反映磁场值的变化。探头传感器在管道内部时，
容易受到来自管道内部的干扰因素影响，导致检测的结果不
准确。需要加入屏蔽环的手段，从而降低千扰，以提高检测
信号的纯度。例如，与激励线圈和检测线圈同轴的屏蔽环的
方法，所加入的屏蔽环，不仅能够缩短检测线圈的宽度，还
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快速消耗了传递能量，对直接能量有着较好的屏蔽效果。而
对间接传递能量影响却很小，从而保证了处于远场区位置的
检测线圈，能够接收到高纯度的检测信号 】。
３．４电路设计
电路设计包括了三个部分，即信号发生电路、功率放大
电路、以及信号放大电路。设计信号发生电路时，在信号发
生环节，通常采用ＤＤＳ技术。具有输出频点多、信号分辨率
与纯度高、频率切换速度快等优点，且能够产生任意波形、
实现全数字化与相位可控。而功率放大电路的设计，则需要
考虑放大倍数、发热量、精度等参数。常选用ＯＰＡ５４８芯片，
不仅功耗低、电流大、集成度高，还能够驱动各种负载。信
号放大电路设计中，由于所接收到检测信号十分微弱，且常
常混有比较多的干扰，必须要增加信号的强度。功放芯片一
般体积较小，但集成度较高，能够消除一些微小干扰，从而
增强了放大的稳定性。
４数据的采集与处理
检测信号被线圈接收后，需要经过放大处理，然后被送
到软件平台上。该环节的数据采集工作由数据采集卡来完
成，并在上位机上显示结果。而信号放大后，经常会出现不
稳定的情况，需要加入滤波环节来去除干扰，以确保信号的
纯度与数据采集结果的准确性。数据采集包括了采样的速
率、频率与通道，以及极值电压等信息，需要设置通道选择、
采样点数、采样频率、极限电压值等参数。而滤波的方式可
分为两种，即硬件滤波和软件滤波。其中，硬件滤波中的电
路搭建较为简单，所使用的器件种类也相对较少，且容易实
现理想的滤波效果，但在精度方面欠佳。软件滤波的精确度
虽然更高，滤波的效果也较好，但其算法设计复杂、工作量
大，成本较为昂贵。考虑到脉冲涡流管道检测系统的功能特
点，以及实际使用环境的需求，应选用软件滤波的方式 。
５分析与讨论
脉冲涡流系统检测，对于管道的缺陷有着较高的灵敏
度，充分的反映在了检测信号波形图上。相比于无伤区域的
数据，缺陷处附近的检测数据，有着明显的变化幅度。在管
道表面有缺陷的区域，采用脉冲涡流系统检测时，峰值电压
增大、过零时间减少。但缺陷深度增加时，相应的管壁厚度
会减小，峰值电压还将进一步增高，过零时间也会越来越少，
三者之间存在着一定的数量关系。被检测区域的管道表面，
其实际厚度的变化，都可以通过检测数据的变化体现出来。
检测系统不仅可以完成管道表面缺陷的检测工作，在系统的
稳定性、检测数据的真实性等方面，都能够达到较为理想的
效果。四
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２０１７年１月上世界有色金属５３