王三勝，易 忠，侯化安，石 東

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

0 引言

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，很多航空航天事故的發(fā)生都是由于材料表面或者深層的微小缺陷導(dǎo)致飛行器的結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，而這些缺陷發(fā)生的部位常出現(xiàn)在飛行器的表面、承力機構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(shù)是利用被測材料的聲、磁或電學(xué)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(shù)狀態(tài)（如合格與否、剩余壽命等）的所有技術(shù)手段的總稱[2-3]。NDT 技術(shù)分為常規(guī)檢測技術(shù)和非常規(guī)檢測技術(shù)，其中常規(guī)檢測技術(shù)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(guī)檢測技術(shù)有聲發(fā)射檢測、紅外檢測及激光全息檢測等。與其他缺陷檢測技術(shù)相比，NDT 技術(shù)具有其自身特定的優(yōu)勢和應(yīng)用方向。一些傳統(tǒng)的NDT 技術(shù)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域無損檢測的重要工作。

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

1 脈沖渦流無損檢測技術(shù)及其優(yōu)勢

PEC 無損檢測技術(shù)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(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在被測對象中會產(chǎn)生變化的渦流電流。而渦流電流又會產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場，從而在檢測線圈上感應(yīng)出電壓。裂紋等缺陷的存在必將導(dǎo)致被測對象阻抗的變化，從而改變渦流感應(yīng)磁場強度和分布情況，最終改變檢測線圈上感應(yīng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)渦流檢測面向單層結(jié)構(gòu)和表面的缺陷檢測不同，PEC 檢測技術(shù)能更加充分地發(fā)揮渦流檢測技術(shù)的優(yōu)勢，特別是在多層結(jié)構(gòu)和深層微觀缺陷的檢測領(lǐng)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(chǎn)生瞬時高能的感應(yīng)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(yīng)磁場更容易被識別和檢測，最終的感應(yīng)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(shù)利用導(dǎo)體材料內(nèi)部應(yīng)力與電導(dǎo)率的對應(yīng)關(guān)系，可以通過磁性探頭獲取在不同電導(dǎo)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(nèi)部應(yīng)力的分布，并完成對導(dǎo)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(xiàn)大面積的掃描檢測，可促進無損檢測自動掃描和成像技術(shù)的發(fā)展；對檢測信號還可以補償邊緣效應(yīng)和探頭提離效應(yīng)對測試結(jié)果的影響[9-13]。

2 脈沖渦流無損檢測技術(shù)發(fā)展狀況及其在 航空航天材料缺陷檢測中的應(yīng)用研究進展

渦流現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)已有近200年的歷史，在奧斯特、安培等科學(xué)巨匠的前期電磁學(xué)基礎(chǔ)上，渦流檢測技術(shù)逐漸形成。20世紀50年代，德國科學(xué)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(jù)，極大地推動了渦流檢測技術(shù)的發(fā)展。正是因此，人們將福斯特稱為“現(xiàn)代渦流檢測之父”。密蘇里大學(xué)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(dǎo)電媒介，首次建立了渦流探頭問題的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型[14]。

在應(yīng)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(shè)計了一套以磁阻傳感器作為檢測元件的差分式傳感器結(jié)構(gòu)，并對飛行器鉚接結(jié)構(gòu)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(shù)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(dǎo)，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(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率和厚度進行了實驗檢測[17]。

美國Iowa 州立大學(xué)無損評估中心針對飛機多層結(jié)構(gòu)缺陷的脈沖渦流無損檢測技術(shù)及其定量分析作了大量的研究[18]，并申請了相關(guān)的技術(shù)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(jié)果顯示檢測信號的峰值信息與缺陷的腐蝕嚴重程度相關(guān)。隨后該研究機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(fā)現(xiàn)脈沖渦流的響應(yīng)信號隨提離距離的變化而出現(xiàn)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(yīng)對檢測結(jié)果的影響，并進一步實現(xiàn)了對腐蝕缺陷的成像檢測。應(yīng)用如圖2所示的檢測系統(tǒng)，通過大量實驗[19]得到的無損檢測結(jié)果見圖3。

圖2 飛行器腐蝕缺陷渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)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(wèi) 評估與研究中心合作，就脈沖渦流無損檢測技術(shù)在飛機機身缺陷檢測中的應(yīng)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?qū)Υ竺娣e飛機多層結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的微裂紋和腐蝕缺陷進行定量檢測，并給出直觀的檢測結(jié)果。

2002年開始，德國Julich 研究中心的科學(xué)家在對脈沖渦流檢測技術(shù)進行研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地將超導(dǎo)磁傳感器用于缺陷檢測，實現(xiàn)了對多層結(jié)構(gòu)微裂紋缺陷的無損檢測[20-21]。

在我國，有關(guān)渦流檢測技術(shù)的研究時間較長，也取得了一定的成果，但關(guān)于脈沖渦流檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用目前還主要集中在北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、西安理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)和西南科技大學(xué)等少數(shù)高校，他們都對脈沖渦流檢測技術(shù)的實際應(yīng)用進行了一定的研究，并取得了初步成果，但對于其工程應(yīng)用還沒有突破。另外，國內(nèi)有關(guān)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(jié)構(gòu)中層間或次表面缺陷的定量檢測和評估理論及其應(yīng)用研究甚少。

武漢理工大學(xué)的研究主要集中在脈沖渦流檢測中的信號處理技術(shù)方面，游鳳荷等在對脈沖渦流的磁場特征進行分析的基礎(chǔ)上，給出了實用的材質(zhì)渦流檢測信號處理方法[4]。通過研究，他們發(fā)現(xiàn)在激勵信號不變的情況下，脈沖渦流檢測對象中的感應(yīng)渦流頻率特性與深度無關(guān)。另外，通過更換檢測對象和激勵脈沖信號特征，他們發(fā)現(xiàn)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(fù)頻率密切相關(guān)[6]。

國防科技大學(xué)以飛機鉚接結(jié)構(gòu)為研究對象，對脈沖渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用做了一系列的研究和實驗驗證。其中，楊賓峰等人以復(fù)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(yīng)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(yīng)關(guān)系[22]。通過不同的實驗設(shè)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(jié)論，后期也被西南科技大學(xué)在 金屬表面裂紋檢測的相關(guān)研究中證實。

西安理工大學(xué)在脈沖渦流檢測技術(shù)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(yīng)電流和金屬厚度之間的定量關(guān)系[23-24]。

由上述分析可見，目前我國對于脈沖渦流檢測技術(shù)的研究還處于起步階段，研究方向較為單一且分散。在應(yīng)用中，由于渦流檢測受到諸如集膚效應(yīng)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)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(shù)學(xué)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(shù) 及本實驗室相關(guān)研究成果

超導(dǎo)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(yīng)用于無損檢測領(lǐng) 域[25-30]，可以在低頻時檢測深層腐蝕和缺陷。

與常規(guī)渦流檢測方法中所用的感應(yīng)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(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

1）SQUID 在低溫時具有極高的分辨率及靈敏度，且?guī)缀醪皇茴l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(tǒng)脈沖渦流檢測技術(shù)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(shù)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(jīng)過適當?shù)奶幚矸椒ㄓ行Х直娉鲭s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(tǒng)響應(yīng)速度快，后期利用成熟的處理算法，可以有效消除“提離效應(yīng)”對測試結(jié)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(tǒng)在深層、微小缺陷檢測方面的優(yōu)越性。

北京航空航天大學(xué)磁學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合實驗室對基于SQUID 的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)進行了全面的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。圖4是以SQUID 作探測器的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)原理圖[20]。它主要由SQUID 控制單元、杜瓦、激勵線圈和信號發(fā)送 與接收單元組成。其中杜瓦的結(jié)構(gòu)是關(guān)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(guī)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(tǒng) 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(shè)備，現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)了磁法無損檢測的相關(guān)檢測系統(tǒng)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(jié)果，清晰地顯現(xiàn)了缺陷所在的具體位置。另外，目前正在聯(lián)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(shù)研究，而基于SQUID 的脈沖渦流檢測系統(tǒng)也在籌備搭建中。

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

圖6 樣品測試結(jié)果 Fig.6 The testing result of the sample

4 結(jié)束語

本文在回顧脈沖渦流無損檢測基本原理的基礎(chǔ)上，綜述了該技術(shù)國內(nèi)外相關(guān)的研究進展及其在航空航天材料缺陷檢測中的應(yīng)用，得知其在深層、微小缺陷檢測領(lǐng)域具有一定的優(yōu)越性，是無損檢測領(lǐng)域的新貴?；赟QUID 的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)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(fù)合結(jié)構(gòu)金屬部件的表面/深層腐蝕缺陷進行有效檢測[22,32]。另外，結(jié)合本實驗室的研究項目，還介紹了基于超導(dǎo)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(yōu)勢，展示了課題組在無損檢測方面的初步實驗結(jié)果。

為促進我國航空航天事業(yè)發(fā)展，有必要對脈沖渦流無損檢測技術(shù)在航空航天飛行器材料缺陷檢測中的應(yīng)用開展廣泛而深入的全面研究，盡早建立完整的理論指導(dǎo)和分析方法，以及相關(guān)的檢測標準，實現(xiàn)該技術(shù)的工程化應(yīng)用。

（References）

[1] 胡芳友,王茂才,溫景林.沿海飛機鋁合金結(jié)構(gòu)件腐蝕與防護[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),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(yè)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(yè)出版社,2000

[4] 游鳳荷,魏莉.材質(zhì)渦流檢測信號處理方法[J].測控技術(shù),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(yīng)用脈沖渦流檢測金屬表面裂紋的研究[J].計量技術(shù),2005(10): 16-18

[6] 楊賓峰,羅飛路.脈沖渦流無損檢測技術(shù)應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)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(jié)構(gòu)腐蝕檢測中的脈沖渦流無損檢測技術(shù)[J].測試技術(shù)學(xué)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(xué),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(tǒng),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(dǎo)量子干涉器無損檢測的原理與應(yīng)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(fēng),立木實,系崎秀夫.手持移動型高溫超導(dǎo)SQUID 在無損檢測中的應(yīng)用[J].低溫與超導(dǎo),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