第五章涡流检测

第五章涡流检测涡流是当金属导体处在变化着的磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应作用而在金属导体内产生的旋涡状流动电流。(我们在实践中会遇到一些涡流现象，如金属存在电阻，当电流流过金属导体内时会产生焦耳热。工业上利用这种热效应制动了高频感应电炉来冶炼金属。这种电炉的炉壁上绕有线圈，当线圈接通高频大功率电源时，炉体内随之产生很强的高频交变磁场。在炉体放置一定数量的金属，金属中便产生强大的涡流致使金属被加热至熔化。)涡流检测具有以下特点：①由于检测是以电磁感应为基础的，探头线圈不需接触工件，因此检测速度快。（对管、棒材。每分钟可检测几十米，线材可检测几百米实）易于实现自动化检测。②对工件表面和近表面的缺陷，有较高的检测灵敏度。③能在高温状态下，对管、棒、线材和坏料等进行检测。④涡流检测技术是一种多用途的检测技术，除探伤外，还能测量工件、涂层的厚度、间隙以及工件的机械和冶金性能等。⑤能提供缺陷的信息。⑥实验结果可与检测过程同时得到，记录可长时期保存。由于感生涡流渗入工件的深度与频率的平方根成反比（感生涡流具有趋肤效应）。这个深度不大，因此，涡流检测目前只能检测表面及近表面的缺陷。另外，因为影响涡流检测的因素如导电率、磁导率、缺陷、工件形状和尺寸以及探头线圈与工件之间的距离等，要取得所希望得到的检测参数，需要较复杂的信息处理技术。还有涡流检测对复杂表面的检测效率低。第一节涡流检测的物理基础一、材料的导电性(一)材料的导电率根据欧姆定律，沿一段导体流动的电流强度与其两端的电位差成正比。即：RUI根据一定材料的导体，它的电阻与导体长度(L)成正比，与导体的截面积(S)成反比。即：SLR我们称ρ为导体的电导率单位为：(Ω·mm2/m)或(μ·Ω·cm)(二)影响电导率的因素1．杂质含量如果在导体中掺入杂质，杂质会影响原子的排列，引起电阻率的增加。2．温度随着导体的温度升高，导体内的原子热振动加剧，自由电子的碰撞机会增加，电阻率随之增加。3．冷热加工材料的冷热加工，可能产生内应力而使原子排列结构变形。这时，电子受到碰撞次数增加，电阻率也会上升。4．合金成份对于固溶合金(杂质在基体金属内均匀分布)，一般说来电阻率随着合金成分的增加而增加。二、材料的磁特性(一)磁场及其量度(略)(二)电流产生的磁场(略)(三)材料的磁特性(略)(四)影响磁导率的因素1．化学成份和热处理状态材料的化学成份和热处理状态不同，表现的磁导率也不同。如不同含碳量的碳钢，在退火状态比淬火材料磁导率要高，而随着含碳量的提高，相对磁导率也会降低。2．冷加工如300系列不锈钢非磁性的奥氏体钢经冷却加工后形成马氏体相，就会增加磁导率。相反，大多数铁磁材料的导磁率会减小。3．温度各种磁性材料的居里点：铁(769℃)、钴(1118～1124℃)、镍(353～358℃)、钇(16℃)、渗碳体Fe2C(215℃)、硫化铁FeS(320℃)、四氧化三铁Fe3O4(575℃)、三氧化二铁Fe2O3(620℃)、软磁铁氧体(50～600℃)三、电感感应(一)电感感应现象楞次定律：闭合回路中产生的感应电流有确定的方向，它所产生的磁通总是企图阻碍原来磁通的变化。(二)电磁感应定律闭合回路(螺线管回路)中产生的感应电流，是由于这回路中有电动势存在。法拉第最先确定了这种电动势的大小和磁能量变化间的数量关系。法拉第根据能量守恒定律推导得出：dtd式中：ε－感应电动势dφ/dt－是磁通随时间的变化量上式为单匝线圈的回路，对于n匝线圈的回路其电电势为：dtdφn-＝在MKS单位制中，各物理量的单位如下：ε－伏特、n－匝、dφ－韦伯、dt－秒(三)自感应现象在任意闭合回路中，当接有线圈和负载时，回路中的电流在空间作一点所产生的磁感应强度，和电流强度成正比，因此，磁通量也和电流成正比。即有：φ=L0·I比例系数L0叫做回路中的自感系数，它与回路的几何形状、大小、匝数及回路中的介质有关。自感系数的常用单位是享利。回路中的自感电动势ε0的关系式为：tI-L00(四)互感应现象如果有两个螺线管线圈的闭合回路靠在一起，当第一个通上电流I1，在第二个回路中就会产生感生电流。如果第二回路的互感系数为L21(享利)，在第二回路中产生的感生电动势ε2，则有：dtdI-L1212第二节涡流检测的基本原理一、涡流的产生及其数学表达式将两上线圈作中安排，当线圈1中通过变化电流时，会在另一个线圈中产生感生电动势。如果线圈2是闭合的，就会有电流流过。若用金属板来取代线圈2，这时金属板的匝数相当于1，电阻为R(电阻很小)的一个线圈，在金属板内同样会产生感生电流。由于这种电流的形状呈旋涡状，故称为涡流。涡流现象可用下面的数学等式进行描述：如果通过探头线圈的电流是正弦电流，则有：t)sin(I0pi该电流所产生的磁通量φp与线圈的圈数N和电流ip成正比：φp∝N·ip如果探头线圈靠近工件，工件中将会产生涡流：ssZMis式中：M－线圈和试件的互感Zs－试件的阻抗μs－试件的磁导率试件当中的电导率、磁导率、缺陷以及厚度等尺寸的变化都会引起Zs的改变，所以通过检测is的变化就可以检测工作的材质、尺寸和完整性。根据楞次定律，涡流磁场和探头线圈所产生的磁场相反，故总的磁通量为：SPE-式中：φS是涡流产生的磁通；φP是线圈产生的磁通；φE是在探测试件时线圈中的总的磁通量。涡流的减少，引起线圈磁通量的减少，就等于线圈阻抗的减少。二、涡流的基本性质1．在垂直于磁力线的平面内流动，呈旋涡状，通常涡流的流动路径平行于线圈的线阻，也平行于工作表面（决定于探头线圈的结构）。涡流仅局限于变化磁场存在的区域。2．因为感应电动势与磁感应的磁通量的变化速度成正比，所以磁场变化愈快，即交流电流的频率愈高，所产生的涡流愈大。3．交流电流的频率还决定了涡流在试件中流动的深度。我们所它叫穿透深度，随着频率的升高，穿透深度减小，涡流的分布均集中在试件的表面。（产生趋肤效应的原因是：工件中不同深度流动着的涡流都要产生一个与原磁场相反的磁场，这使得总的磁通量减少并随着深度的增加涡流也大大的消弱。换句话说，靠近表面的涡流可以看作为对线圈磁场的屏蔽，因而随着深度的增加减弱了磁场并减少了感生电流。）4．如果在无限大的平面导体内，涡流密度随着深度的增加呈指数地减小。三、缺陷信号的接收缺陷所产生的信号取决于受缺陷影响的电流信号的幅度和相位。位于表面比较小的缺陷和内部比较大的缺陷可能在线圈阻抗幅度上产生同样的变化。但是因为信号随深度变化产生相位滞后，这将是线圈阻抗矢量不同的特征，这一效应能帮助确定缺陷的位置。对于无限厚的材料：)(X弧度当X为1mm时：57X式中：X－表示离表面的距离β－表示表面的涡流信号和表面下的距离X处的涡流信号之间的相位差当X等于穿透深度δ时，即为1mm时，相位滞后为57°，或者一个弧度。如果δ穿透深度为以上2倍时（2mm），则反馈信号的涡流相位滞后表面涡流相位.114°。在有限厚度的试件中，涡流相位滞后和标准相位滞后相比稍小一些。相位滞后在涡流检测信号分析中起着重要的作用。（这里的相位滞后不要误解为交流中电压和电流之间的相位角，实际上，感应电流和感应电压随着深度的变化都有相位滞后的问题。）第三节涡流检测设备一、探头及其阻抗涡流检测是通过测量涡流在工件中的流动分布来实现的。涡流的流动和分布是间接地测量探头的阻抗来完成的。所以，有必要讨论一下探头的基本结构及其阻抗。简单的涡流探头就是一只线圈，是一个电感和电阻串联的电路，电感表示线圈的电抗部分，而电阻表示线圈中导线及其电缆的电阻。在涡流检测中，如果探头线圈接近工作之后，探头的电阻分量或抗分量的改变都会改变阻抗矢量端点ρ的位置，ρ点通常称为“工作点”。2．接触工件后的探头模型检测探头线圈靠近或放置在工件上时，线圈可以被看成是变压器的初级绕组。交流在线圈中所产生的磁场在工件中感应出涡流，这时工件的作用正如一个单匝的次级线圈绕组。涡流产生的磁场将线圈中的磁通φp减弱。如果工件中有缺陷或者材质、尺寸的变化，会引起Zs改变，可以通过测量探头线圈两端的电压Vp(Vp=TpZp)来“感知”Zs的变化。根据变压器工作原理，Zp随次极的负载而变化，所以通过测量Zp可以得到次极负载中（即工件）电阻分量Rs和电感分量Ls的变化。（涡流检测中有时也采用收、发探头，它使用两个线圈。）二、涡流检测仪涡流检测仪的各类仪器电路的组成有所不同，但工作原理基本是相同的。涡流检测仪的基本原理：信号发生器产生交变电流供给检测线圈，线圈产生交变磁场并在工件中感生涡流，涡流受到工件性能的影响并反过来使线圈阻抗发生变化，然后通过信号检出电路取出线圈阻抗的变化，其中包括信号放大、信号处理消除干扰，最后显示检测结果。1．振荡器振荡器的作用是产生一个交变电流(通常是正弦电流)。频率一般在1KH至几MHz，固定频率或连续可调。对于某些特殊应用，也可产生更低或更高的频率，甚至使用脉冲电流激励探头线圈。(在确定检测频率时，要考虑材质、试样尺寸等因素。)2．电桥电桥的作用是利用电桥的平衡检测功能检测探头阻抗的微小变化(因为探头经过缺陷，有时阻抗的变化还小于1%)，从而给放大器提供变化的信息信号。3．放大器放大器用于放大微弱的输入信号，提高检测灵敏度。一个较好的涡流检测仪，放大器增益可达80分贝左右。4．移相器将某一个给定的电压矢量旋转一个固定的相角的装置称为移相器，为了选择任意相角，移相器最好能进行360°移相而且保持输出辐度不变。移相器的作用主要是提供参考相位。5．相敏检波器相敏检测器的作用主要是选择控制信号的相位和干扰信号相差90°进行检波，在输出信号中消除干扰信号而保留有用信号(因为干扰信号和有用信号之间存在相位差)。(一般采用场效应管作为开关元件。)6．滤波器滤波器的作用是选择合适的通过频率来滤掉干扰信号。如探头和工件之间间隙变化、工件因加工工艺(轧、热处理、校直等)而引起的材质变化都会产生一个低频调幅波，而缺陷一般产生的是时间短的高频调制波。7．幅度鉴别器幅度鉴别器的作用是建立一个鉴别电平，这样，在此电平以下的噪声信号均可滤掉，提高信噪比，有利于缺陷信号的观察和分析，提高检测结果判断的准确性。(因为经过相位分析和频率分析以后除了有用信号外，还伴有被测信号同一数量级的杂波干扰信号，这些杂波的存在会给缺陷信号的观察带来不便。)8．显示器显示器的作用是将处理后的缺陷信号通过电表、显示屏等显示出来，给工作者提供判断缺陷的依据。9．记录装置记录装置的作用是将缺陷信号的显示存储或打印记录下来。(如果是自动化流水线的探伤，至少需要二通道以上的记录仪，才能保证记录的完整性。)