无损检测技术-涡流检测
四、涡流检测,涡流检测的原理 涡流检测仪器 涡流检测方法 涡流检测工艺操作 涡流检测的应用,涡流检测的原理,涡流检测的基本知识 涡流检测的基本原理 涡流检测的特点 趋肤效应 渗透深度,涡流检测的基本知识,涡流检测 法拉第电磁感应定律 自感 互感,涡流检测,利用电磁感应原理，通过测定被检工件内产生感生涡流的变化来无损的评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法即涡流检测。 涡流检测是控制各种金属材料及少数非金属导电材料（如石墨、碳纤维符合材料等）及其产品品质的主要手段之一。 与其他无损检测方法相比，涡流检测更容易实现自动化，特别对管、棒和线材等型材有很高的检测效率。 back,法拉第电磁感应定律,法拉第电磁感应定律指出：通过闭合回路所包围的面积内的磁通量发生变化时，回路中将产生感生电动势。感生电动势E与闭合回路内的磁通量变化率成正比。 N线圈的匝数 “”表示感生电动势反抗回路中磁通的变化 back,自感,当回路磁通量发生变化时，回路中会产生感生电动势。同样，当回路中通过的电流发生变化时，也会引起回路磁通变化，从而在回路中产生感生电动势。由于这种感生电动势是自身回路电流变化引起的，因此称为自感电动势，用EL表示 L自感系数，与线圈形状、大小和匝数等有关 “”表示自感电动势反抗回路中电流的变化 back,互感,当两个线圈互相靠近时，任何一个线圈中的电流发生变化，都会引起另一个线圈内磁通量的变化，从而在另一个线圈内产生感生电动势。这种两个靠近的载流回路电流发生变化时互相激起感生电动势的现象称为互感。,当线圈1、2靠近时，线圈1中电流I1变化在线圈2中激起的感生电动势为E21，线圈2中电流I2变化在线圈1中激起的感生电动势为E12。 M互感系数，与两线圈形状、大小、匝数、相对位置等有关 “”表示互感电动势反抗回路中电流的变化 back,涡流,当导电体靠近变化着的磁场或导体作切割磁力线运动时，由电磁感应定律可知，导电体内必然会感生出呈涡状流动的电流，即所谓涡流。,涡流检测的基本原理,假设涡流是因一通以交变电流的检测线圈靠近导电体而生，则由电磁感应理论可知，与涡流伴生的感应磁场会与原磁场叠加，结果使得检测线圈的复阻抗发生改变。由于导电体内感生涡流的幅值、相位、流动形式以及其伴生磁场不可避免要受导电体的物理以及其制造工艺性能的影响，因此通过对检测线圈阻抗的变化的监测，即可非破坏的评价被检材料或工件的物理或工艺性能及发现某些工艺性缺陷，此即涡流检测的基本原理。,交变的感生涡流渗入被检材料或工件的深度与其频率的1/2次幂成反比。由于常规涡流检测使用的频率较高（达到数百到数兆赫兹），渗透深度通常较浅，因此常规涡流检测是一种表面或近表面的无损检测方法，即主要用于检验材料或工件的表面或近表面缺陷。 back,涡流检测的特点,涡流因电磁感应而生，故进行涡流检测时，检测线圈不必与被检材料或工件紧密接触，不需要用耦合剂，检测过程也不影响被检材料或工件的使用性能。 与其他无损检测方法比较，涡流检测的主要特点有： 1、对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高。,2、应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工艺因素均能实施检测。 3、在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息。 4、不需要用耦合剂，易于实现管、棒、线材的高速、高效的自动化检测。,5、可在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其它检测方法不适用的场合实施检测。 6、对形状复杂的机械零部件进行全面检测时，涡流检测的效率相对较低。 7、在工业探伤中，仅仅靠涡流检测通常难以区分缺陷的种类和形状。 back,趋肤效应,直流电通过圆柱导体时，导体横截面上的电流密度基本上均匀的。但当交流电通过圆柱导体时，横截面上的电流密度不再是均匀的了，而是导体表面电流密度大，中心电流密度小，这种现象称为趋肤效应。 即：当交变电流通过导体时，分布在导体横截面上的电流密度是不均匀的，表层电流密度最大，越靠近截面的中心电流密度越小。这一现象即所谓交变电流分布的趋肤效应。,电流密度从表面至中心的变化规律为： I0导体表面的电流密度（A/m2） I至表面深处的电流密度（A/m2） 至表面的距离（m） f电流频率（Hz） 导体磁导率（H/m） 导体电导率（S/m）,由公式可知，电流密度随至表面的距离增加而减少。导体的磁导率、导体电导率、电流频率f增加，有效渗透深度就减少。 趋肤效应的存在使交变电流激励磁场的强度以及感生涡流的密度从被检材料或工件的表面到其内部按指数分布规律递减。 back,渗透深度,涡流检测中，将涡流密度衰减为其表面密度的1/e（36.8）时对应的深度定义为渗透深度，其数学表达为： h渗透深度（m） f电流频率（Hz） r相对磁导率（ H/m ） 电导率（S/m）,渗透深度是反应涡流密度分布与被检材料的电导率、磁导率以及激励频率之间基本关系的特征值。f、r、越大，则h越小。 由于被检工件表面以下3h处的涡流密度仅约为其表面密度的5，因此常将3h作为实际涡流探伤能够达到的极限深度。 back,涡流检测仪器,涡流检测仪 涡流检测线圈 对比试样,涡流检测仪,仪器的类别 涡流检测仪组成 涡流检测仪的工作原理,仪器的类别,涡流检测仪是根据不同的检测目的，应用不同的方法抑制干扰信息，拾取有用信息的电子仪器。可根据用途、使用、显示等不同进行分类。 按用途分 按使用方式分 按显示方式分 其他分类方式,按用途分,根据涡流检测仪的用途不同可以分为： 探伤仪：根据试件缺陷引起线圈阻抗变化情况来探测试件表面或近表面缺陷情况。 材料分选仪：根据试件的电导率、磁导率不同引起线圈阻抗变化进行材料分选。 测厚仪：根据试件厚度对线圈阻抗的影响来测定试件的厚度。 back,按使用方式分,按涡流检测仪使用方式不同分为手动和自动两种。 手动涡流仪：操作者手持探头沿试件表面进行扫查，通过仪器示波管显示的图形或仪表指示来判别试件表面的缺陷情况。这种仪器适用范围广，但检测效率低。 自动涡流仪：被检试件自动送进，检测结果自动记录。这种仪器检测效率高，但只适用于形状规则的棒、管、丝材的检测。 back,按显示方式分,根据涡流检测仪显示方式不同分为图像显示、数字显示和指针显示等几种。 图像显示：利用仪器示波管显示某种因素引起的图像变化。 数字显示：利用仪器数码管显示试件物性变化量。 指针指示：利用某种仪表指针指示情况来显示试件物性变化。 back,其他分类方式,此外，按信号处理方法不同还可分为相位分析仪、频率分析仪、振幅分析仪等几种；根据仪器通道数量分为单通道和多通道检测仪。 back,涡流检测仪组成,涡流检测仪的种类很多，各种仪器的具体电子线路不同，但是其基本工作原理相似。,一般的涡流检测仪主要由振荡器、探头、信号输出电路、放大器、信号处理器、显示器、电源等部分组成。 1、振荡器：产生所需频率的振荡电流来激励检测线圈，以便在试件中感生涡流。 2、探头（检测线圈）：产生交变磁场使试件感生涡流，并拾取试件物性变化的有用信息。,3、信号输出电路：将检测线圈拾取的电压变化量U输入到放大器，将初始总电压U0抵消或平衡掉。 4、放大器：放大输入的微弱信号，使它达到显示器所需的程度。要求失真小，增益稳定，抗干扰能力强。 放大倍数 U为输出电压 U0为输入电压 （dB） 当V60dB时，A1000倍。,5、信号处理器,抑制各种干扰信号，突出有用信号，常用方法有以下几种： 相位分析仪：根据有用信号与干扰信号的相位差利用同步检波器的移相器将有用信号分离出来。 频率分析法：当缺陷信号频率高于干扰信号时，利用滤波器抑制频率较低的干扰信号。 振幅分析法：当缺陷信号幅度大于干扰信号时，用拒斥电路抑制掉电平以下的干扰信号，保留有用信号。,6、显示器：用指针式电表、数码管、示波管等来显示经过放大和消除干扰后的检测信号。 7、电源：为仪器各电路提供所需电压。小型仪器，可用干电池或蓄电池作电源，大型仪器常用交流电源。 back,涡流检测仪的工作原理,振荡器产生各种频率的振荡电流通过检测线圈产生交变磁场在试件中产生感生涡流，当试件存在缺陷或物性变化时，线圈电压发生变化，通过信号输出电路将线圈电压变化量输入放大器放大，经信号处理器消除各种干扰信号，最后将有用信号输入显示器显示检测结果。 back,涡流检测线圈,涡流检测线圈的作用 检测线圈的种类 检测线圈的型号,涡流检测线圈的作用,涡流检测线圈又称探头或传感器，其主要作用有二：一是在交变的激励电流作用下产生交变磁场，使试件产生感生涡流；二是拾取因试件物性变化引起涡流磁场变化的信息，并将其转换为电信号。因此，涡流检测线圈按功能可分为激励线圈和测量线圈两种，它们可以是两个线圈，也可以是一个线圈同时承担激励和测量两项任务。 back,检测线圈的种类,按用途分 按结构分 按使用方式分,按用途分,外穿过式线圈 内通过式线圈 放置式线圈,外穿过式线圈,利用试件从线圈内穿过来检测试件外表面缺陷情况或物性变化。适用于形状规则的管材、棒材、线材等可以从线圈内部通过的导电工件或材料的检测。用外穿过式线圈容易实现小直径管、棒、线材表面质量的高速、大批量自动化检测。 back,内通过式线圈,利用线圈通过试件内孔来探测试件孔壁缺陷情况或物性变化。适用于检测安装好的管材或检测小直径的深钻孔、螺旋孔或厚壁管内壁的表面质量。 back,放置式线圈（探头式线圈）,将线圈放置于试件表面来探测试件表面缺陷情况或物性变化。这种线圈大多绕成内部带磁芯的探头形式，具有磁场聚焦的性质，检测区域小，灵敏度高，因此又称为探头或点式线圈。放置式线圈检测灵敏度高，适用于板材、棒材、带材和大直径管材和形状复杂试件的表面检测。 back,按结构分,据检测线圈结构不同分为自感式和互感式两种。,自感式线圈,一个线圈既用于激励交变磁场，又用于测量涡流磁场的变化。这种线圈绕制方便，检测效率高，应用很广。 back,互感式线圈,有两个线圈绕组，一个用于激励磁场，称为初级线圈；另一个用于测量涡流磁场变化，称为次级线圈。次级线圈置于初级线圈内。这种线圈制作较难，检测效率较低。但初、次级线圈间有屏蔽作用，干扰小，工作稳定。 back,按使用方式分,进行涡流检测首先要在被检工件或材料上激励出交变磁场，因而需要一个激励线圈。与此同时，为了计量涡流磁场的变化，还要有一个测量线圈。激励线圈和测量线圈可以分开放置，也可以是一个线圈兼具激励和测量两种功能。在不需要区别线圈功能的场合，可把激励和测量线圈统称为检测线圈。,按电联接方式的不同，检测线圈有绝对式和差动式两种使用方式。 只用一个检测线圈进行涡流检测的方式就称为绝对式。 两个检测线圈反接在一起进行工作的方式称为差动式。按线圈放置方式的不同，差动工作方式又有标准比较式和自比较式两种。,绝对式线圈的使用原理,用一个线圈在试件表面检测，直接检测线圈阻抗变化。当试件电导率和磁导率无变化时，信号输出电路无信号输出。反之，当电导率和磁导率发生变化时，有信号输出。,用绝对式线圈进行检测时，要先将标准试样放入线圈，并调节仪器使线圈上的信号为零，然后再将被检工件与材料放入线圈。此时，若无输出，说明待测试件物性与标准试件相同；若有输出，说明待测物件物性发生变化。再根据检测目的的不同判断线圈阻抗变化的原因。这种线圈对突发信号敏感，对长缺陷信号不敏感。常用于材质分选、涂层测厚和材料探伤，是广泛采用的一种工作方式。 back,标准比较式线圈,由两个参数完全相同，反向联接的线圈组成，一个线圈放在标准试样上，另一个放在待测工件或材料上进行测试。根据两个检测线圈的输出信号有无差异来判断工件或材料的性能。由于是利用标准试件作为比较标准，故称为标准比较式，又叫他比式。这种线圈对突发信号和长缺陷信号都敏感。但需要标准试件比较，检测效率较低。 back,
