1 引言
涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的无损检测方法。如图1，已知法拉第电磁感应定律，在检测线圈上接通交流电，产生垂直于工件的交变磁场。检测线圈靠近被检工件时[1]，该工件表面感应出涡流同时产生与原磁场方向相反的磁场，部分抵消原磁场，导致检测线圈电阻和电感变化。若金属工件存在缺陷，将改变涡流场的强度及分布，使线圈阻抗发生变化，检测该变化可判断有无缺陷。
随着微电子学和计算机技术的发展及各种信号处理技术的采用，涡流检测换能器、涡流检测信号处理技术及涡流检测仪器等方面出现长足发展。
2 涡流检测换能器
涡流检测必须先探测出携带物体内部信息的信号，故涡流换能器是检测技术的关键。
2.1 换能器的设计方法
换能器的设计是由确定线圈形状、横截面、尺寸、结构等参数制造的换能器。常用设计方法为：
实验型、解析型及数值型等设计[2]。早期大多采用实验方法设计换能器。按给定尺寸或要求由公式计算线圈阻抗，称解析型设计。而数值型设计始于数值求解与线圈响应有关的解析积分表达式和实现对换能器性能的模拟。
每种设计方法有各自优点和局限，通常将这三种方法结合起来设计涡流换能器，以达到优化设计参数，提高换能器性能，实现高效检测目的。
2.2 换能器结构
涡流换能器是通以正弦电流的激励线圈。由激励线圈、拾取线圈、铁心、屏蔽装置等构成。美国西屋科学技术中心设计一种换能器[3]，如图2。将内通过式换能器分割成许多独立小线圈，分别由计算机控制，当扫查到某一小线圈缺陷后，立即断开此线圈并继续行走到另一个发现缺陷小线圈，再由计算机对线圈空间距离计算得到缺陷大小。若将换能器定位并变频测量，则可求出缺陷距表面的深度。
为对焊接区背景噪声较复杂工件实施涡流探伤，日本Nihon 大学[3]设计一种换能器，由两个互成90°线圈构成激励线圈，能在材料中感应出均匀旋转磁场，可一次检测待检件各方向缺陷，小检测线圈位于激励线圈和试件之间，图3 是换能器在焊缝区检测结果，可见缺陷信号大于焊接噪声信号。
在保证检测灵敏度条件下提高换能器渗透深度是重要研究方向。美国西南研究所涡流实验室[4]设计的换能器采用杯形铁心激励线圈和多方位检测线圈，这种设计增强了激励磁场强度，使检测的深度和范围有很大提高， 能检测出飞机部件距表面4.5mm 深度处2.5mm 裂缝。
2.3 换能器的选材及制作要求
磁芯具有限定磁场范围，减少磁损失，提高检测灵敏度的作用。锰锌铁氧体(主要成分为Fe2O3，MnCO3，ZnO)是较好磁芯材料，其特点是易磁化，剩磁和矫顽力较小，磁导率和电阻率高，涡流损耗小。线圈骨架起支撑线圈作用，其材料可用电木、尼龙、塑料和陶瓷等。对导线要求是高强度、高品质因数、低电阻，可用银或银合金，也可用普通铜导线。屏蔽罩能屏蔽外界电磁干扰，提高换能器信噪比，一般可用低碳钢、纯铁等材料。
换能器制作过程对其性能影响也很大，有必要采取各种措施以保证换能器质量。制作时，先制作线圈骨架和铁心[5]，其车制工艺要求严格，所有槽的尺寸尽可能一致，而且要求槽壁光滑。线圈采用高强度漆包线分层密绕，尽可能整齐、平稳、对称。绕制好线圈电阻、电感必须测量，最后将绕好的线圈引出线和输出电缆线在内骨架的接线柱上，并用胶(如环氧树脂)封装。
3 涡流检测的信号处理技术
提高检测信号的信噪比和抗干扰能力，实现信号的识别、分析和诊断，以得出最佳的信号特征和检测结果[6]。
3.1 信号特征量提取
常用的特征量提取方法有傅里叶描述法、主分量分析法和小波变换法。
傅里叶描述法是提取特征值的常用方法。其优点是，不受探头速度影响，且可由该描述法重构阻抗图，采样点数目越多，重构曲线更逼近原曲线。但该方法只对曲线形状敏感，对涡流检测仪的零点和增益不敏感，且不随曲线旋转、平移、尺寸变换及起始点选择变化而变化。用测试信号自相关矩阵的本征值和本征矢量来描绘信号特征的方法称为主分量分析法，该方法对于相似缺陷的分辨力较强。
小波变换是一种先进的信号时频分析方法。将小波变换中多分辨分析应用到涡流检测信号分析中，对不同小波系数处理后，再重构。这种经小波变换处理后的信号，其信噪比会得到很大的提高。
3.2 信号分析
(1) 人工神经网络
人工神经网络的输入矢量是信号的特征参量，对信号特征参量的正确选择与提取是采用神经网络智能判别成功的关键。组合神经网络模型，采用分级判别法使网络输入变量维数由N2 降到N，网络结构大为简化，训练速度很快，具有较高的缺陷识别率和实用价值。神经网络可实现缺陷分类，具有识别准确度高的优点，对不完全、不够清晰的数据同样有效。
(2) 信息融合技术
信息融合是对来自不同信息源检测、关联、相关、估计和综合等多级处理，得到被测对象的统一最佳估计。
涡流C 扫描图像的融合，将图像分解为多子带图像，并在转换区内采用融合算法实现图像融合。Ka Bartels[6]等采用信噪比最优方法合并涡流信号，并用空间频率补偿方法使合并前高频信号变得模糊而低频信号变得清晰。Z Liu[6]等利用最大值准则选择不同信号的离散小波变换系数，选取待融合系数的最大绝对值作为合并转换系数。因此融合信号可基于这些系数，利用逆小波变换来重构。小波变换可按不同比例有效提取显著特征。在融合信号过程中，所有信号的有用特征都被保存下来，因此内部和表面缺陷信息得到增强。
3.3 涡流逆问题求解
换能器检测到的信号隐含缺陷位置、形状、大小及媒质性质等信息，由已知信号反推媒质参数(电导率)或形状(缺陷)，属于电磁场理论中的逆问题。为求解涡流逆问题，先要建立缺陷识别的数学模型，有形状规则的人工缺陷、边界复杂的自然缺陷、单缺陷和多缺陷等模型;在媒质类型方面，有复合材料和被测件表面磁导率变化等模型。随着计算机技术发展，缺陷模型各种数值解法也获得进展。出现有限元法、矩量法和边界元法等。
4 涡流检测设备
美国的EM3300 和MIZ-20 为采用阻抗平面显示技术典型产品，而TM-128 型涡流仪是我国首台配有微机带有阻抗平面显示的涡流探伤仪。MFE-1三频涡流仪是我国研制的首台多频涡流检测设备。随后，国内研制成功多种类型的多频涡流检测仪，如EEC-35、EEC-36、EEC-38、EEC-39 和ET-355、ET-555、ET-556 等。
目前，我国在有限元数值仿真、远场涡流探头性能指标分析及检测系统的研制等方面取得研究成果，推出商品化远场涡流检测仪器，其中ET-556H和EEC-39RFT 已用于化工炼油设备的钢质热交换管和电厂高压加热器钢管的在役探伤。
5 结论
今后涡流检测技术研发包括[7]：完善换能器设计理论，研制性能更好的涡流检测换能器;研究缺陷大小形状位置深度的涡流定位技术和三维成像技术;研究并推广远场涡流检测技术;进一步研究金属材料表面疲劳裂纹的扩展、开裂、机械加工磨削烧伤及残余应力涡流检测技术。应用该项技术进行无损检测必将得到广泛应用。
