多频涡流检测技术：原理、信号处理与应用解析

在涡流无损检测领域，信号的幅度和相位是承载缺陷信息的关键载体。然而，在实际检测环境中，来自设备、材料结构或外部环境的本底噪声，或是多个邻近缺陷的信号，常常会与我们真正关心的有用信号发生叠加。这种信号混杂的状态，如同在嘈杂环境中试图听清耳语，给信号的准确评估和解读带来了严峻挑战。多频涡流检测技术，正是为了解决这一核心难题而发展起来的有效手段。

该技术的物理基础，建立在一个经过实验反复验证的假设之上：信号的线性合成。简言之，由多个干扰源（如一个缺陷与本底噪声）共同引起的复合信号，可以被看作是每个独立信号的矢量和。巧妙之处在于，不同性质的信号（如缺陷、管壁几何变化、材料电导率波动等）对激励频率的响应特性——即其幅度和相位的变化——是各不相同的。多频技术正是利用这一差异，通过在不同频率下采集信号，并进行代数运算，从而将不希望的干扰信号从组合信号中“剥离”出去，最终提纯出有价值的缺陷信息。

图1. 涡流检测中的信号叠加效应，在阻抗平面上显示的本底噪声对真实信号的干扰

信号分离的核心：频率选择与信号相减

多频法的核心操作是信号相减。其基本思路是，采用一个主频率进行常规检测，同时采用一个或多个辅助频率，这些辅助频率的选择旨在优先、最大化地拾取我们想要消除的干扰信号。

然而，事情并非简单的“一减了之”。因为任何一个频率的涡流场都可能对多种现象敏感，只是敏感程度不同。因此，用一个频率的检测结果去减另一个频率的结果，并不能得到纯净的零背景。频率的改变还会同步改变不同类型信号之间的幅值与相位比率。

我们通过一个实例来理解这个过程。假设存在三种信号源：① 来自紧靠探头线圈的近场噪声；② 来自材料稍深处的内部缺陷；③ 来自更靠近材料背面的远端缺陷。

图2. 多频信号相减原理示意图

• 在低频下（图2a），涡流穿透深度较大，三个信号源在阻抗平面上展现出良好的相位分离，可以被清晰地区分。
• 在较高频率下（图2b），趋肤效应变得显著，涡流能量更多地集中在材料表层。这使得检测对近场噪声①的响应被放大，而对远端缺陷③的响应则被削弱。
• 信号相减（图2c）：此时，将第一次低频测量的信号减去第二次高频测量的信号，由于高频测量中近场噪声①的权重更大，相减后可以有效地抑制该噪声。但代价是，原先在低频下清晰可辨的另外两个缺陷信号，其形态和信息也无法被完整地再现。

这个例子揭示了多频技术的一个本质：它是一种权衡与优化的艺术，旨在通过频率组合与信号处理，最大限度地压制主要干扰，从而凸显目标缺陷。

多频涡流检测的基本原理

多频涡流检测的根本，是利用同一检测线圈在不同激励频率下，对不同影响因素（缺陷、干扰）产生的涡流响应信号在幅值和相位上存在差异这一物理现象。通过对这些多维度的信号进行代数处理（如混频），便可以消除或削弱干扰，实现对目标缺陷信号的提取与评价。

实施这一技术的前提，是必须清晰掌握单一频率激励下，涡流信号对特定检测对象（如不同深度的缺陷、支撑板等结构件）的响应规律。

缺陷深度与相位角的关系

在实际应用中，涡流信号的相位角是判定缺陷深度和位置的关键参数。以换热器管检测为例，工程师会首先使用一个带有已知人工缺陷的对比试样管进行标定。

图3. 典型的换热器管对比试样及不同深度人工伤响应信号的相位关系

如图3所示，在400kHz的工作频率下，不同深度的缺陷信号在阻抗平面上按特定规律分布：随着缺陷深度减小（从内壁到外壁），其响应信号的相位角逐渐增大。

在工程实践中，通常会进行如下约定与设置：

1. 基准设定：将贯穿孔（100%壁厚损失）的信号相位角校准为特定值，例如40°。
2. 频率优化：选择合适的检测频率，使得管材外表面上最浅的人工缺陷（例如20%壁厚的浅坑）信号相位角落在150° ~ 160°范围内。
3. 显示范围控制：这样，所有深度（0% ~ 100%壁厚）的缺陷信号就会分布在40° ~ 180°这个扇区内。将相位角控制在180°以内，可以避免因信号对称性（常见于人工缺陷）而导致的判读混淆，使缺陷深度的评估更为直观和准确。

根据图3c绘制的“缺陷深度-相位角”关系曲线，可以建立起一个清晰的对应关系：相位角在0° ~ 40°范围内的信号，代表着管材内壁不同深度的腐蚀，角度越小，腐蚀越浅；而角度大于40°的信号，则对应外壁缺陷。一旦这条标定曲线建立，在后续对同规格的实际管道进行检测时，通过识别未知缺陷信号的相位角，即可快速判定其位置（内/外壁）与大致深度。

干扰抑制的利器：信号混频处理

信号混频是消除特定干扰信号的核心技术。其过程如图4所示，涡流仪的两个独立通道（通道A和通道B）分别工作在频率f₁和f₂下，对同一个干扰源（如换热器支撑板）进行检测。

图4. 利用双通道信号混频消除干扰因素的响应

通过精细调整两个通道的增益和相位旋转，可以使来自该干扰源的两个信号达到“幅度相等、相位相差90°”的特定状态。当这两个处理后的信号被送入一个混频通道进行矢量叠加时，它们的矢量和恰好为零，从而在最终的显示结果中，该干扰因素的响应信号被完全消除。

应用实例：换热器管道检测

换热器是多频涡流技术大显身手的典型场景。其内部密布的管道由一块或多块金属支撑板固定。在设备运行中，管道因流体冲刷和机械振动，极易在与支撑板接触的部位发生磨损或电化学腐蚀。

使用传统的单频涡流检测时，当探头经过铁磁性材料制成的支撑板时，会产生一个极强的电磁干扰信号，其强度足以完全“淹没”可能存在于该位置的任何真实缺陷信号。这使得对支撑板区域的有效检测成为一个“不可能完成的任务”。

多频涡流检测技术正是为此而生。通过设置多个工作频率，并利用上文所述的混频技术，可以专门针对支撑板的响应信号进行调整和消除。

图5. 经混频处理后，从支撑板干扰中提取出的磨损缺陷信号

如图5所示，在经过混频处理后，强大的支撑板信号被成功抑制，一个原本被掩盖的缺陷信号得以显现。该信号的相位角约为110°，参照之前建立的“深度-相位”关系曲线，可以判定这是一个位于换热器管外壁的缺陷，其深度约为管材壁厚的60%。

由此可见，从复杂的信号环境中精确地分离和提取目标信息，需要对检测原理有深刻的理解，并具备精密的参数调试和信号处理能力。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测涡流检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636