ĐO và KIỂM TRA KHÔNG PHÁ hủy sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG điện XOÁY (EDDY CURRENT TESTING) BKHN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

MỤC LỤ

BÁO CÁO MÔN HỌC
ĐO LƯỜNG KHÔNG PHÁ HỦY
ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP DỊNG ĐIỆN XỐY (EDDY CURRENT
TESTING)
NHĨM 4
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Họ và tên
Trần Anh Dũng
Phạm Thị Giang
Lê Anh Tuân
Bùi Nhật Minh
Trần Quang Chung
Phạm Trung Kiên
Đào Việt Hoàng
Nguyễn Thái Hợp
Trần Hữu Dũng

Mã SV
20173785
20173813
20174319
20174054
20173686
20173997
20173899
20173923
20173780

Giảng viên hướng dẫn: TS. Cung Thành Long
Bộ môn:

Đo lường và Tin học công nghiệp

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 2021
0


DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................................4
LỜI NĨI ĐẦU.................................................................................................................. 7
CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP....................................................8
1.1.

Khái niệm chung....................................................................................................8

1.2.

Lịch sử của phương pháp kiểm tra dịng điện xốy................................................9

1.3.

Ngun lý cơ bản của kiểm tra bằng dịng điện xốy...........................................10

CHƯƠNG 2 . ĐẦU DỊ DỊNG XỐY......................................................................13
2.1.

2.2.

Phân loại đầu dị...................................................................................................13
2.1.1.

Phân loại đầu dị theo phương thức hoạt động.......................................13

2.1.2.

Phân loại theo ứng dụng........................................................................16

Bảo vệ đầu dò.......................................................................................................27

CHƯƠNG 3 . XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO VÀ HIỂN THỊ..............................................30
3.1.

Bộ tạo dao động...................................................................................................30

3.2.

Đầu dò.................................................................................................................. 30

3.3.

Mạch đo................................................................................................................ 30

3.4.

Khuếch đại và bộ lọc............................................................................................32

3.5.

Giải mã................................................................................................................. 34

3.6.

Hiển thị................................................................................................................. 34
3.6.1.

Hiển thị hình elip...................................................................................34

3.6.2.

Hiển thị tuyến tính trên miền thời gian..................................................35

3.6.3.

Hiển thị mặt phẳng trở kháng (Phương pháp sử dụng điểm vecto)
35

3.7.

Thay đổi pha.........................................................................................................38

3.8.

Bộ lọc đầu ra........................................................................................................38

3.9.

Các thành phần phụ trợ trong thiết bị...................................................................38
3.9.1.

Các thiết bị hiển thị tín hiệu...................................................................38

3.9.2.

Các thiết bị giảm nhiễu..........................................................................39

3.9.3.

Thiết bị lưu trữ tín hiệu..........................................................................40

CHƯƠNG 4 . MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐO KIỂM TRA
KHƠNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG DỊNG XỐY...........................................................42
4.1.

4.2.

Ảnh hưởng bởi vị trí sai hỏng...............................................................................42
4.1.1.

Với vết nứt trên bề mặt..........................................................................42

4.1.2.

Với vết nứt dưới bề mặt.........................................................................43

Ảnh hưởng hướng của sai hỏng............................................................................45
1


4.2.1.

Hướng sai hỏng với dịng điện xốy theo mặt cắt ngang.......................45

4.2.2.

Hướng sai hỏng với dịng điện xốy theo mặt cắt thẳng đứng...............46

4.3.

Ảnh hưởng bởi kết cấu vật liệu đo........................................................................46

4.4.

Ảnh hưởng bởi nhiệt độ của vật liệu đo................................................................47

4.5.

4.6.

4.7.

4.4.1.

Vật liệu nóng lên...................................................................................47

4.4.2.

Sai số.....................................................................................................47

Ảnh hưởng khi thao tác với đầu dò......................................................................47
4.5.1.

Rung lắc (đầu dò lắc lư)........................................................................47

4.5.2.

Lift-off...................................................................................................48

Ảnh hưởng của sự tương quan tốc độ giữa bộ phận đo và thu tín hiệu.................48
4.6.1.

Tần số dụng cụ theo tốc độ....................................................................48

4.6.2.

Đáp ứng tần số của thiết bị theo tốc độ thử nghiệm...............................49

Tiêu chuẩn tham chiếu được sử dụng trong thử nghiệm dịng điện xốy..............49
4.7.1.

Đặc điểm của mẫu tham chiếu...............................................................49

4.7.2.

Lựa chọn mẫu tham khảo......................................................................50

4.7.3.

Chế tạo và tái tạo các loại mẫu đối chứng khác nhau............................51

CHƯƠNG 5 . ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG KHƠNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP DỊNG ĐIỆN XOÁY........................................................................52
5.1.

Vết nứt vỡ bề mặt.................................................................................................52

5.2.

Kiểm tra ống.........................................................................................................53

5.3.

Phép đo độ dẫn điện.............................................................................................54

5.4.

Phép đo độ dày của vật liệu mỏng........................................................................56
5.4.1.

Đo độ dày của tấm dẫn điện mỏng, dải và lá mỏng...............................57

5.4.2.

Đo kích thước mặt cắt ngang của ống và thanh hình trụ........................58

5.4.3.

Đo độ dày của các lớp dẫn điện mỏng...................................................58

5.4.4.

Phép đo độ dày của lớp phủ không dẫn điện trên vật liệu dẫn điện
59

CHƯƠNG 6 . MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐO ĐẶC BIỆT..............................................60
6.1.

Các kỹ thuật qt..................................................................................................62
6.1.1.

A-scan...................................................................................................62

6.1.2.

B-Scan...................................................................................................63

6.1.3.

C-Scan...................................................................................................63

6.2.

Dịng điện xốy từ tính (Magnetic Eddy Current)................................................67

6.3.

Dịng điện xốy xung (Pulsed Eddy Current).......................................................69
6.3.1.

Giới thiệu...............................................................................................69
2


6.3.2.

Ngun lý..............................................................................................70

6.3.3.

Hệ thống PEC........................................................................................71

6.3.4.

Tín hiệu kích thích.................................................................................72

6.3.5.

Đầu dị mảng trong PEC........................................................................72

CHƯƠNG 7 . MỘT SỐ SẢN PHẨM THỰC TẾ......................................................75
7.1.

Maxwell NDT — PECT Pulsed Eddy Current Detection.....................................75

7.2.

MEC-Floorscanner...............................................................................................76

CHƯƠNG 8 . KẾT LUẬN..........................................................................................79
CHƯƠNG 9 . TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................80

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Thí nghiệm dịng điện xốy.............................................................................................8
Hình 1.2. Ứng dụng phương pháp dịng điện xốy trong thực tế....................................................9
Hình 1.3. Michael Faraday (1791 – 1867)...................................................................................10
Hình 1.4. Minh họa cuộn dây dẫn điện.........................................................................................10
Hình 1.5. Minh họa hiện tượng xuất hiện dịng điện xốy............................................................11
Hình 2.1. Đầu dị tuyệt đối sử dụng một cuộn dây đơn.................................................................13
Hình 2.2. Đầu dò vi sai sử dụng một cuộn dây đơn......................................................................14
Hình 2.3. Đầu dò vi sai sử dụng 2 cuộn dây.................................................................................14
Hình 2.4. Đầu dò phản xạ.............................................................................................................15

Hình 2.5. Đầu dò bề mặt...............................................................................................................16
Hình 2.6. Đo bề mặt đường kính nhỏ............................................................................................16
Hình 2.7. Một vài loại đầu dị bề mặt trên thị trường...................................................................17
Hình 2.8. Mơ hình đầu dị bề mặt giảm thiểu được nhiễu lift-off..................................................18
Hình 2.9. Đầu dò bên trong ống....................................................................................................18
Hình 2.10. (a) Đầu dò bobbin tuyệt đối, (b) Đầu dò bobbin vi sai...............................................19
Hình 2.11. Nam châm vĩnh cửu trong ống.....................................................................................20
Hình 2.12. Minh họa khuyết tật dọc theo trục ống và chu vi ống.................................................20
Hình 2.13. (a) Đầu dò Rotating Pancake Coil (RPC) và (b) Đầu dò Rotating Plus Point
Coil................................................................................................................................................21
Hình 2.14. (a) Bố trí cuộn dây ba pha và (b) Mơ hình 3D của cuộn bobbin và 3 cuộn dây
kích thích bên trong ống................................................................................................................22
Hình 2.15. Dịng điện cảm ứng trên thành ống sinh ra bởi từ trường quay.................................22
Hình 2.16. Vị trí của các lỗ vng theo chu vi trên thành ống.....................................................23
Hình 2.17. Dịng điện xốy trong đầu dị mảng............................................................................24
Hình 2.18. Đầu dò mảng (a) C-3, (b) C-4.....................................................................................24
Hình 2.19. Hình ảnh thực tế đầu dò X-Probe................................................................................25
Hình 2.20. Các kênh theo trục và kênh theo chu vi của đầu dò mảng X.......................................25
Hình 2.21. Smart array probe.......................................................................................................26
Hình 2.22. (a) cấu tạo đầu dò (b) đầu dò trên thị trường.............................................................26
Hình 2.23. Dòng điện cảm ứng trên thành ống do cuộn dây phát nghiêng tạo ra........................27
Hình 2.24. Minh họa đầu dị đo ngồi ống...................................................................................27
Hình 2.25. Minh họa một đầu dò được để bảo vệ bằng lõi ferit...................................................28
Hình 2.26. Active Shielding...........................................................................................................28
Hình 2.27. a) Cuộn Solenoid và từ trường do nó tạo ra, b) Cuộn Helmholtz và từ trường
do nó tạo ra...................................................................................................................................29
Hình 3.1. Sơ đồ khối thiết bị đo ứng dụng dịng điện xốy...........................................................30
Hình 3.2. Mạch cầu so sánh..........................................................................................................31
Hình 3.3. Điều kiện cân bằng của mạch cầu.................................................................................32
Hình 3.4. (a) Mạch cầu cho phương pháp tuyệt đối, (b) Mạch cầu cho phương pháp vi sai

.......................................................................................................................................................32
Hình 3.5. Tín hiệu khi được xử lý..................................................................................................33
Hình 3.6. Tín hiệu trước và sau khi lọc.........................................................................................33
Hình 3.7. Hiển thị hình Elip..........................................................................................................34
Hình 3.8. Hiển thị mặt phẳng trở kháng.......................................................................................35
Hình 3.9. Tín hiệu sau khi được lọc..............................................................................................35
Hình 3.10. Mô phỏng hiển thị bằng mặt phẳng trở kháng............................................................36
Hình 3.11. Ảnh hưởng của ADC....................................................................................................37

4


Hình 3.12. Ảnh hưởng của tần số lấy mẫu....................................................................................37
Hình 3.13. Máy ghi biểu đồ dải.....................................................................................................40
Hình 3.14. Máy ghi băng từ hóa...................................................................................................40
Hình 3.15. Digital Trace Acquisition and Storage........................................................................41
Hình 4.1. Vết nứt bề mặt................................................................................................................42
Hình 4.2. Tần số và độ sâu vết nứt ảnh hưởng đến kết quả đo vết nứt bề mặt.............................42
Hình 4.3. Mật độ dịng xốy và độ trễ pha so với bề mặt (1,2,3 lần độ sâu tiêu chuẩn)..............43
Hình 4.4. Ảnh hưởng của tần số và tính chất vật liệu đến độ sâu thâm nhập...............................44
Hình 4.5. Mật độ dịng xốy và độ trễ pha so với bề mặt (1,2,3 lần độ sâu tiêu chuẩn)..............45
Hình 4.6. Vết sai hỏng theo mặt cắt ngang...................................................................................45
Hình 4.7. Chọn đường kính đầu dị phù hợp với độ lớn vết nứt....................................................45
Hình 4.8. Vết sai hỏng theo mặt cắt thẳng đứng...........................................................................46
Hình 4.9. Dịng điện xốy khi sử dụng đầu dị hình móng ngựa...................................................46
Hình 4.10. Khoảng cách giữa đầu dò và bề mặt vật liệu ảnh hưởng đến trở kháng cuộn
dây.................................................................................................................................................48
Hình 4.11. Ví dụ thiết bị bù tín hiệu lift-off tự động......................................................................48
Hình 4.12. Khối tham chiếu tần số cao.........................................................................................50
Hình 4.13. Tín hiệu dịng điện xốy với (a) tuyệt đối và (b) đầu dò bề mặt vi sai........................50

Hình 5.1. Mơ tả cường độ dịng điện xốy ở bên (a) Khơng có vết nứt , (b) Có vết nứt ở vị
trí dịng điện xốy yếu hơn............................................................................................................52
Hình 5.2. (a) Hình mơ tả vị trí đặt đầu dị khi đi qua các vị trí vết nứt, (b) Dạng hiên thị
trên máy các tín hiệu từ thấp đến cao tương ứng với vết nứt từ nông đến sâu.............................53
Hình 5.3. Chụp dạng ống cần kiểm tra.........................................................................................54
Hình 5.4. Thể hiện các tín hiệu thu được khi di chuyển đầu dò trong ống (a) Đầu dò tuyệt
đối, (b) Đầu dò vi sai.....................................................................................................................54
Hình 5.5. Phép đo độ dẫn điện bằng cách để xa rồi tiến gần lại..................................................55
Hình 5.6. Mặt phẳng trở kháng thay đổi với vật liệu thép(từ tính) và aluminum( khơng từ
tính)...............................................................................................................................................56
Hình 5.7. Mơ tả đầu dò đo độ dày vật liệu tại các điểm A, B, C, D..............................................57
Hình 5.8. (a) Mặt phẳng trở kháng khi để đầu dị khơng di chuyển lên, (b) Mặt phẳng trở
kháng khi để đầu dò nhấp nhả tại các điểm A, B, C, D.................................................................57
Hình 6.1. Minh họa một xung vuông bằng tổng hợp của nhiều sóng sin......................................60
Hình 6.2. Cấu trúc chung của hệ thống quét.................................................................................61
Hình 6.3. Bàn quét.........................................................................................................................61
Hình 6.4. Đáp ứng A-scan.............................................................................................................62
Hình 6.5. Đáp ứng B-scan.............................................................................................................62
Hình 6.6. Hình ảnh của B-Scan.....................................................................................................63
Hình 6.7. Hình ảnh của C-Scan....................................................................................................64
Hình 6.8. Vị trí của đầu dò trong quá trình quét...........................................................................64
Hình 6.9. Hình minh họa cho trận quét C.....................................................................................65
Hình 6.10. Một số thang màu phổ biến.........................................................................................65
Hình 6.11. Cách chuyển từ ma trận dữ liệu quét C sang ma trận màu sắc...................................66
Hình 6.12. Ma trận màu sắc tương ứng với ma trận dữ liệu quét C.............................................66
Hình 6.13. Một số hình ảnh thực tế của C-scan............................................................................67
Hình 6.14. Nguyên lý MEC...........................................................................................................68
Hình 6.15. Sự thay đổi trong từ trường.........................................................................................68
Hình 6.16. Sự thay đổi trở kháng giữa hai mặt.............................................................................69
Hình 6.17. Đo dịng xốy với các tần số khác nhau......................................................................70

5


Hình 6.18. Ví dụ về các xung khác nhau.......................................................................................71
Hình 6.19. Hệ thống PEC..............................................................................................................71
Hình 6.20. Dịng kích thích với các độ rộng xung khác nhau.......................................................72
Hình 6.21. Đầu dò mảng...............................................................................................................72
Hình 6.22. Cuộn dây vng...........................................................................................................73
Hình 6.23. Phân tích theo hướng từ thơng....................................................................................73
Hình 6.24. Phân tích theo hướng dịng kích thích.........................................................................74
Hình 7.1. Maxwell NDT................................................................................................................75
Hình 7.2. Maxwell NDT................................................................................................................76

6


LỜI NĨI ĐẦU
Đo lường khơng phá hủy – NDT (Non-Destructive Testing) là phương pháp
dị tìm khuyết tật trong hoặc trên bề mặt vật liệu, mối hàn, … mà không làm tổn hại
đến mẫu kiểm tra. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành
khác nhau như cơ khí, vật liệu, hóa dầu, … vì nó rất hiệu quả trong việc kiểm tra
các khuyết tật của vật liệu, khuyết tật của mối hàn như xác định các vết nứt, rỗ khí,
ngậm xỉ, tách lớp, khơng ngấu, khơng thấu trong các mối hàn, kiểm tra ăn mòn kim
loại, kiểm tra tách lớp của vật liệu, đo chiều dày vật liệu, đo độ cứng của vật liệu,
kiểm tra độ ẩm, …
Phương pháp dịng điện xốy là một trong những phương pháp phổ biến
trong Đo lường không phá hủy, thường được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện
khuyết tật trên và dưới bề mặt của vật liệu dẫn điện. Nguyên lý của phương pháp
này là ứng dụng các hiện tượng tự nhiên của dịng điện xốy, cảm ứng điện từ, qua

đó phân tích các thành phần liên quan, hiển thị và đọc kết quả.
Với kiến thức được học trên lớp kết hợp nghiên cứu tìm hiểu thêm ở các tài
liệu cũng như ứng dụng thực tế, bọn em xin trình bày báo cáo chi tiết về phương
pháp dịng điện xốy trong Đo lường không phá hủy. Bài báo cáo sẽ gồm các phần
chính: Giới thiệu tổng quan về phương pháp, trong đó bọn em sẽ phân tích về dịng
điện xốy và ngun lý của dịng điện xốy, cảm biến dịng điện xốy; Cấu tạo và
hoạt động của đầu dị dịng điện xốy; Xử lý tín hiệu đo và các cơ cấu hiển thị; Các
yếu tố quan trọng trong quá trình đo; Một số kỹ thuật đo đặc biệt ứng dụng dòng
điện xoáy, và một số thiết bị thương mại đã được ứng dụng trong thực tế.
Do vốn kiến thức còn hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót, bọn em
mong sẽ nhận được những nhận xét và góp ý từ thầy để đồ án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn giảng viên – TS Cung Thành Long đã tận tình giúp đỡ nhóm
em hồn thành bài tập lớn này!

7


CHƯƠNG 1 .
1.1.

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP

Khái niệm chung
Kiểm tra khơng phá hủy (NDT) có nghĩa là kiểm tra vật liệu mà khơng phá

hủy chúng. Nói cách khác, chúng ta có thể tìm kiếm các khuyết tật trong nhiều loại
vật liệu kim loại bằng cách sử dụng dịng điện xốy và không phá hỏng vật liệu mà
chúng ta cần kiểm tra. Điều này rất quan trọng bởi vì nếu chúng ta phá hủy vật liệu
mà chúng ta đang kiểm tra, thì việc kiểm tra nó ngay từ đầu sẽ khơng tốt. NDT rất
quan trọng vì thường khơng nhìn thấy được các khuyết tật mà chúng ta đang tìm

kiếm vì sơn hoặc một số lớp phủ khác có thể che lấp chúng. Cũng có thể có các
khuyết tật nhỏ đến mức chúng ta khơng thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc bất kỳ
phương pháp kiểm tra trực quan nào khác. Do đó, các phương pháp kiểm tra như
kiểm tra dịng điện xoáy đã được phát triển để phát hiện các khuyết tật.
Thí nghiệm dịng điện xốy
Trong thí nghiệm dưới đây, sẽ sử dụng kiểm tra dịng điện xốy để phát hiện
các vết nứt trên một ống kim loại. Chúng ta sẽ sử dụng một cuộn dây quấn quanh
một miếng sắt để tạo ra từ trường gây ra dịng điện xốy trong kim loại. Trong NDT,
cuộn dây được gọi là đầu dò kiểm tra. Từ trường được tạo ra bởi dòng điện xốy có
thể được phát hiện bằng cách sử dụng chính đầu dị này. Chúng ta có thể theo dõi từ
trường được tạo ra bởi các dịng điện xốy này bằng một dụng cụ gọi là kính xốy
(eddyscope). Nếu có sự thay đổi trong từ trường từ các dịng điện xốy, chúng ta có
thể nói rằng chúng ta đã tìm thấy một loại khuyết tật nào đó trong vật liệu mà chúng
ta đang thử nghiệm. Khi thiết bị nhận thấy sự thay đổi trong từ trường do dịng điện
xốy tạo ra, nó sẽ hiển thị sự thay đổi trong tín hiệu trên màn hình.

Hình 1.1. Thí nghiệm dịng điện xốy

8


Nếu vật liệu được thử nghiệm đồng đều về mọi mặt và khơng có khuyết tật
thì các dịng điện xốy sẽ đồng đều. Nếu có một số khiếm khuyết trong vật liệu như
vết nứt, vết ăn mòn, …các dòng điện xốy sẽ bị xáo trộn khỏi hình dạng trịn bình
thường của chúng. Kỹ thuật viên NDT sử dụng nhiều loại thiết bị kiểm tra dịng
điện xốy khác nhau. Một số là những cuộn dây đơn giản được giữ trên một miếng
kim loại. Những người khác sử dụng các đầu dò đặc biệt, giống như đầu dò được
hiển thị ở trên, được đẩy vào bên trong ống của các bộ trao đổi nhiệt.
Các kỹ thuật viên như ảnh dưới đang thực hiện kiểm tra dịng điện xốy trên
ống của thiết bị trao đổi nhiệt. Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng ở những nơi như nhà

máy điện hạt nhân. Nước phóng xạ từ lò phản ứng được chảy qua các ống và nước
làm mát sẽ được quay trở lại sông hoặc hồ được tuần hoàn bên ngoài các ống. Điều
cần quan tâm ở đây là nước phóng xạ và nước làm mát khơng được trộn lẫn. Do đó,
các kỹ thuật viên thực hiện kiểm tra dịng điện xốy trên các ống để tìm và các
khuyết tật trước khi chúng bị rị rỉ

Hình 1.2. Ứng dụng phương pháp dịng điện xốy trong thực tế

1.2.

Lịch sử của phương pháp kiểm tra dòng điện xốy
Kiểm tra dịng điện xốy có nguồn gốc từ việc phát hiện ra hiện tượng cảm

ứng điện từ của Michael Faraday vào năm 1831. Faraday là một nhà hóa học ở Anh
vào đầu những năm 1800 và được ghi nhận là người đã khám phá ra hiện tượng cảm
ứng điện từ, quay điện từ, hiệu ứng quang từ, từ tính và các hiện tượng khác. Vào
năm 1879, một nhà khoa học khác tên là Hughes đã ghi lại những thay đổi trong đặc
tính của cuộn dây khi đặt nó tiếp xúc với các kim loại có độ dẫn điện và độ từ thẩm
khác nhau. Tuy nhiên, phải đến Chiến tranh thế giới thứ hai, những hiệu ứng này
9


mới được đưa vào ứng dụng thực tế để làm vật liệu thử nghiệm. Nhiều cơng trình đã
được thực hiện trong những năm 1950 và 60, đặc biệt là trong các ngành công
nghiệp máy bay và hạt nhân. Kiểm tra dịng điện xốy bây giờ là một kỹ thuật kiểm
tra được sử dụng rộng rãi và được hiểu rõ.

Hình 1.3. Michael Faraday (1791 – 1867)

1.3.

Nguyên lý cơ bản của kiểm tra bằng dịng điện xốy.
Kiểm tra dịng điện xốy là một trong một số phương pháp NDT sử dụng các

nguyên lý điện từ làm cơ sở để tiến hành kiểm tra. Một số phương pháp khác như
kiểm tra trường từ xa (RFT), Rị rỉ thơng lượng và Barkhausense Noise cũng sử
dụng ngun tắc này. Dịng điện xốy được tạo ra thơng qua một q trình gọi là
cảm ứng điện từ. Khi dòng điện xoay chiều được đặt vào vật dẫn, chẳng hạn như
dây đồng, một từ trường sẽ xuất hiện bên trong và xung quanh vật dẫn. Từ trường
này mở rộng khi dòng điện xoay chiều tăng lên cực đại và giảm xuống khi dịng
điện giảm xuống bằng khơng. Nếu một dây dẫn điện khác được đưa vào gần với từ
trường thay đổi này, thì dịng điện sẽ xuất hiện trong dây dẫn thứ hai này đó chính là
dịng điện cảm ứng hay “dịng điện xốy”

Hình 1.4. Minh họa cuộn dây dẫn điện

Để tạo ra dịng điện xốy để kiểm tra, một "đầu dò" được sử dụng. Bên trong
đầu dò là một vật liệu dẫn điện (ví dụ như đồng) được cuốn thành một cuộn dây.
10


Dòng điện xoay chiều được phép chạy trong cuộn dây ở tần số do kỹ thuật viên
chọn cho loại thử nghiệm liên quan. Một từ trường biến thiên được tạo thành bên
trong và xung quanh cuộn dây khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây. Khi
một vật liệu dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên của cuộn dây, hiện tượng
cảm ứng điện từ sẽ xảy ra và trong vật liệu sẽ xuất hiện dịng điện xốy. Dịng điện
xoáy chạy trong vật liệu sẽ tạo ra từ trường "thứ cấp" của chính chúng, từ trường
này sẽ chống lại từ trường "sơ cấp" của cuộn dây. Toàn bộ quá trình cảm ứng điện
từ này để tạo ra dịng điện xốy có thể xảy ra từ vài trăm đến vài triệu lần mỗi giây
tùy thuộc vào tần suất kiểm tra.

Hình 1.5. Minh họa hiện tượng xuất hiện dịng điện xốy

 Một trong những ưu điểm chính của dịng điện xốy như một cơng cụ NDT
là có thể thực hiện nhiều loại kiểm tra và đo lường. Trong những trường hợp thích
hợp, dịng điện xốy có thể được sử dụng để:
•

Phát hiện vết nứt

•

Các phép đo độ dày của vật liệu

•

Đo độ dày lớp phủ

•

Phân loại vật liệu

•

Phát hiện hư hỏng do nhiệt.

 Một số ưu điểm của việc kiểm tra dịng điện xốy bao gồm:
•

Nhạy cảm với các vết nứt nhỏ và các khuyết tật khác

•

Phát hiện các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt

•

Kiểm tra cho kết quả ngay lập tức
11


•

Thiết bị di động

•

Đơn giản khi đo

•

Đầu dò kiểm tra khơng cần tiếp xúc với vật liệu

•

Kiểm tra hình dạng và kích thước phức tạp của vật liệu dẫn điện.

 Chỉ các vật liệu dẫn điện mới có thể được kiểm tra
•

Bề mặt phải tiếp cận được với đầu dị

•

Cần kỹ thuật viên có trình độ

•

Bề mặt độ nhám có thể gây khó khăn trong q trình đo.

•

Cần có các tiêu chuẩn tham chiếu cần thiết để thiết lập phép đo.

•

Độ sâu thâm nhập bị hạn chế

•

Khơng thể phát hiện được các lỗi như phân tách nằm song song với

cuộn dây của cuộn dây thu và hướng quét của đầu dò

12


CHƯƠNG 2 . ĐẦU DỊ DỊNG XỐY
Đầu dị dịng điện xốy là bộ phận sử dụng ngun lý hình thành dịng điện
xốy để kích thích tạo ra dịng điện xốy trên vật liệu đo và cảm nhận những thay

đổi của vật liệu kiểm tra
Các bộ phận chính của một đầu dị dịng xốy gồm:
 Cuộn dây (coil): gồm một hoặc nhiều cuộn dây được cuốn và sắp xếp tùy
theo phương thức hoạt động, mục đích sử dụng của đầu dị
 Lò xo (spring): giúp giảm ảnh hưởng của lift off lên đầu dò
 Lõi (core): thường là lõi ferit, dùng làm khung cuốn của cuộn dây và để tập
trung từ trường tại đầu dò
 Bảo vệ đầu dò (shield): bảo vệ đầu dị khỏi điện từ trường của mơi trường
kiểm tra
 Vỏ bao bên ngồi đầu dị: thép khơng gỉ, nhựa,…
Đầu dị dịng xốy được phân loại như sau:
2.1.

Phân loại đầu dò

2.1.1. Phân loại đầu dò theo phương thức hoạt động
2.1.1.1. Đầu dò tuyệt đối

Hình 2.6. Đầu dò tuyệt đối sử dụng một cuộn dây đơn

Đầu dò tuyệt đối sử dụng 1 cuộn dây đơn tạo ra dịng điện xốy trong vật
kiểm tra. Các dịng điện xốy lại tạo ra một từ trường thứ cấp chống lại từ trường
của cuộn dây sơ cấp và điều này làm thay đổi điện kháng cảm ứng của cuộn dây.
Bằng cách đo sự thay đổi trở kháng tuyệt đối của cuộn dây, có thể thu được nhiều
thông tin về vật liệu kiểm tra.
2.1.1.2. Đầu dị vi sai
Đầu dị dịng điện xốy vi sai bao gồm một cặp cuộn dây được kết nối đối lập
nhau/quấn ngược nhau sao cho trở kháng hoặc điện áp cảm ứng đo được bị loại bỏ
khi cả hai cuộn dây gặp điều kiện giống hệt nhau. Các cuộn dây chỉ có thể cảm nhận
được những thay đổi trong vật liệu được thử nghiệm, do đó, các đầu dị dịng điện

13


xoáy vi sai được sử dụng để phản ứng với những thay đổi trong vật liệu thử nghiệm
đồng thời loại bỏ nhiễu và bất kỳ tín hiệu khơng mong muốn nào ảnh hưởng đến cả
hai cuộn dây.
Hình 2.2(a) cho thấy sự sắp xếp của đầu dò vi sai sử dụng 1 cuộn dây đơn
quấn ngược nhau, tự so sánh và đo tại 2 vị trí khác nhau. Hình 2.2(b) cho thấy sự
sắp xếp của đầu dò vi sai sử dụng 1 cuộn dây quấn ngược nhau, so sánh và đo tại
vật liệu kiểm tra với vật mẫu tham chiếu bên ngồi.

Hình 2.7. Đầu dị vi sai sử dụng một cuộn dây đơn

Hình 2.3(a) cho thấy sự sắp xếp của đầu dò vi sai tự so sánh sử dụng 2 cuộn
dây, 1 cuộn dây để tạo ra dịng điện xốy cịn cuộn còn lại để đo, 2 cuộn đều được
đặt tại vật liệu kiểm tra và vật mẫu bên ngoài. Ở hình 2.3(b) một cuộn dây để tạo ra
dịng điện xốy còn cuộn còn lại để đo, 2 cuộn đều được đặt tại 2 vị trí khác nhau
trên vật liệu kiểm tra

14


Hình 2.8. Đầu dò vi sai sử dụng 2 cuộn dây

2.1.1.3. Đầu dò phản xạ
Đầu dò phản xạ gồm hai cuộn dây kết nối độc lập nhau, một cuộn dây được sử
dụng để kích thích và cuộn dây cịn lại được sử dụng để cảm nhận những thay đổi
trong vật liệu kiểm tra.
Các đầu dò sắp xếp như này còn được gọi là driver-pickup probe, driverdriven probe, pitch-catch probe. Ưu điểm của đầu dò phản xạ là cuộn dây phát và
thu có thể được tối ưu hóa riêng biệt cho mục đích của chúng. Cuộn dây phát có thể

được chế tạo để tạo ra từ trường mạnh và đồng đều trong vùng lân cận của cuộn thu,
trong khi cuộn thu có thể được làm rất nhỏ để nó nhạy cảm với các khuyết tật rất
nhỏ
Một ví dụ về đầu dị phản xạ ở hình 2.4

15


Hình 2.9. Đầu dò phản xạ

2.1.1.4. Đầu dò lai (Hybrid Probes)
Đầu dò lai là loại đầu dò kết hợp giữa các loại đầu dò khác nhau hoặc kết hợp
thêm cảm biến,… để cải thiện chất lượng đo cũng như đáp ứng cho một số ứng
dụng kiểm tra cụ thể.
Một ví dụ về đầu dị lai là đầu dị hình D phân tách. Đầu dị này có một cuộn
dây phát bao quanh hai cuộn dây thu hình chữ D. Nó hoạt động ở chế độ phản xạ
nhưng ngoài ra các cuộn dây thu của nó hoạt động ở chế độ vi sai. Loại đầu dò này
rất nhạy cảm với các vết nứt trên bề mặt.
Một ví dụ khác về đầu dị lai là một đầu dò sử dụng một cuộn dây thơng
thường để tạo ra dịng điện xốy trong vật liệu nhưng sau đó sử dụng một loại cảm
biến khác để phát hiện những thay đổi trên bề mặt và bên trong vật liệu thử nghiệm.
Ví dụ về đầu dị lai là một đầu dò sử dụng cảm biến Hall để phát hiện những thay
đổi trong từ thông trên bề mặt vật liệu thử nghiệm.
2.1.2.

Phân loại theo ứng dụng

2.1.2.1. Đầu dò đo bề mặt (surface probe)

Hình 2.10. Đầu dò bề mặt

16


Đầu dò bề mặt là một trong những đầu dò dịng xốy được sử dụng rộng rãi
nhất để kiểm tra các bề mặt bằng phẳng hoặc đường viền để tìm các khuyết tật hoặc
tính chất vật liệu. Hình 2.5 minh họa cấu tạo cơ bản của loại đầu dò bề mặt đo các
bề mặt bằng phẳng và sản phẩm thực tế
Đầu dị bề mặt có thể được cầm tay hoặc gắn trong thiết bị quét tự động. Cuộn
dây được gắn ở cuối đầu dò được phủ một lớp sơn epoxy để bảo vệ bề mặt khỏi bị
mài mòn
Các biến thể khác của đầu dò bề mặt trên thị trường:

 Đầu dò bề mặt đo các khe, đường viền
Để đo tại các đường viền người ta tạo ra các loại đầu dị bề mặt có đường kính
nhỏ, cuộn dây được bảo vệ và được đặt ở đầu kết hợp với tay cầm được đặt ở một
góc nhất định cho phép tiếp cận tốt tới các khe, đường viền

Hình 2.11. Đo bề mặt đường kính nhỏ

Hình sau minh họa một vài loại đầu dò bề mặt trên thị trường:

Hình 2.12. Một vài loại đầu dò bề mặt trên thị trường

17


Các đầu dị này có đặc điểm chung đều là là đầu dị bằng thép khơng gỉ đa
năng có thể tháo rời, các đầu này có các cuộn dây nhỏ và vỏ có đường kính nhỏ
được chế tạo cho các tần số cao. Chúng thường được sử dụng để phát hiện vết nứt

vỡ bề mặt hoặc gần bề mặt. Chúng có sẵn với nhiều kích cỡ khác nhau và với nhiều
cấu hình cuộn dây, tùy chọn đầu nối khác nhau.
Riêng Pencil Surface Probe: đầu dị bề mặt bút chì được trang bị một vịng có
thể điều chỉnh giúp đạt được góc tối ưu để kiểm tra và đảm bảo độ ổn định cao.

 Đầu dò bề mặt giảm thiểu được nhiễu lift-off
Dịng điện xốy thay đổi theo độ nâng của đầu dò khỏi vật liệu thử nghiệm
(lift-off), khi lift off lớn làm thay đổi pha tín hiệu từ đầu dị nên pha tín hiệu khó có
thể được sử dụng để đánh giá các sai sót. Do đó, các đầu dị bề mặt dịng điện xốy
thơng thường thường chỉ sử dụng biên độ của tín hiệu để đánh giá. Tuy nhiên, biên
độ tín hiệu thay đổi khơng chỉ theo độ sâu của khuyết tật mà còn thay đổi theo chiều
dài và chiều rộng của khuyết tật. Vì vậy mà kiểm tra dịng điện xốy bằng các đầu
dị bề mặt thơng thường hầu như không được coi là một phương pháp tốt để đánh
giá độ sâu của các lỗ hổng trên bề mặt.
Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu từ lift off trong thử nghiệm
dịng điện xốy là phát triển bộ phận thu dịng điện xốy sinh ra bởi các khuyết tật
mà khơng thu trực tiếp dịng điện xốy sinh ra bởi cuộn dây kích thích tạo ra
Đầu dị mới bao gồm một cuộn dây phát hình trịn và một cuộn dây thu tiếp
tuyến hình chữ nhật được bố trí ở tâm của cuộn dây phát.

Hình 2.13. Mô hình đầu dị bề mặt giảm thiểu được nhiễu lift-off

Cuộn dây kích thích tạo ra dịng điện xốy đối xứng trong vật liệu thử nghiệm
và cuộn dây thu chỉ tạo ra tín hiệu khi một số dịng điện xốy chạy song song với
chính nó. Đầu dị khơng tạo ra tín hiệu miễn là dịng điện xốy cảm ứng được giữ
đối xứng. Do đó đầu dị khơng có nhiễu khi nâng.
18


2.1.2.2. Đầu dò đo trong thành ống (Internal probe/ bobbin probe)

Đầu dò bên trong ống bao gồm các cuộn dây quấn xung quanh đầu dò được sử
dụng để kiểm tra bên trong của ống hoặc các lỗ trịn. Hình 2.9 minh họa một loại
cuộn dây được đưa vào trong ống để kiểm tra các khuyết tật trên chu vi bên trong
của ống. Đầu dò bên trong ống tạo ra dòng điện bao quanh toàn bộ chu vi của ống
để kiểm tra toàn bộ phần xung quanh cuộn dây
Internal coil nhạy cảm hơn với các khuyết tật nằm trên hoặc gần bề mặt bên
trong của ống

Hình 2.14. Đầu dò bên trong ống

Các loại đầu dò đo trong ống

 Bobbin Probe
Đầu dò bobbin đáng tin cậy và có khả năng phát hiện các khuyết tật trong ống
như ăn mịn, xói mịn, nứt và các thay đổi khác trong đường ống. Đầu dò bobbin là
loại đầu dò biến đổi trở kháng.
Đầu dò này sẽ tạo ra dịng điện xốy theo hướng chu vi của ống, nếu có
khuyết tật trong ống dịng điện xốy sẽ bị gián đoạn và tập trung xung quanh khuyết
tật, gây ra sự thay đổi trở kháng trong cuộn dây.
Có 2 loại đầu dò bobbin thường được sử dụng trong kiểm tra ống: Đầu dò
bobbin tuyệt đối và đầu dò bobbin vi sai

19


 Đầu dò bobbin tuyệt đối gồm một cuộn bobbin và một cuộn bobbin tham
chiếu giống hệt nhau, được sử dụng để cân bằng điện tử và được bảo vệ điện
từ (electronic balancing and electromagnetically shielded) khỏi ống được
kiểm tra.

Hình 2.15. (a) Đầu dò bobbin tuyệt đối, (b) Đầu dò bobbin vi sai

 Đầu dị bobbin vi sai có hai cuộn dây được đặt ngược nhau. Đường kính
ngồi của đầu dị điển hình dao động từ 12 ~ 30 mm, độ dày từ 0,7 ~ 3 mm
và độ nâng từ 0,8 ~ 1,5 mm. Đầu dò hoạt động với dòng điện trong một cuộn
dây lệch pha 180o so với cuộn dây kia. Tín hiệu thu được là tổng trở của hai
cuộn dây
Đầu dị bobbin ít bị ảnh hưởng bởi lift off, dao động đầu dò, thay đổi nhiệt độ
và thay đổi điện dẫn xuất của ống.

 Đầu dị dịng xốy bão hịa (Full Saturation Probe)
Khơng thể sử dụng đầu dị bobbin thông thường để kiểm tra các ống thép
không gỉ ferrous hoặc thép khơng gỉ có độ từ tính cao vì rất khó để trường điện từ
thâm nhập vào các vật liệu sắt từ do độ từ thẩm cao của vật liệu ngăn cản sự xâm
nhập sâu của dòng điện xốy. Vì vậy mà cần “bão hịa từ tính” để giảm độ từ thẩm
đảm bảo độ sâu thâm nhập của dịng điện xốy phù hợp để đầu dị bên trong phát
hiện các khuyết tật bắt đầu từ bề mặt đường kính bên ngồi của ống
Bão hịa từ tính gồm bão hịa từ tính tồn bộ và bão hịa từ tính một phần (full
and partial magnetic saturation)
 Để bão hịa hồn tồn vật liệu, cần phải có nam châm vĩnh cửu mạnh
hoặc cuộn dây có dịng điện một chiều cao, nhưng điều này rất khó thực
hiện trong các ứng dụng thực tế.

20


 Để bão hòa một phần vật liệu ống cần sử dụng một nam châm vĩnh cửu
và một cuộn dây bobbin được sử dụng để tạo ra dịng điện xốy trong
ống. Nam châm vĩnh cửu sẽ được đặt bên trong lõi của bobbin coil

Hình 2.16. Nam châm vĩnh cửu trong ống

 Đầu dị quay (Rotating Probe)
Vì đầu dị bobbin khơng nhạy cảm với các vết nứt và khuyết tật chu vi trong
ống do đó đầu dị quay được sinh ra để khắc phục nhược điểm đó
Đầu dị quay (rotating probe) thuộc loại đầu dò biến đổi trở kháng

Hình 2.17. Minh họa khuyết tật dọc theo trục ống và chu vi ống

Có 2 loại đầu dị quay: Rotating Pancake Coil (RPC) và Plus Point (+ Point) là
các đầu dò được sử dụng để phát hiện các vết nứt dọc theo trục và theo chu vi của
ống, cung cấp thông tin về hình dạng khuyết tật.
Cuộn pancake và cuộn Plus Point được kết nối với động cơ và được ép vào bề
mặt ống bằng lò xo, được động cơ quay theo chu vi bên trong ống (hình xoắn ốc) và
di chuyển dọc theo trục ống như trong Hình 2.13.

Hình 2.18. (a) Đầu dò Rotating Pancake Coil (RPC) và (b) Đầu dò Rotating Plus Point
Coil

21


Đầu dò Rotating Pancake Coil thường chứa 3 cuộn pancake đặt trên bề mặt và
được đặt xung quanh chu vi. Đầu dị Rotating Plus Point Coil có cuộn dây Plus
Point là hai cuộn dây được kết nối vng góc với nhau
Đầu dò quay nhạy cảm với các khuyết tật của tất cả các hướng, có độ phân
giải cao và độ nhạy được cải thiện để xác định đặc điểm và kích thước của các
khuyết tật. Tuy nhiên, nó nhạy cảm với việc nâng đầu dò (lift off). Để giảm thiểu
ảnh hưởng của lift off, các cuộn pancake/Plus Point được kết nối với lò xo để giúp
chúng tiếp xúc với bề mặt bên trong của thành ống.

Sự quay cơ học của các cuộn dây gây ra sự mài mịn do đó đầu dò dễ bị hỏng.
Trong một số trường hợp thậm chí cịn có cặn bên trong trên thành ống làm giảm
đáng kể tuổi thọ của đầu dò do bị mài mịn. Hơn nữa, các cặn từ tính này cũng có
thể che khuất các tín hiệu từ các khuyết tật. Vì đầu dị có kiểu qt xoắn ốc nên tốc
độ qt chậm, chậm hơn tới 200 lần so với đầu dò bobbin và đầu dị mảng,... Do đó,
thời gian và chi phí kiểm tra tăng lên đáng kể

 Đầu dị dịng điện xoáy từ trường quay (Rotating Magnetic Field Eddy
Current Probe)
Là đầu dò mới khắc phục nhược điểm của đầu dò xoay (sự quay cơ học của
đầu dò, tốc độ quét chậm và dễ bị mài mòn cơ học). Đầu dò dịng điện xốy từ
trường quay hoạt động ở chế độ gửi - nhận với các cuộn dây kích từ và cuộn dây thu
độc lập.
Cấu tạo của đầu dò: Cuộn dây kích từ bao gồm 3 cuộn dây hình chữ nhật
giống hệt nhau nằm trên các trục cách nhau 120o và được điều khiển bởi nguồn điện
hình sin 3 pha có biên độ, pha và tần số có thể điều chỉnh được.

Hình 2.19. (a) Bố trí cuộn dây ba pha và (b) Mô hình 3D của cuộn bobbin và 3 cuộn dây
kích thích bên trong ống.

22


Quan sát hình 2.14a, các thành phần mật độ từ thơng Ba, Bb và Bc vng góc
với mặt phẳng của mỗi cuộn dây tương ứng AX, BY và CZ. Vectơ mật độ từ thông
tổng hợp B với biên độ không đổi, quay cùng tần số với nguồn kích thích. Từ
trường quay trong mặt cắt ngang của ống chủ yếu theo hướng xun tâm, tạo ra
dịng điện xốy trong thành ống, dòng điện này chảy vòng quanh trục hướng tâm,
làm cho đầu dò nhạy cảm với các vết nứt ở mọi hướng như thể hiện trong Hình 2.15

Hình 2.20. Dịng điện cảm ứng trên thành ống sinh ra bởi từ trường quay

Tín hiệu phản hồi về các khuyết tật được thu bằng cuộn bobbin ở trung tâm,
như thể hiện trong hình 2.14(b). Bất kỳ khuyết tật nào trong thành ống, dọc theo
trục hay theo chu vi của ống làm xáo trộn dịng điện xốy cảm ứng và tạo ra một
thành phần dọc trục của từ trường điều đó sẽ tạo ra điện áp trong cuộn dây bobbin.
Điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin sẽ gần bằng 0 nếu khơng có khuyết tật nào trên
thành ống.
Mặc dù biên độ của điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin thay đổi tỷ lệ thuận
theo độ sâu của khuyết tật nhưng pha của điện áp cảm ứng hầu như không đổi. Pha
của điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin có thể được sử dụng để ước tính vị trí của
khuyết tật theo chu vi trong thành ống. Hình dưới thẻ hiện vị trí tương ứng ở các
góc 0o, 45o, 90o, 135o, 180o, 225o, 270o và 315o xung quanh chu vi của thành ống

23


Hình 2.21. Vị trí của các lỗ vng theo chu vi trên thành ống

Biên độ của điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin do các vết nứt chu vi tạo ra
nhỏ hơn một bậc so với biên độ do các vết nứt dọc trục tạo ra

 Đầu dò mảng (Array Probe)
Các đầu dò mảng trên thị trường bao gồm: C-probe, X-probe, smart probe và
intelligent probe
Một đầu dị mảng điển hình bao gồm một loạt các cuộn dây pancake. Các cuộn
pancake này tạo thành các kênh riêng biệt theo trục và theo chu vi của ống (axial
and circumference channels separately) tại các khoảng thời gian khác nhau. Hình
2.17(a) và 2.17(b) cho thấy các kênh kênh theo trục và theo chu vi ống của một đầu
dò mảng.

Các khuyết tật dọc trục làm nhiễu loạn dịng điện xốy gây ra bởi cuộn dây
phát của kênh dọc trục và được phát hiện bởi 2 cuộn dây thu của kênh này. Các
khuyết tật theo chu vi ống cắt dịng điện xốy gây ra bởi cuộn dây phát của kênh
chu vi và cũng được phát hiện bởi 2 cuộn dây thu tương ứng
Các cuộn dây phát được kích hoạt bởi nguồn xoay chiều có dải tần khác nhau.
Các cuộn dây thu xuất hiện một hiệu điện thế cảm ứng do sự thay đổi của từ thông
qua cuộn dây. Đáp ứng của đầu dò mảng đối với các khuyết tật định hướng khác
nhau có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao hơn và nhanh hơn 10 lần so với đầu dò
xoay.

24