《无损检测》涡流检测课件

•涡流检测(ET)是利用涡流的集肤效应及其在缺陷处的畸变行为来发现和检测缺陷的。第3章涡流检测技术•3.1概述•3.1.1涡流检测基本原理当检测线圈中通有交变电流时，在线圈周围产生交变磁场；当此交变磁场相对导体作运动时，导体中会感生出涡状流动的电流，即涡流。利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法称为涡流检测。第3章涡流检测技术•与涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使得检测线圈的复阻抗发生变化。•导体内感生涡流的幅值，相位，流动形式及其伴生磁场受导体的物理特性影响，因此通过监测检测线圈的阻抗变化就可以非破坏性地评价导体的物理和工艺性能，这就是涡流检测的基本原理。第3章涡流检测技术•3.1.2涡流检测的特点涡流检测是一种表面或近表面的无损检测方法。由于涡流因电磁感应而生，因此进行涡流检测时，检测线圈不必与被检材料或工件紧密接触，不需要偶合剂，检测过程不影响被检材料或工件的性能。表3-1涡流检测主要用途及影响感生涡流特性的主要因素。第3章涡流检测技术•涡流检测的主要特点：（1）对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高；（2）应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工艺因素都能实施监测；（3）不需用藕合剂，易于实现管，棒，线材的高速，高效，自动化检测；（4）在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息；（5）可在高温，薄壁管，细线，零件内孔表面等其它检测方法不适用的场合实施监测；第3章涡流检测技术•3.1.3涡流检测的发展1879年，英国人休斯开始；20世纪50年代，德国人福斯特提出利用阻抗分析法来鉴别涡流检测中各种影响因素，使得涡流检测有了实质性的发展。20世纪70年代，出现了智能仪器，使涡流检测又有了很大的进步。第3章涡流检测技术•当前，涡流检测技术的研究主要在几个方面。1.多频涡流检测技术采用几个频率同时工作，能成功地抑制多个干扰因素，提取有用信号。2.远场涡流技术是一种能穿过金属管壁的低频涡流检测技术。当用一个激励线圈和一个距激励线圈约二倍管内径的较小的测量线圈同时放入被检管内，测量线圈能有效地接受穿过管壁后反回管内的磁场，从而检测管子内壁的缺陷与腐蚀。第3章涡流检测技术•3.深层涡流技术是低频涡流技术和多频涡流技术的综合。是采用较低的频率来增大涡流渗透深度，用多个工作频率来抑制不要的信息而提取有用的检测信号，从而达到检测较深部位缺陷的目的。目前用来检测飞机结构中的内表面缺陷。第3章涡流检测技术•4.磁光/涡流成像技术可对表面及亚表面的疲劳裂纹和腐蚀进行实时成像检测，具有快速，准确，结果直观，便于采用录像或摄影等保存检测结果等特点。第3章涡流检测技术第3章涡流检测技术•3.2涡流检测基础知识•3.2.1•3.2.1.1金属的导电性欧姆定律：I=U/R（3-1）R=ρ×L/S(3-2)3.2.1.2金属的磁特性物质在外磁场作用下感生出磁场的物理过程称为磁化。第3章涡流检测技术•物质磁性的大小可用磁导率μ表示，说明了物质所感生出的磁场的强度B与强度为H的外磁场的关系。即：μ=B/H(3-4)•相对磁导率μr来表示物质相对与真空的导磁性能，表达式；•μr=μ/μ0(3-5)•μ0为真空磁导率，SLRmH/10470第3章涡流检测技术•3.2.1.3电磁感应•1.电磁感应当穿过闭合导电回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中就产生电流，这种现象叫做电磁感应。回路中所产生的为感生电流，回路中所产生的感应电动势则等于所包围面积中的磁通量Φ随时间变化的负值，Ei=-dΦ/dt（3-6）其负值表明闭合回路内感应电流所产生的磁场总是阻碍产生感应电流的磁通的变化，即法拉第电磁感应定律。其感应电动势：Ei=-N*dΦ/dt（3-7）iE•2.自感应当线圈中通以交变电流（I）时，其所产生的交变磁通量也必将在本线圈中产生感应电动势，这就是自感现象，其电动势称为自感电动势（EL）。EL=-L*dI/dt（3-8）第3章涡流检测技术3.互感应当两个线圈相互接近，线圈中分别流过交变电流I1和I2时，由线圈1中的电流I1所引起的变化的磁场通过线圈2时，会在线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中的电流I2所引起的变化的磁场在通过线圈1时，也会在线圈1中产生感应电动势。这种两线圈相互激起感应电动势的现象称为互感现象，所产生感应电动势称为互感电动势。第3章涡流检测技术•在两线圈形状，大小，匝数，相对位置及周围磁介质给定的情况下，在线圈2和线圈1中产生的感应电动势：•E21=-M*dI1/dt•E12=-M*dI2/dt（3-9）第3章涡流检测技术•3.2.2涡流检测技术原理•3.2.2.1涡流检测一般原理涡流检测是建立在电磁感应基础上的一种无损检测方法。通常由三部分组成：1,即交变电流的检测线圈（探头），2,检测电流的仪器，3,被检的金属工件。第3章涡流检测技术•涡流检测实质是检测线圈阻抗的变化。当检测线圈靠近被检工件时，其表面出现电磁涡流，该涡流同时产生一个与原磁场方向相反的磁场，并部分抵消原磁场，导致检测线圈电阻和电感分量变化。若金属工件存在缺陷，就会改变涡流场的强度及分布，使线圈阻抗发生变化，通过检测这个变化就可发现有无缺陷。第3章涡流检测技术第3章涡流检测技术图3-1涡流涡流检测原理示意图•图3-2为涡流在检测工件上流动的状态，垂直于涡电流流向的裂纹阻挡了它的流动，使工件上反射磁场随之发生变化，进而导致检测线圈阻抗和电压改变而被探测出；如果裂纹的走向与涡电流的方向平行，缺陷就很难发现，因此，一般涡流检测时必须从多个方向进行检测。第3章涡流检测技术图3-2裂纹垂直于涡流流向的易被检测到。第3章涡流检测技术•3.2.2.2趋肤效应和渗透深度•当激励线圈中通以交变电流时，在试件某一深度上流动的涡流会产生一个与原磁场反响的磁场，减少了原来的磁通，并导致更深层的涡流的减少.第3章涡流检测技术•所以涡流密度随着离表面距离的增加而减少，其变化取决于激励频率，试件的电导率和磁导率，在导体横截面上的电流密度是不均匀的，其表层电流密度最大，越靠近截面的中心电流密度则越小。这种现象叫趋肤效应。第3章涡流检测技术第3章涡流检测技术•在平面电磁波进入半无穷大金属导体下，涡流的衰减公式。式（3-11）••是离工件表面x深度处工件中的涡流密度。•在涡流检测中，通常将涡流密度衰减为其表面密度的1/e（36.8%）时，所对应的深度定义为渗透深度，用δ表示。式（3-12）•可见，ｆ，μ，σ越大，δ则越小。fxoxeJJxJxJxJf1注意：（1）渗透深度是反映涡流密度分布与被检材料的电导率，磁导率及激励频率之间基本关系的特征值。（2）由式3-12，对于给定的材料，应根据检测深度要求合理选择涡流检测频率。（3）在涡流检测中，若渗透深度δ太小，则只能检测表面缺陷。第3章涡流检测技术•（4）由于被检工件表面以下3δ处的涡流密度仅约为其表面密度的5%，因此通常将3δ作为实际涡流探伤能够达到的极限深度。•（5）涡流密度的不同，表明在表层以下不同深度的缺陷将以不同的程度改变探头的阻抗，表层以下大缺陷所产生的信号幅度有可能和表面小缺陷所产生的相同。所以不能单凭信号幅度值的改变来判断缺陷的严重性。第3章涡流检测技术•图3-3为不同电导率的一些金属的渗入深度与频率的关系图。第3章涡流检测技术•3.2.2.3涡流检测线圈的阻抗分析（1）单线圈的阻抗涡流检测中的单个线圈，一般忽略线圈匝间的分布电容而用电阻和电感的串联电路来表示，图3-4。第3章涡流检测技术•串联元件两端的总电压：（3-13）向量表示为：（3-14）串联电路的交流阻抗：（3-15）在复阻抗平面图中，向量为直角三角形：（3-16）第3章涡流检测技术)2sin(sin0tLItRIVVVmmLR)(LjXRILIjIRVLjXRIVZ022LXRZRXLtan第3章涡流检测技术•图3-5复阻抗平面图图3-4涡流检测单线圈等效电路•2.藕合线圈的阻抗如图3-6，设通以交变电流的初级线圈（检测线圈）的自身阻抗为Z0当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互藕合时，由于互感的作用，影响到初级线圈中电压与电流的关系。这种影响可以通过互感，用次级线圈作用到初级线圈上的等效阻抗Ze来体现。第3章涡流检测技术•图3-6藕合线圈互感电路其中：Z=Z0+Ze称为初级线圈的视在阻抗。Z=R+jX第3章涡流检测技术第3章涡流检测技术•3.阻抗平面图•在图3-6中，若次级线圈开路，即(在涡流检测中，这相当于检测线圈尚未靠近被检测对象)。•则由式(3-17)得初级线圈(检测线圈)的空载阻抗为；•若次级线圈的•则由式（3-17）得：rRR2rRR2110LjRZZ0)1(211KLjRZ)/(2122LLMK第3章涡流检测技术•在从变化为0的过程中，(或从0增至)视在阻抗Z在以视在电阻R为横坐标，视在电抗X为纵坐标的阻抗平面图上变化，其轨迹近似为一半圆(图3-7)，即所谓初级线圈阻抗平面图：rRR2•在图3-7中，•①视在电抗X从单调递减为；（纵坐标）•而视在电阻R则由R1开始增大，经过其极大值以后，再减小为R1；（横坐标）第3章涡流检测技术1L)1(21KL2/121LKR•所以：1.在这里我们可以通过监测，初级线圈(检测线圈)视在阻抗的变化，•2.来推断被检对象(次级线圈)的阻抗，是否发生了改变，•3.来判断其物理或工艺性能变化及有无缺陷存在，是涡流检测的目的。第3章涡流检测技术•在这里要注意：①虽然阻抗平面图能直观地反映，被检对象阻抗的变化对初级线圈视在阻抗的影响，②但由于Z在图3-7上的轨迹，也会随初级线圈自身的、以及，互感耦合系数和电流频率的改变，而改变的。③若初级线圈本身的电参数略有变化，Z的轨迹也会变化。第3章涡流检测技术•为了消除初级线圈自身阻抗的变化对Z的影响（上面第③）,所以我们需要对图3-7进行规一化处理。•规一化处理：1.先将图3-7的坐标向右平移R1距离，再用去除其X和R坐标，2.使Z的半圆轨迹的直径重合在X轴上(图3-8)，轨迹上诸点位置则取决于参变量，/的实际取值。第3章涡流检测技术1L2LrRR2图3-8即是消除了初级线圈自身阻抗变化对Z的影响的图。这个处理在涡流检测中进行规一化处理中具有通用性。第3章涡流检测技术第3章涡流检测技术•3.2.2.4特征频率和有效磁导率•1.特征频率对于饶在圆柱形固体均质试件上的圆形线圈的特定情况，麦克斯威（Maxwell）方程的数学解是宗量A的贝塞耳（Bessel）函数。宗量是一个特征数它决定贝塞耳（Bessel）函数的值。（宗量就是自变量）对于带无限长导电圆棒的穿过式线圈，其宗量为(3-18)50662dfAr•为便于穿过式线圈的涡流检测分析，选择实验频率ƒ使得宗量A等于1，此时的频率称为特征频率（ƒg）。其计算公式：（3-19）注意：对于特定试件，特征频率既非试验频率的上限也非下限，也不一定是应该采用的最佳试验频率，它只是一个参考数或特征值，但它含有除缺陷外棒材尺寸和材料性能的全部信息。第3章涡流检测技术25066dfrg第3章涡流检测技术•实际的涡流试验频率ƒ可以用特征频率ƒg作为一个参考值表示为：ƒ/ƒg，这时试验频率比ƒ/ƒg可表示为：（3-20）特征频率是工件的固有特性，取决于工件的电磁特性和几何尺寸。5066/2dfffrg下面是一些特定工件的特征频率。•（1）磁性材料厚壁管的特征频率（3-19）（2）非磁性材料厚壁管的特征频率（3-21）（P118）还有其他的公式25066dfrg第3章涡流检测技术第3章涡流检测技术•2.有效磁导率在绕有线圈的圆棒中，磁场强度随与表面距离的增大而减弱，事实上在圆棒的中心上没有涡流流动。为了简化涡流检测的分析，假定外加的磁场强度H0在试件的整个截面上是均匀的，无扰动的，而磁导率在截面上沿径向变化，它所产生的磁通量等于圆柱体内真实的物理场所产生