涡流检测-第3章(31节)

涡流检测第3章基本原理钢铁研究总院范弘3.1涡流检测基本原理3.1.1涡流及其趋肤效应3.1.2阻抗分析法3.1.2.1线圈的阻抗及其归一化3.1.2.2穿过式线圈检测金属棒材3.1.2.3穿过式线圈检测金属管材3.1.2.4内插式线圈检测金属管材3.1.2.5放置式线圈3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析3.1.1涡流及其趋肤效应⑴涡流涡流检测基本原理：当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于激励线圈磁场的作用，试件中会产生涡流，而涡流的大小、相位及流动形式受到试件导电性能的影响；同时产生的涡流也会形成一个磁场，这个磁场反过来又使检测线圈的阻抗发生变化。通过测定检测线圈阻抗的变化，就可以判断出被测试件的性能及有无缺陷等。3.1.1涡流及其趋肤效应⑵趋肤效应与透入深度趋肤效应：电流随着深度的增加而衰减、明显地集中在导体表面的现象称为趋肤效应。金属内的磁场强度和涡流密度均呈指数衰减，衰减的快慢程度取决于金属的电磁特性（、）及交变磁场频率f。为说明趋肤效应程度—渗透深度：规定磁场强度和涡流密度的幅度降至表面值的1／e（约36.7％）处的深度，称作渗透深度。－1／·m；－H／m；f－Hz；－m。xfxeIIπ0f1⑵趋肤效应与透入深度对于非铁磁性材料μ=μrμ0＝μ0＝4π×10-7H/m（μr＝1）金属中磁场和涡流的渗透深度与金属的电导率、磁导率及交变磁场的频率f成反比。电导率越大趋肤效应越强。〔例〕在相同f下，由于铅＜铜＜银，所以铅＞铜＞银，即银的趋肤效应更明显。磁导率越大趋肤效应越强。〔例〕在相同f下，由于铁＞＞铜，所以铁＜＜铜。但如将铁饱和磁化，使r＝1，而铜＞铁，其渗透深度反而大于铜。频率f高的渗透深度浅。f5033.1.1涡流及其趋肤效应3.1.1涡流及其趋肤效应⑵趋肤效应与涡流透入深度在渗透深度以下分布的磁场和涡流较小，并非没有磁场和涡流存在。在涡流探伤中，金属表面的涡流密度最大，检测灵敏度高；深度超过渗透深度，涡流密度衰减至很小，检测灵敏度低。3.1.1涡流及其趋肤效应⑶金属圆棒中的趋肤效应位于均匀交变磁场H0的金属圆棒中磁场强度和涡流密度的分布曲线。棒材表面的磁场强度大于中心磁场强度，随频率比f／fg＝2r2f的变化而改变，f／fg值越大，磁场的趋肤效应越明显。在棒材中心的磁场强度并非为零。圆棒中心处的涡流密度总是为零。磁场强度分布涡流密度分布涡流检测方法是从检测线圈的感应电压推断试件的质量情况。因此，首先需要了解检测线圈中感应电压产生的过程以及感应电压的形式。3.1.2.1线圈的阻抗及其归一化⑴线圈的阻抗（感应电压）空心线圈的感应电压假设检测线圈的激励绕组中通有频率为f的交流电流，产生轴向的交变磁场H0。当检测线圈中无试件（即空心）时，线圈中的磁感应强度为：根据法拉第定律计算出测量绕组中的感应电压：V03.1.2阻抗分析法00HB3.1.2阻抗分析法3.1.2.1线圈的阻抗和归一化阻抗⑴线圈的阻抗（感应电压）含有试件的线圈的感应电压检测线圈中放入试件后，由于电磁感应作用，在试件中的磁场呈衰减分布。这种衰减分布可用一个变化的函数—有效磁导率eff—来描述。圆棒中的磁感应强度：仿照空心线圈情况，有试件存在时测量绕组中的感应电压：真实磁场强度分布00reffHB假想物理模型0effrVV3.1.2阻抗分析法3.1.2.1线圈的阻抗及其归一化⑴线圈的阻抗（感应电压）有试件存在时的线圈感应电压与空心时的线圈感应电压具有相似的形式，不同的只是其中增加了一个有效磁导率eff。有效磁导率eff是一个复数，由实部和虚部组成，其绝对值小于1（︱eff︱≤1）。有效磁导率eff的变量是f／fg，其中：称为特征频率。fg的单位是赫兹（Hz）。—1／·m，r的—m。特征频率fg既不是涡流检测中所能使用的最大或最小检测频率，也不是最佳检测频率。是用来鉴别特定检测对象电磁特性的特征值。221rfg3.1.2阻抗分析法频率比f／fg是有效磁导率eff的唯一的独立变量，每赋予f／fg一个值，都可以得到一个对应的eff值。表中列出了对应于不同f／fg值的有效磁导率eff的虚部和实部的数值。f/fgeff实eff虚01.0000.00010.9800.12220.9260.22330.8530.29840.7740.34550.6990.36960.6360.37770.5810.37680.5360.36990.4990.360100.4680.349150.3700.300200.3180.266500.2010.17801000.1420.1311500.1160.1092000.1000.0954000.0710.06810000.0450.0443.1.2.1线圈的阻抗及其归一化⑴线圈的阻抗（感应电压）3.1.2阻抗分析法3.1.2.1线圈的阻抗及其归一化⑴线圈的阻抗（感应电压）实际中，测量绕组直径D大于圆棒直径d。测量绕组中感应电压：称检测线圈的填充系数：等于圆棒截面积与测量绕组截面积之比，表示圆棒填充线圈的程度。（1－＋reff）项：乘以“空心”线圈电压V0即得到有圆棒时电压。当＝1时：（1－＋reff）＝reff，就是圆棒充满线圈时的情况（圆棒完全充满线圈是非完全充满的特殊状态）。)1(effr0VV2)(Dd3.1.2阻抗分析法3.1.2.1线圈的阻抗及其归一化⑵线圈阻抗（感应电压）的归一化计算检测线圈感应电压的目的：从电压的情况推断被检试件的情况。而对线圈本身的特性不感兴趣，分析时予以去除。（1－＋reff）项包括了对涡流检测有影响的所有因素：①由被检试件物理性质（、r、d）决定的特征频率fg；②作为检测条件的检测频率f；③由频率比f／fg决定的有效磁导率eff；④由试样直径d和检测线圈内径D决定的填充系数。经上述处理后，既保留了被检对象的所有参数，又与线圈本身特性的空心线圈电压V0及决定V0的变量（如线圈直径D、匝数N等）无关。effr01VV3.1.2.1线圈的阻抗及其归一化⑵线圈阻抗（感应电压）的归一化归一化处理的阻抗图的特点:①消除了检测线圈激励绕组电阻和电感的影响，具有通用性。②阻抗图曲线仅与被检测因素（如、r、d等）有关。③阻抗图描绘出各因素对阻抗的影响规律，为涡流检测选择检验的方法和条件了参考依据。④阻抗图形具有统一的形式和可比性。⑤归一化处理后的线圈阻抗（电压）变成了无量纲的量。3.1.2阻抗分析法3.1.2阻抗分析法3.1.2.1线圈的阻抗及其归一化⑶检测线圈感应电压与阻抗的关系归一化感应电压的数值和归一化阻抗的数值是完全相同的，且它们都等于参数项（1－＋reff）。在涡流检测中，经常用到三种平面图：归一化阻抗平面图、归一化电压平面图和有效磁导率平面图。三者彼此等价，具有上式所示关系。在特定的＝1、r＝1的情况下，有关系：effr001VVZZeff00VVZZ3.1.2阻抗分析法3.1.2.2穿过式线圈检测金属棒材影响线圈阻抗的独立变量只有两个：①由试件性质（、r、d）和检测频率f决定的频率比f／fg；②由试件直径d和线圈直径D决定的填充系数。⑴非铁磁性棒材非铁磁性金属有r＝l，此时的归一化阻抗：电导率只出现在决定eff值的变量f／fg内，故和f／fg对Z/Z0具有同等的影响效力。在阻抗图中变化与f／fg变化在同一（切线）方向。可以利用涡流检测的方法测定材料的电导率和进行材质分选等工作。effr01ZZeff01ZZ3.1.2阻抗分析法⑴非铁磁性棒材当棒材直径d变化时，对线圈阻抗影响是双重的：eff的变量f／fg填充系数在阻抗图中直径变化和电导率变化方向是不同的（虚线方向）。利用相敏技术可以把电导率变化从直径变化中分离出来。3.1.2.2穿过式线圈检测金属棒材3.1.2阻抗分析法⑵铁磁性棒材对铁磁性金属，由于r＞＞1，归一化阻抗：磁导率变化效应发生在图中的弦向曲线的方向。它与电导率变化方向不同，具有良好的可分辨性。在阻抗图中r的变化和d的变化在同一方向上。故要区分相对磁导率变化和直径变化是不可能的。effr0ZZ3.1.2.2穿过式线圈检测金属棒材3.1.2阻抗分析法3.1.2.3穿过式线圈检测金属管材线圈归一化阻抗：填充系数：⑴非铁磁性薄壁管有效磁导率eff基本曲线是一个直径为1的半圆。特征频率：图中弦向分布的曲线表示外径do变化的效应方向。如外径do不变，则电导率、内径di和壁厚W变化的效应方向彼此相同，是一族半圆曲线。不同的do（即不同的）值，对应于不同的半圆曲线。最外面的半圆相当于do＝D（即＝1）的情况。effr01ZZ2o)(DdWdfig66.503.1.2阻抗分析法有效磁导率曲线归一化阻抗图3.1.2.3穿过式线圈检测金属管材⑴非铁磁性薄壁管3.1.2阻抗分析法3.1.2.3穿过式线圈检测金属管材⑵非铁磁性厚壁管特征频率（与实心圆棒相同）：内径变化影响：起初假设是实心圆棒，线圈阻抗值在半圆曲线上。之后设想沿圆棒轴线钻一个孔，不断扩大孔径di，当壁厚W减小到零时，阻抗落在＝1（空心圈阻抗）位置上。图中的实线表示在频率比f／fg分别为4、9、25、100时，管子从实心变到壁厚为零的阻抗变化。在这些曲线上，和do保持不变，只有di和W的变化。图中虚线是连接相同的di/do值而不同的f／fg值的各点而成。它表示了在di、do不变情况下，（或f）变化引起的阻抗变化方向。2og66.50df3.1.2阻抗分析法厚壁管特性变化对阻抗影响有效磁导率曲线3.1.2.3穿过式线圈检测金属管材⑵非铁磁性厚壁管3.1.2阻抗分析法⑴非铁磁性薄壁管与非铁磁性薄壁管阻抗曲线同。在理想薄壁管情况下，涡流磁场的趋肤效应可以忽略。不论对内插式线圈还是穿过式线圈，在管子内部产生的磁场分布是相同的。⑵非铁磁性厚壁管特征频率：填充系数：2ig66.50df2i)(dD3.1.2.4内插式线圈检测金属管材3.1.2.5放置式线圈⑴提离效应线圈与工件之间距离变化引起检测线圈阻抗变化。涡流检测时，提离效应影响很大，可用电学方法予以抑制；也以利用提离效应测量金属表面涂层或绝缘覆盖层的厚度。⑵边缘效应当线圈移近工件的边缘时，涡流流动的路径发生畸变，产生“边缘效应”干扰信号。边缘效应信号远大于超过检测信号。3.1.2阻抗分析法3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析⑴影响线圈阻抗的因素①与线圈自身有关的因素：线圈的半径R、长度l、匝数N和自感L0。②与试件有关的因素：电导率和磁导率r；试件的形状和尺寸，如圆棒的直径d、管子的内外径dido和壁厚W等。③与线圈和试件间相对位置有关的因素：提离间隙h、填充系数。④缺陷：裂纹、折叠和划道等。⑤与检测条件有关的因素：检测频率f。3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析⑵涡流检测的模型试验和相似性定律在很多场合，检测因素引起的线圈阻抗变化，很难用数学计算求取，也不能直接利用实物进行实测来获取，比如试件内部的缺陷。在这种情况下，需采用“模型试验”研究线圈的阻抗变化特性。模型试验：用一根充满水银的玻璃管，外面绕上线圈，在充满水银的玻璃管中放入任何形状的绝缘片，以模拟各种不连续性缺陷，测量线圈的感应电压（阻抗）及其变化。3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析⑵涡流检测的模型试验和相似性定律线圈阻抗决定于和f／fg，原因：线圈阻抗决定于和eff，而eff仅由f／fg大小确定。线圈阻抗的相似性定律：对于二个不同的被检物体，假若各自对应的填充系数和频率比f／fg相同，则引起的线圈阻抗相同。阻抗相似条件：相似性定律为模型试验的合理性提供了理论依据。2111DdDd22222211