涡流检测-第2章.

涡流检测第2章物理基础钢铁研究总院范弘2.1材料的磁特性2.2正弦交流电2.3电磁感应原理第2章涡流检测的物理基础2.1.1材料的导电性⑴金属导电的物理本质☻自由电子的定向流动形成电流☻依据材料导电能力的分类：导电体、半导体、绝缘体⑵电流和电阻☻欧姆定律I－安培（A）U－伏特（V）；R－欧姆（）。☻电阻和材料导电性能描述电阻率－欧姆·米（·m）电导率：描述金属导电性能的物理量－1／欧姆·米（1／·m）。2.1材料的电磁特性RUIRUIRUISlRSlR12.1.1材料的导电性⑵电流和电阻在工程技术中还可用IACS（国际退火铜标准）单位来表示电导率，这种单位规定退火工业纯铜（电阻率在温度20℃时为）的电导率作为100%IACS。则其它金属的电导率用它的百分数表示：电阻率值愈小，电导率值愈大，材料的导电性能就愈好。一些常用金属材料的电阻率、电导率及温度系数见表1-1。2.1材料的电磁特性2.1.1材料的导电性⑶影响金属导电性的主要因素①温度的影响温度升高导致自由电子与金属晶格中的正离子碰撞加剧，使电阻增大。R为温度T时的电阻，R0为温度T0时的电阻，为电阻温度系数。001TTRR2.1材料的电磁特性2.1.1材料的导电性⑶影响金属导电性的主要因素②杂质的影响纯金属具有规则的晶格，因此电阻率很小。杂质（即使含量极少）会导致金属晶格的畸变，造成电子散射，使电阻率增加。③应力的影响在弹性范围内单向拉伸或者扭转应力能提高金属的电阻率。应力使电阻率增加，其原因是在拉伸时应力使原子的间距增大。2.1材料的电磁特性2.1.1材料的导电性⑶影响金属导电性的主要因素④形变的影响金属冷加工引起的变形对电阻亦有影响，其原因是冷加工使晶体点阵发生了畸变或产生缺陷，造成电场的不均匀性，从而导致电子波散射的增加。⑤热处理的影响金属经冷变形后，强度和硬度增高，导电性降低。退火后，其电导率可得到恢复。2.1材料的电磁特性2.1.1材料的导电性⑷典型材料的导电性橡胶、油漆、金属氧化物、塑料、搪瓷等是非导电材料。银、铜、铝、铁、钛等是金属常见是良好导电材料。纯金属时，导电能力依照上述列出的顺序依次降低；合金材料时，导电能力发生很大的变化。石墨具有一定的导电能力，与硅、锗元素同属半导体。2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑴磁场与金属的磁化磁铁的周围存在着磁场，磁场对置于其中的磁针产生力的作用。电流也在其周围空间产生磁场。电流产生的磁场对置于其中的磁极和电流有力的作用。磁场强度H描述磁场的强弱。在国际单位制中，H的单位是安培／米（A／m）。在工程上，磁场强度的单位还用奥斯特（Oe）表示，1A／m＝4×l0－3Oe。磁场的分布可用磁力线来描述。磁力线上每一点切线方向就是该点的磁场方向；磁场强的地方磁力线较密，磁场弱的地方磁力线较疏2.1材料的电磁特性2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑴磁场与金属的磁化在涡流检测中，在检测线圈中通入电流，就会在线圈内部和周围空间产生磁场，它的磁力线方向与导线中电流的流动方向有关，按右手定则来确定。如果线圈绕制得足够细长（即线圈的长度＞＞线圈的直径），线圈中间部位的磁场是均匀的，可用下式计算：IlNH2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑴磁场与金属的磁化在空间的磁场中放入一种金属，金属内部的磁场与原磁场相比发生了变化，有些有色金属（如金、银、铜）会使磁场减弱，而有些有色金属（如铝、锰、铂）会使磁场增强，钢铁则会使磁场急剧增加。不同的金属在同一磁场的作用下具有不同的磁性，这种现象称为金属的磁化。不同的金属在相同磁场中产生不同磁性的原因是，处于磁场中的金属在磁场的作用下，其内部产生了一个附加磁场，金属中的总磁场是空间磁场与附加磁场之和，不同金属在相同磁场作用下产生的附加磁场不同，从而使金属中的磁场各不相同。2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑴磁场与金属的磁化为描述金属的磁化状态，引入物理量磁感应强度（或称磁通密度）B。B单位是特斯拉（T）。在工程上，B单位是高斯（Gs），1T＝104Gs。磁感应强度B与磁场强度H的关系是：叫金属的磁导率，它是表示金属磁特性的物理量，反映了金属被磁化后对磁场的影响程度。磁导率可以写成：0是真空磁导率，在国际单位制中0＝4×10－7亨利／米（H／m）；r是金属的相对磁导率，表示各种金属相对于真空的导磁性能。r是一个没有单位的纯数。如果线圈周围是真空，则r＝1。HB0r2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑴磁场与金属的磁化引人磁感应强度概念后，可将金属中的磁化状态用磁感应强度来描述。如果在线圈中置入一个金属圆棒，则金属圆棒内的磁感应强度为：金属中的磁感应强度与磁场强度不同，不仅与场源——电流强度I和导线的密度N/l——有关，还与金属的种类（r值）有关。即磁化电流在不同的金属中会产生不同的磁感应强度。IlNBr02.1.2材料的磁特性⑴磁场与金属的磁化为了使磁力线能够定量地描述磁场，规定磁力线的密度如下：通过某点处垂直于B的单位面积的磁力线的条数等于该点的B的数值。简而言之，磁感应强度B就是磁力线的密度。这正是B的另一个名称——磁通密度——的由来。通过一给定面的总磁力线数，称为通过该面的磁通量，用表示。在磁场中设想一个面积S，它与磁感应强度B垂直。根据磁通量的定义，通过S的磁通量为：2.1材料的电磁特性BS2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑵金属的磁特性金属就其磁性来说可分为三类：顺磁质：r＞1，如铝、锰、铂等为顺磁质；抗磁质：r＜1，金、银、铜等为抗磁质。大多数顺磁质和抗磁质的r值与1相差甚微，把它们统称为非铁磁质或非铁磁性金属。常见的有色金属属于这一类物质。铁磁质：r＞＞1，其数量级为102～103，甚至106以上。一般黑色金属和它们的许多合金属于这一类物质，但奥氏体不锈钢除外。2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑵金属的磁特性铁磁性金属不仅相对磁导率很大，而且它不是恒量而是随磁场强度H变化。如果把铁磁性金属的磁化规律用B－H曲线描绘，如下图所示。当外磁场H增加时，开始阶段B增加很慢；第二阶段B增加得很快；第三阶段B的增加缓慢下来。过了m点，当外磁场再增加时，B基本不再增加，这个现象叫做铁磁材料的磁饱和。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线为铁磁性材料的初始磁化曲线。2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑵金属的磁特性当铁磁材料达到磁饱和后，如将磁场去掉（即H＝0），金属的磁化状态并不恢复到原来的起点O，而是保留一定的磁性，称剩磁Br。要使金属的磁感应强度减到0，必须加一相反方向的磁化场。使金属完全退磁所需反向磁场H的大小，称为矫顽力Hc。如反向磁场继续增大，金属沿反方向磁化，直到饱和。当磁化场H在正负两个方向上往复变化时，金属的磁化经历一个循环的过程，这条闭合曲线叫铁磁性金属的磁滞回线2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑵金属的磁特性铁磁性金属显示出独特的磁化性质的原因是金属内部有磁畴存在。在铁磁性金属中，原子磁矩在一个个小的区域内按某一方向平行排列，这种小区域称为磁畴。在磁畴内，各原子的磁矩方向一致，因此具有相当强的磁性。但是，在没有外加磁场的情况下，磁畴在铁磁金属内部的方向是任意的，因此，它们各自的磁性相互抵消，就整体来说，不显出磁性。2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑵金属的磁特性当把铁磁金属放到外磁场中时，磁畴就会受到外磁场的作用，磁畴的边界会发生移动，并会向外磁场的方向转动。最后，全部磁畴都转向外磁场方向，这就是铁磁性金属的磁化。铁磁性金属磁化后，就相当于一块磁铁，显示出很强的磁性。去掉外磁场后，磁畴出现局部转向，但仍保留一定的剩余磁性，即剩磁2.1材料的电磁特性2.1.2材料的磁特性⑶影响金属导磁性能的因素①加工铁磁性材料由冷加工、淬火热处理、掺入微量元素等引起的晶格变化，会阻碍磁畴壁的移动，而使磁导率r降低。如果进行退火热处理，消除这些因素的影响，磁导率r就上升。②温度在高温下，铁磁材料中的分子热运动会破坏磁畴的有规则排列，使铁磁材料的磁性削弱。超过某一温度后，磁畴将全部瓦解，铁磁材料的磁性也就全部消失，实现了材料的退磁。这一临界温度称为居里温度或居里点。从居里点以上的高温冷却下来后，只要没有外磁场的影响，材料仍然处于退磁状态。2.2正弦交流电2.2.1正弦交流电的基本概念⑴频率：正弦交流电在单位时间内作周期性变化的次数称为频率f。频率的单位叫赫兹（Hz）。角频率ω与频率f的关系是：正弦交流电完成一次周期性变化所需要的时间称为周期T。周期的单位是秒（s）。周期T与频率f的关系是：)sin(vtVv)sin(itIif22ffT1Tf1或或2.2正弦交流电2.2.1正弦交流电的基本概念⑵幅值：v和i分别称为正弦交流电压和电流的瞬时值，它们描述正弦交流电随时间变化的幅度。式中的V和I分别称为峰值或幅值，它们描述正弦交流电瞬时值随时间变化所能达到的最大幅度。v和V的单位是伏特（V）；i和I的单位是安培（A）。⑶相位：式中的t+v和t+i分别称正弦交流电压和电流的相位，其中v和i叫初相位。相位和初相位的单位都是度（°）或弧度。正弦交流电的相位是决定其瞬时变化状态的物理量。如果两个交流电之间有相位差，表示它们变化的步调不一致，相位差为正时表示相位超前，为负时表示相位滞后。tVvsin11)2sin(22tVv)2sin(33tVv2.2正弦交流电2.2.2正弦交流电路的阻抗在直流电路中只有电阻一种元件。电阻R表示电阻元件对电流阻碍作用的大小。反映电阻与电压和电流三者之间的关系是欧姆定律。交流电路中有电阻和电感等多种元件，这些元件的性能有明显的差别。交流电压、电流之间不仅有幅度大小的关系，还有相位关系。IVRIVZiv2.2正弦交流电2.2.2正弦交流电路的阻抗⑴纯电阻电路①其交流阻抗ZR就是它的电阻R；②电压和电流的相位一致。⑵纯电感电路①电感的感抗与频率成正比；②电感上电压的相位超前电流90°。⑶电阻和电感的串联电路①串联电路的总阻抗为电阻和感抗的矢量和；②串联电路总电压的相位超前电流。RZR0ivLIVZLLL2iv22)(LRIVZRLtgiv12.2正弦交流电2.2.3正弦交流的矢量表示方法基本原则：把所有的正弦量用平面上的一个矢量或一个点来表示。正弦交流电压和阻抗都可以用这种方法表示。)sin(vtVv图中点与坐标原点的连线，在数值上等于交流电压的峰值V；连线与横轴之间的夹角，就是交流电压的初相位v。图中的坐标横轴叫做实轴，纵轴叫做虚轴。电压V在实轴上的分量称为电压的实部，以V实表示；电压V在虚轴上的分量称为电压的虚部，以V虚表示。如图所示的平面图称为电压图。2.2正弦交流电2.2.3正弦交流的矢量表示方法阻抗图：坐标横轴表示阻抗的实部（即电阻），纵轴表示阻抗的虚部（即感抗）。纯电阻、纯电感以及电阻和电感串联电路的阻抗平面图。纯电阻电路：ZR＝R和＝0，可用横轴上的ZR点表示；纯电感电路：ZL＝ωL和，可用纵轴上的ZL点表示；电阻和电感的串联电路：和，可用平面中的z点表示222)(LRZRLtg12.3电磁感应原理2.3.1电磁感应定律电磁感应：在一个闭合的导电回路中，当通过这回路所包围面积内的磁通量发生变化时，回路中就产生电流，这种电流称为感应电流。由于磁通量的变化而产生电流的现象称为电磁感应。2.3电磁感应原理2.3.1电磁感应定律楞次定律：闭合回路中感应电流的方向，总是企图使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。法拉第电磁感应定律：当穿过闭合回路中的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量的时间变化率成正比：式中的负号代表感应电动势的方向，是楞次定律的数学表示。从法拉第定律知道，穿过闭合回路中的磁通量的变化率越大