涡流检测

涡流检测涡流检测的物理基础一涡流检测的原理当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于线圈磁场的作用，试件会感生出涡流。涡流大小、相位及流动性是受到试件导电性能等的影响，涡流的反作用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，或线圈上感应电压的变化，就可以得到被检材料有无缺陷。线圈交变电流（一次电流）激励的磁场是交变的，那么涡流也是交变的。这个交变的涡流会在周围空间形成交变磁场并在线圈中感应电动势。线圈中的磁场就是一次电流和涡流共同感生的合成磁场。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。优点：（1）不需耦合剂，与试件可接触也可不接触。（2）对管、棒、线材易于实现自动化。（3）能在高温、高速下进行检测。（4）能进行多种测量，并能对疲劳裂纹监控。（5）工艺简单、操作容易、检测速度快。二涡流检测的特点缺点：（1）只适合导电材料表面和近表面的检测。（2）难以判断缺陷的种类、形状和大小。（3）干扰因素较多，需要特殊的信号处理技术。（4）对形状复杂的试件难以进行检测。目的检测因素典型应用探伤试件中的裂纹、腐蚀、凹坑、夹杂、气泡等管、棒、线、板材等的探伤；机制件的探伤；飞机维护及管道系统的维护检查；疲劳裂纹的监视。材质试验电导率磁导率测量金属试件的电磁参数；金属热处理状态的鉴别；金属材料的分选；金属材料成分含量、杂质含量的鉴别。厚度及位移等的测量提离效应、厚度效应、充填效应等金属试件上涂、镀等膜层测量；板材测厚；位移、振动测量；液面位置、压力等的监控；试件尺寸、形状测量等。主要应用：（1）能检测出材料和构件中的缺陷，例如裂纹、折叠、气孔和夹杂等。（2）能测量材料的电导率、磁导率、检测晶粒度、热处理状况、材料的硬度和尺寸等。（3）金属材料或零件的混料分选。通过检查其成分、组织和物理性能的差异而达到分选的目的。主要应用：（4）测量金属材料上的非金属涂层、铁磁性材料上的非铁磁性材料涂层和镀层的厚度等。（5）在无法进行直接测量的情况下，可用来测量金属箔、板材和管材的厚度，测量管材和棒材的直径等。涡流检测的物理基础如果电荷和电流随时间变化，电场和磁场发生相互作用：电流能够产生磁场，变化的磁场也能在导体中产生感应电动势和电流，这种现象叫做电磁感应。1电磁感应定律楞次定律闭合回路中产生的感应电流有确定的方向，它总是企图使自己产生的通过回路面积的磁通量，去抵偿或反抗引起感应电流的磁通量的改变。楞次定律只确定了感应电动势和感应电流的方向，并没有确定感应电动势的大小。法拉第电磁感应定律不论任何原因使穿过线圈的磁通量发生变化时，在线圈里就产生感应电动势，感应电动势的大小和磁通量对时间的变化率的负值成正比。dtdKi如果线圈的电阻为R，则线圈里的感应电流为dtdRKIi对于有n匝的串联线圈，在线圈中产生的总感应电动势为dtdkni式中，k－比例常数，随单位制不同而异；－磁通量（Wb）；t－时间（s）；－感应电动势（V）。负号表示感应电动势的方向总是企图反抗磁通的变化。2自感和互感自感：当电流通过回路时，变化的电流所产生的变化磁通也通过闭合回路。这样在回路中就激起感生电动势。这种由于回路中电流产生的磁通量变化，而在自己回路中激起感生电动势的现象称为自感现象，其感生电动势称为自感电动势。dtdILELL－自感系数（H）互感：两线圈回路1和回路2，其中分别通以电流I1和I2，则任一回路中电流所产生的磁感应线将通过另一回路所包围的面积。其中任一回路电流发生变化时，其磁通量的变化，在另一回路中会产生感生电动势。两个载流回路相互激起感生电动势的现象称为互感现象。dtdIMdtd1212121dtdIMdtd2121212互感电动势、－互感系数（H）12M21M3涡流检测中的电磁感应交流电路中电压E与电流I之间关系为：ZIE式中，Z－线圈阻抗（）E－外接电源电压（V）二涡流如把一块金属导体放在变化着的磁场中，由于金属导体会不断切割磁力线，从而在金属导体中产生感应电动势。同时，在导体内形成一个自成闭合回路，其形状象水中旋涡的电流，这个电流就叫做涡流或涡电流。又叫做付科（Foucault）电流。涡流的产生趋肤效应和渗透深度直流电在导体内流过时，它在导体横截面上的电流密度分布基本上是均匀的。但当交流电在导体中流动时，它在导体横截面上的电流分布很不均匀。表面层电流密度最大。越进入导体中心其电流分布随着距表面的深度增加而衰减，此现象即为交流电的趋肤效应。趋肤效应的大小以渗透深度来描述即电流密度减少到表面电流密度的%371e时的深度。f121渗透深度与频率f的平方根成反比。涡流检测的试验基础将两个线圈固定在一起。在线圈Ⅰ上输入交流电流，在线圈Ⅱ上接一个电压表，同时把这两个线圈放在金属块上面。线圈Ⅰ将激励出一个交变磁场。如果线圈Ⅰ、线圈Ⅱ和金属块靠的很近，以至于线圈Ⅰ所激励的磁场对线圈Ⅱ和金属块都有感应，那么在金属块中就会产生出涡流，而线圈Ⅱ中的电压表也相应地有一个读数。线圈Ⅰ是供激励磁场用的称为激励线圈；而线圈Ⅱ是供测量用的称为测试线圈。结论：电压表的读数会随金属材料的导电率或导磁率的变化而发生相应的改变。电压表的读数会随金属材料的尺寸或厚度的变化而发生相应的改变。电压表的读数会随线圈与金属材料之间的距离的变化而发生相应的改变。涡流检测中的几种效应电压表读数随金属材料导电率或导磁率的变化而发生相应改变的现象，在涡流检测中我们称为导电率效应或导磁率效应。应用这个效应我们就可以用涡流法来测定各种金属材料的导电率或导磁率，也可以应用这个效应来进行金属材料的分选。电压表读数随金属材料的尺寸或厚度的变化而改变的现象，在涡流检测中我们称为尺寸效应。应用这个效应我们就可以用涡流检测法来测定金属薄板的厚度，以及测定金属棒材的直径。电压表读数随线圈与金属块之间距离的变化而改变的现象，在涡流检测中我们称为“提离”效应。应用这个效应，我们就可以用涡流检测法来测定金属材料表面上的绝缘层的厚度。涡流探伤法主要是用于检查金属表面或近表面上的裂纹等缺陷。由于被检零件一旦发生了裂纹等缺陷，那么在零件的缺陷处不仅导电率或磁导率发生了变化，而且零件的尺寸也发生了相应的变化。所以涡流探伤法既应用了导电率或导磁率效应，也应用了尺寸效应。第三节涡流阻抗分析法阻抗分析法是以分析涡流效应引起线圈阻抗的变化及其相位变化之间的密切关系为基础，从而鉴别各影响因素效应的一种分析方法。电压的变化和阻抗的变化之间有着相似的规律。在涡流检测中为了确定受检试件性能影响而产生的涡流的变化，可以用检测线圈的电压效应来测定，也可以用检测线圈的阻抗变化来测定。一线圈的阻抗和阻抗归一化1线圈的阻抗用检测线圈的阻抗变化来测定受检试件性能影响而产生的涡流的变化。线圈自身的阻抗一个线圈并不是一个纯电感，而是需用电阻、电感、电容组合而成的等效电路来表示。线圈的等效电路线圈自身的复阻抗：LjRZ耦合线圈的阻抗111111jXRLjRZ表示检测线圈的自阻抗，即线圈空载阻抗，11LX为空载的感抗。222222jXRLjRZ表示涡流环的自阻抗，22LX为涡流环的感抗。MjjXZM12表示检测线圈与涡流环的耦合阻抗，MXM称为耦合电抗。反射阻抗与视在阻抗'''11jXRZ反射阻抗：表示被测导体上的涡流场对检测线圈的影响。视在阻抗：jXRZZZ'1111检测线圈的视在阻抗是自阻抗与反射阻抗之和。2阻抗图22122121)21()]211([)(KXKXXRR视在电抗视在电阻3阻抗的归一化经过归一化处理后的电阻和电抗都是无量纲的量，并且都恒小于1。归一化阻抗图的特点：（1）它消除了原边线圈电阻和电感的影响，具有通用性。（2）阻抗图的曲线簇以一系列影响阻抗的因素作为参量。（3）阻抗图形定量地表示出各影响阻抗因素的效应大小和方向。（4）对于各种类型的工件和检测线圈，有各自对应的阻抗图。二有效磁导率和特征频率eff1有效磁导率)()(101kajjkajjjkaeffka)(0kajj)(1kajj)(kaj式中－交变磁场H0的角频率；－圆柱体试件的磁导率；－圆柱体试件的电导率；－零阶贝赛尔函数；－一阶贝赛尔函数；－贝赛尔函数的变量。－圆柱体试件的半径；2特征频率特征频率是工件的固有特性，取决于工件的电磁特性的几何尺寸。有效磁导率中贝赛尔函数的虚部的模为1对应的频率称为特征频率：221afg－电导率（S/m）－相对磁导率（H/m）a－半径（m）25066dfg常用工程单位制中，非铁磁性材料的特征频率：－电导率，)/(2mmmd－直径，cm涡流检测中，一般来说，试验频率f总是大于材料特征频率fg的。gffka求特征频率的诺模图在一定频率比gff/时，被检测的圆柱体不论直径大小，其涡流密度和场强的几何分布均相似，也就是两个大小不同的被检物体，如果频率比相同，则有效磁导率及圆柱体内的涡流场强和涡流密度的几何分布也相同。这就是涡流试验的相似定律。其相似条件为：2222221111dfdfrr四复阻抗平面图1线圈的感应电动势与阻抗螺线管空载时，单位长度上的阻抗为：)(22022020000abnjanjnHIUZeffr单位长度上的归一化阻抗为：effrZZ102复阻抗（复电压）平面图11，r时，有effUUZZ00实effiUULL00虚effrUULR00如果通过匝数为N检测线圈（次级线圈）与激励线圈（初级线圈）的磁通相同，则检测线圈的感应电压为：)1(42)1(2000effreffrdHfNUUf－激励频率（Hz）n－检测线圈匝数d－检测线圈直径（cm）0H－激励磁场强度（A/m）五含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析线圈归一化的阻抗（简称线圈阻抗）或复电压可以表示为一个特性函数：effr1特性函数反映了线圈阻抗（或复电压）受试件的影响，因而取决于试件的性质，即包括了试件中各种对线圈阻抗有影响的基本因素。线圈阻抗的主要影响因素：电导率磁导率试件的几何尺寸缺陷试验频率放置式涡流探头根据用途、结构和形状的不同，有各种类型和名称，如大饼式探头、平面探头、弹簧探头、笔式探头等。六放置式探头阻抗分析1影响阻抗变化的主要参数△工件电导率对阻抗图的影响：随着电阻率的增加，阻抗值沿着阻抗曲线向上移动。△提离效应对阻抗图的影响：应用点式线圈检测时，线圈与工件之间的距离变化，会引起检测线圈阻抗变化，这种距离影响称为提离效应。小的提离会产生大的阻抗变化。△磁导率对阻抗图的影响：非铁磁性材料相对磁导率接近于1为一常数，不影响阻抗。但铁磁性材料的相对磁导率远大于1，对阻抗影响显著。△试验频率对阻抗的影响：频率和电导率效应在阻抗图上的影响是一致的。频率比一般取40/10gff△工件厚度对阻抗图的影响：当工件变薄时，线圈电阻分量增加，电抗分量也增加，阻抗值沿着曲线向上移动。说明任何引起涡流流动电阻增加的因素，将使得阻抗值沿着阻抗曲线向上移动，直到探头阻抗趋向于线圈在空气中的阻抗，即1/0XXL△探头直径对阻抗图的影响：线圈直径增加，阻抗值沿着曲线向下移动，类似于频率的增加。这是由于线圈直径增加，增加了工件中的磁通密度，也增大了涡流值，这相当于电阻率的减小。2实验阻抗图和计算机模拟阻抗图的比较用计算机模拟计算作出的阻抗图，可通过实验进行校正。实线表示频率不变，探头从不同材料的表面提离到无穷远处所得到的电压轨迹。虚线连接各实线的端点，表示电阻率变化的曲线和前面所述曲线比较相似。3特征参数将频率、探头直径和工件参数结合在一起以构成一个特征参数：rrPc2r－线圈的平均半径－角频率－相对磁导率r－电导率4相位（1）1LLRarctan1电压矢量和横轴之间的夹角。（2）1当探头移过