15-涡流检测原理

6涡流检测6-1涡流检测基本原理金属在变动的磁场中或相对于磁场运动时，金属体内会感生出旋涡状流动的电流，称为涡流。涡流检测是以电磁感应为基础，它的基本原理是，当载有交变电流的线圈靠近导电材料时，由于线圈磁场的作用，材料中会感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到材料导电性能的影响，而涡流产生的反作用磁场又使检测线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，可以得到被检材料有无缺陷的结论。涡流检测只适用于导电材料，同时由于涡流是电磁感应产生的，所以在检测时不必要求线圈与被检材料紧密接触，从而容易实现自动化检测。因此，对管、棒、丝材的表面缺陷，涡流检测法有很高的速度和效率。涡流及其反作用磁场对金属材料工件的物理和工艺性能的多种参数有反应，因此是一种多用途的检测方法。然而，正是由于对多种试验参数有敏感反应，也就会给试验结果带来干扰信息，影响检测的正确进行。对涡流产生影响的因素有电导率、磁导率、缺陷、工件形状与尺寸及线圈与工件之间距离等。因此，涡流检测可以对材料和工件进行电导率测定、探伤、厚度测量以及尺寸和形状检查等。表中列举了涡流检测的几种用途涡流法还可对高温状态下的导电材料进行涡流检测，如热丝、热线、热管、热板等。尤其加热到居里点温度以上的钢材，检测时不再受磁导率的影响，可以像非磁性金属那样用涡流法进行探伤、材质检验及棒材直径、管材壁厚、板材厚度等测量。涡流检测可以广泛用于各种金属材料工件和少数非金属材料工件。与其它无损检测方法相比，涡流检测的主要优、缺点如下:优点:A)对导电材料的表面或近表面的检测，具有良好的灵敏度B)适用范围广，能对导电材料的缺陷和其它因素的影响提供检测的可能性C)在一定条件下可提供裂纹深度的信息D)不需要耦合剂E)对管、棒、线材等便于实现高速、高效率的自动化检测F)适用于高温及薄壁管、细线、内孔表面等其它检测方法比较难以进行的特殊场合下的检测缺点A)限于导电材料B)只限于材料表面和近表面的检测C)干扰因素多，需要特殊的信号处理D)对形状复杂的工件进行全面检测时效率很低E)检测时难于判断缺陷的种类和形状涡流既然是因为线圈中交变电流(又称一次电流)激励的交变磁场在金属中感应产生的，那么涡流也是交变的，同样会在周围空间形成交变磁场并在线圈中感应电动势。这样，线圈造成的磁场不是由一次电流所产生，而是一次电流和涡流共同感生的合成磁场。假定一次电流的振幅不变，线圈和金属工件之间的距离也保持固定，那么，涡流和涡流磁场的强度和分布就由金属工件的材质所决定。也就是说，合成磁场中包含了金属工件的电导率、磁导率、裂纹缺陷等信息。因此，只要从线圈中检测出有关信息，例如从电导率的差别就能得到纯金属的杂质含量、时效铝合金的热处理状态等信息，这是利用涡流方法检测金属或合金材质的基本原理。由于涡流也有趋肤效应，因此，涡流密度在金属表面最大，离表面愈远衰减愈大。不同导电材料(电导率和磁导率不同)以及通过的交变电流的频率不同，电流密度在工件横截面上的分布也有所不同，它是按指数规律从工件表面向工件内部衰减的。电流密度下降到表面电流密度37%的深度，称为透入深度(δ)。它与激励电流的频率、金属材料的电导率和磁导率有直接关系，可表示为式中f-交流电流频率(Hz)，μ-材料磁导率(H/m)，σ-材料电导率[m/(Ω.mm2)]从上式可知，频率、电导率和磁导率愈大，透入深度也就愈小。f1几种典型材料的透入深度如图6-1，显示导电材料的透入深度与检测频率的关系除了透入深度的定义外，它也是交流电流的相位差为180o的深度。工件表面的涡流密度最大，它的检测灵敏度最高，离工件表面愈深，涡流密度愈小，检出灵敏度愈低。涡流检测中，要用许多阻抗平面图来描述缺陷、电导率，磁导率和尺寸变化与线圈阻抗的关系。首先需要了解两个线圈相距很近而又有互感的情况，当线圈2不接负载时，线圈1的等效阻抗为线圈1原有的阻抗Z1不变(Z1=R1+jωL1)而当线圈2的负载短路时，线圈1的等效阻抗为R1+jωL1(1-k2)，即比线圈1的原有阻抗减小了jωL1k2大小(其中k为耦合系数如将线圈l的阻抗作一复数阻抗平面，即以电阻R为横轴，以感抗X为纵轴并以负载Rr为参变数作出的轨道曲线，如图a所示是一个近似半圆(右边)，半圆直径为k2ωL1，线圈1感抗X从ωL1单调减少到(1-k2)ωL1，而电阻R由R1，增加到Rl+k2ωL1/2最大值后减小回到R1用这样的阻抗平面来了解线圈阻抗变化要比用公式直观得多，容易理解。但是由于不同的线圈阻抗和不同的电流频率有不同的半圆直径和位置，而且有时线圈阻抗的轨迹曲线不是半圆，因此要进行相互比较有困难。为此，用线圈1的视在感抗ωL1来除纵轴和横轴的X和R，可以获得归一化阻抗曲线，如图b这样，半圆直径在纵轴上的位置，上端为(0,1)，下端为(0,1-k2)，直径为k2，半圆上参变数Rr，用归一化频率F来表示，则有rRLF2在半圆上端F等于零，中间F等于1，下端F为无穷大。归一化处理后的电阻和电抗都是无因次量，并且都一定小于l。根据这个方法得到的阻抗平面图的格式是统一的，因而具有通用性。在涡流检测时，若通以交变电流的线圈中没有试样，则可以得到空载阻抗Z0=R0+jωL0，若在线圈中放入试样，线圈阻抗将变为Z1=R1+jωL1随着材料和工件性质的不同，对检测线圈的影响也不一样，因而，工件性质的变化可以用检测线圈阻抗特性的变化来描述。由于引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是线圈中磁场的变化，检测时需要分析和计算工件被放入检测线圈后磁场的变化，然后得出检测线圈阻抗的变化，才能对各种因素进行分析。这样做比较复杂，德国福斯特(Forstcr)提出有效磁导率的概念，使涡流检测中的阻抗分析问题大大简化。福斯特在分析线圈阻抗的变动时，提出一个模型，当放在通有交变电流的无限长圆筒形线圈中的导电圆柱体时，圆柱体的整个截面上有一个恒定磁场。而磁导率却在截面上沿半径方向变化，并使这种情况下所产生的磁通量等于真实情况下圆柱体内的磁通量。用事实上变化着的磁场强度和恒定不变的磁导率，用恒定的磁场强度和变化着的磁导率所取代，这个变化的磁导率称为有效磁导率。用符号μeff表示式中k=(ωμσ)1/2，r圆柱体的半径，J0(-j)1/2kr-零阶贝塞尔函数，J1(-j)1/2kr阶贝塞尔函数。kkrjJkrjJkrjeff012引入有效磁导率的概念并对它进行分析，福斯特把使贝塞尔函数变量(-j)1/2kr的模为1的频率称为特征频率(或界限频率)，用符号fg表示：对于非磁性材料μ=μ0=4π×10-7H/m，因此式中σ-电导率，d-工件直径(cm)221rfg25066dfg因为有效磁导率μeff的数值随变量(kr)的不同而变化，因此，只要知道一个工件的特征频率fg，并计算出检测频率f与特征频率fg的比值，就可以计算出有效磁导率的数值。这是因为对于一般的检测频率f而言，贝塞尔函数的变量(kr)可以表示为gffkr可见有效磁导率的数值完全取决于频率比的大小，而有效磁导率又决定了工件内涡流和磁场强度的分布。因此，工件中涡流和磁场强度的分布又仅仅是频率比的函数。从这种方法可以得到的结论是，对于两个不同的工件，只要各自对应的频率比相同，则有效磁导率、涡流密度和磁场强度的几何分布也相同，这就是涡流检测的相似律，即2222221111dfdf对于在涡流检测中那些不能用数学计算提供理论分析结果，也不能精确地直接用实物加以实测的问题，可以根据涡流检测相似律通过模型试验来推断检测结果。根据相似律，只要频率比相同，几何相似的不连续性缺陷(例如以圆柱体直径的百分率表示的一定深度和宽度的裂纹)将引起相同的涡流效应和相同的有效磁导率变化。可以通过带有人工缺陷的模拟试验测量出有效磁导率的变化值对于裂纹的深度、宽度以及位置的依从关系，可以用截面放大了的，带有人工缺陷的模型试验来获得裂纹引起线圈参数变化的试验数据的参考依据。在涡流检测中，工件待测性能的信息是通过检测线圈的阻抗变化或电压效应来提供的。根据法拉第电磁感应定律，通过数学运算：可以推导出次级线圈的感应电压。在实际检测中进行涡流探伤时，直径为d的圆柱体工件不可能完全充满内径为Da的次级线圈。这是因为线圈和工件之间应留有空隙，以保证工件的快速通过。因此，计算时次级线圈的电压应考虑由两部分组成，一部分是环形空间中磁场感应的电压，另一部分是工件中磁场感应的电压。其充填系数为通过计算可知，当工件没有充满线圈时，次级线圈的感应电压为因此归一化电压为20DdeffEE10effEE10由于有效磁导率是复数，得到的感应电压也有虚部和实部两个分量。因此归一化电压也有虚、实两部分，分别由实部有效磁导率和虚部有效磁导率所决定，即虚实实虚effeffLRREELLEE000001由于有效磁导率是频率比的函数，只要充填系数和频率比确定，根据上式就可以求出归一化复数电压(或复数阻抗)的虚部和实部，如图图中可见，当η=l时，其曲线和有效磁导率的曲线完全一致，当η不同时各条曲线的形状仍基本相同。以上讨论都局限于非磁性导电圆柱体工件，对于磁性材料，其频率比应用进行修正。因此，当检测线圈接近铁磁性材料时，线圈阻抗的感抗部分将大大增加，而在非铁磁性材料中线圈阻抗的感抗部分将减小。因为涡流是由一个可变的磁场感生出来的，所以材料磁导率将强烈地影响着涡流的响应。因此，用涡流法检测磁性材料工件时，应与检测非磁性材料工件有所不同。特别是某些因素(例如成分、硬度、残余应力和缺陷等)既会影响电导率，又会影响磁导率，情况就变得比较复杂。在低频情况下，问题更加突出，这是因为低频时，磁导率的改变对涡流响应的影响通常要比电导率变化的影响大得多。为消除铁磁性材料磁导率对检测的影响，可对工件被检测部位上施加强磁化场，使材料被磁化到饱和区，此时相对磁导率约等于1一般可采用直流磁化场，但所需直流电源的成本比较高。为了降低配套设备的制造费用，只要将材料磁化到使其增量磁导率处于常数的区间即可。此时铁磁性材料检查区磁导率的变化实际已不再产生影响，可当作非磁性材料进行检测。影响线圈阻抗的因素中，磁导率既影响频率比，又使特性函数(ημeff)值增大3μr倍，它的影响是双重的，必须引起注意。在影响线圈阻抗的因素中，电导率影响特征频率，在阻抗图中影响阻抗值在频率比曲线上的位置。当参变量中其它条件不变时，可利用涡流检测中不同导电材料间电导率的差异会引起检测线圈阻抗发生变化的原理，对材料进行分选。同时，材料的某些特性(特别是温度、成分、热处理及所得的显微组织、晶粒大小硬度、强度和残余应力等)也与电导率有着对应关系。因此，也可以通过工件电导率变化的测定来推断材料的某些工艺性能以及来监控成分和各种冶金特性。例如由于硬度对电导率有显著影响，可利用电导率测量来监控时效硬化铝合金的热处理情况，如图所示。影响线圈阻抗的因素中，工件几何尺寸的变化不但影响频率比，而且影响充填系数，其影响也是双重的。影响线圈阻抗的因素中，探头或线圈与板材之间的距离为某值时，线圈阻抗有一相应值。当间距有变化时，线圈阻抗随之变化，它相当于穿过式线圈中充填系数的变化，在涡流检测中称为“提离效应”。在检测电导率和裂纹时，需减少提离效应的干扰以提高检测的准确度和可靠性，而在检测表面涂层厚度时则可利用提离效应。上述四个因素都可通过涡流检测原理采进行解释，它们的影响程度也能计算出来。由于在铁磁性材料中透入深度低，因此，通常采用较低的频率。即使在检测工件表面裂纹时采用较高频率，但与检测非磁性材料表面裂纹时采用频率相比仍然是相当低的。对非铁磁性圆棒的检测来说，工作频率可采用图表法估算，如图所示。图上三个主要变量为电导率、工件直径和工作频率。第四个变量，即在此单一阻抗曲线上的工作点，也在这图上作了考虑。通常对于圆柱形棒料，所要求的工作点对应于rkr=(ωμσ)1/2的一个值，这个值近似为4，但可在2～7范围内变动。该图的使用方法A)在A线上取