非金属材料电磁检测新技术研究

王星　郭静　杨洁　易艳彤　衡东梅

摘要：目前的电磁检测技术只适用于导电金属材料和非金属复合材料，如石墨和碳纤维，而不适用于非金属非导电材料。理论分析表明，电常数的变化可能导致检测线圈阻抗的变化。提出了一种新的无损检测方法，通过对电常数的修正检测非金属材料中的缺陷。在实践中，由电常数变化引起的阻抗变化信号非常微弱。使用电路，例如电桥、放大器、相位敏感探测、滤波等。为了消除干扰信号，选择并放大有用信号，提高探测信号/噪声比率，有效判断非金属材料是否存在缺陷或不连续性。

关键词：电磁检测;非金属材料;介电常数;信噪比

前言

涡流检测技术（ET）、交流电磁场检测技术（ACFM）和电磁色谱成像技术（EMT）具有不接触、不损害和不辐射的全部优点，可广泛应用于无损检测领域。尽管上述三种检测技术均以电磁感应原理为基础，但其检测机制、特征信号提取电路和检测电路因检测对象和范围而异。对这三种电磁无损检测技术的分析可以促进这些技术在开发过程中的交流和应用。

一、三种检测技术的系统结构

1.典型的ET系统

一种系统和类型包括检测探头、信号源电路、信号处理电路等。探针激励信号由高精度波形发生器产生，信号频率由控制面板上的开关选择。放大、XY分解、障碍物过滤/过滤、A/D转换、测量信号导入计算机后，间隔信号信息由算法提取，探头线圈阻抗变化值显示在显示器上，从而获得检测到故障的位置等信息。

2.典型的ACFM检测系统

典型的ACFM系统主要由电源、励磁信号发生器、功率放大电路、散射电路、励磁探头、信号调节电路、A/D采集卡和PC组成。信号发生器将正弦波作为励磁信号提供，驱动励磁探头，以零件表面的周期性旋转方向激发均匀的感应电流，产生旋转感应磁场，检测探针提取零件表面的磁流密度信号，检测软件处理信号。

3.典型的EMT系统

EMT系统可分为三个部分。传感器网络、接口电路和计算机。传感器网络由屏蔽层、检测线圈和励磁线圈组成。励磁电流应用于每个励磁线圈，产生可变磁场。不同方向的检测线圈从对象域获取电导率或磁导率分布信息，并通过接口电路将其导出到计算机。使用反向变换算法重建场的空间分布，即重建图像。

二、电介质介电常数

顾名思义，电介质是一种非导电材料，即绝缘材料，在其中没有移动电气负荷。如果将电子环境置于静态电场中，则电子和原子核在电场强度的影响下，会在原子范围内进行相对微位移，并且不能与它们所属的原子分离，以实现如导管中的自由电子这样的宏观运动达到静电平衡时，电场内部的场强不等于零，这是电介质的电能与导体电能的主要区别。电介质包括各种物质，如气体、液体和固体。它是一种电气绝缘材料，可以忽略其内部的自由电荷。由于分子内部力的限制，带电粒子通常无法移动。但是，在外部电场作用下，这些带电粒子仍可在微观一级移动，也就是说，电环境可以偏振光，用电常数表示＼电环境在变换电磁场中偏振光，产生额外的电磁场。

在外部电场作用下，介质的介电常数是整体反映介质微极化过程的宏观物理量。在没有电场的情况下，构成介质的分子或原子对外部世界是中性的，在外部世界，原子核的正电荷中心与原子核周围分布的电子电荷中心重合。但是，当环境受到电场作用时，每个分子或原子的正负电荷中心相对偏移，中性分子或原子成为极。由不同原子或离子组成的分子，例如离子晶体中由正负离子组成的结构单元，在没有电场作用的情况下处于正常的节点位置，并保持对外界的电中立性。当环境受到电场作用时，正负离子会产生相对位移，破坏原始的中性分布。实际上，电荷的再分配相当于从中性分子轉变为附带二极管。构成极电环境的粒子是具有极端时刻的极分子。在没有电场的情况下，极分子是随机排列的，自然极矩向量在所有方向上分布的可能性相等。所有分子固有的极矩向量和零，整个电介质保持电气中立。但是，当环境受到电场作用时，每个极分子在电场中都会受到旋转，并且倾向于与电场方向对齐，从而导致电场两极分化。

三、介电常数对传感器的检测影响

涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测方法。样品在交流电流线圈附近进行了测试。线圈创建的可变磁场通过测试样品的电磁感应检测，测试样品中检测到涡流。此时，测试样品中的涡旋也会产生相应的感应磁场，影响原始磁场，从而引起线圈电压或阻抗的变化。涡旋的强度和分布可能受到影响，线圈的应力或阻抗可能会在测量的样品表面或表面附近发生故障或其他性质变更时发生变化。因此，仪器检测线圆中的应力或阻抗变化可以间接检测测试样品中的缺陷或其他特性变化。

四、检测系统

需要根据探测目标和应用对象开发不同类型的传感器和仪器。振荡器产生的交流电流穿过线圈。当探针卷轴穿过工件属性变更的位置时，探针卷轴的阻抗会变更，并由温度计指示。检测非金属材料时，如果材料有缺陷或不连续，材料的电气常数可能会发生变化，线圈阻抗也可能发生变化。但是，电恒引起的阻抗变化实际上很小，很难用检测系统测量绝对阻抗或电压，因此需要使用各种电桥、平衡电路和放大器来检测和放大线圈阻抗的变化。同时，由于线圈对检测中的多个参数敏感，与零件无关的参数可能形成多个干扰信号，严重干扰信号可能影响有效信号的识别，并在检测结果的判断中引起问题。这需要使用各种电路，例如相位敏感探测和过滤，以消除干扰因素的影响并确保探测的可靠性。检测线圈可以设计为在测量由于电流常数变化而引起的微小阻抗变化时作为桥梁连接。

结束语

简而言之，电磁检测技术迄今已得到发展，检测对象一直限于导电材料。本文建议将电磁检测技术应用于非导电非金属材料，利用电常数变化对检测线圈的影响，提高检测信噪比，检测非金属材料是否不连续，实现快速、高灵敏度、高效、高效的检测毫无疑问，这种探测技术将是电磁无损探测发展历史上的一个重大突破。

参考文献：

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