涡流检测 基础理论部分.ppt

第一单元 基础理论部分 第一章 涡流检测的物理基础 1.1 概念 涡流（Eddy Current）在导体内部自成闭合回路，成涡旋状流动的电流，称为涡流 涡流检测（Eddy Current Testing） 涡流检测的基本原理是电磁感应载有交变电流的检测线圈接近检测的导电试件时，由于检测线 圈磁场的作用在导体的表面和近表面感应出涡流涡流信号的 幅值、相位及其在试件中流动的轨迹，与试件的电磁特性、试 件中的缺陷、线圈与试件的耦合状态等因素相关该涡流产生 的磁场作用又使检测线圈的阻抗发生变化，因此通过测定线圈 阻抗的变化，即可获得被检件有无缺陷的信息涡流原理模拟）1.2涡流检测的特点管棒线材检测速度快电磁耦合无须耦合剂金属基体上覆盖层（涂镀层）厚度测量 — 导电基体上非导电覆盖层厚度测量 — 铁磁性材料基体上非铁磁性覆盖层厚度测量石墨、碳纤维等非金属复合材料检测（理论）数字化处理能力强，但信息量少；实施条件简单，对产品表面没有污染涡流检测的局限性n检测对象和范围受到限制，适用于导电材料的 表面及近表面缺陷，不适用深层的内部缺陷；n涡流渗透深度、检测频率、检测灵敏度之间的 关系；n涡流的作用范围影响缺陷位置的判定； （检测线圈特征、仪器电子平衡、缺陷特性)n影响涡流信号的干扰因素比较多： （材料物理状态、外形尺寸、表面耦合）1.3 涡流检测的基础知识 材料的导电性 根据物质导电性，可将物质分为：导体、绝缘体、半导体 导电性能差异的原因 电阻率ρ：单位长度、单位截面积的电阻。

电导率σ：电阻率的倒数 电导率σ的单位：MS/m 和% IACS 国际退火铜标准（ % IACS ）电阻率愈小，电导率愈大，材料的导电性愈好电阻率、电导率与材料导电性能的关系 影响金属导电性能的主要因素温度：温度越高，电阻率越大，电导率越小杂质：杂质越高，电阻率越大，电导率越小应力：在弹性范围内，应力能提高金属的电阻率，降低电导率形变：形变使晶体的点阵发生畸变，使电阻增加，电导率 下降 热处理：热处理可以使金属的导电率得到恢复 材料的导磁性物质的宏观磁性 物质的微观磁性 抗磁性物质: -磁化后使磁场略减弱的材料，其相对磁导率μr略大于1 顺磁性物质 -磁化后使磁场略有增强的材料，其相对磁导率略小于1 非铁磁性材料 -基本不受磁场影响，即不能被磁化的材料，包括： 铁磁性物质 -具有磁滞和磁饱和现象，其磁导率与磁场强度有关且相 对磁导率μr远大于1磁化(技术磁化) 铁磁性材料的磁化过程 磁化强度:M A/m 磁化（技术磁化）曲线 磁场强度H A/m 磁化率χ 磁感应强度B（磁通密度） T 磁导率μ真空磁导率， 是相对磁导率 影响材料铁磁性因素的作用规律 -温度、形变以及材料的组织等 -饱和磁化强度随温度的升高而下降 对铁磁性材料的磁导率和矫顽力的影响： -纯度愈高磁导率愈大，矫顽力愈小； -晶界、亚晶界、位错愈少，磁导率愈高，矫顽 力愈小； -应力愈小，磁导率愈高，矫顽力愈小。

正弦交流电直流电单位时间内通过某一导体横截面的电荷量， 称为电流强度（简称电流），记作，在SI中 ，单位是A（安培）假设在时间内通过导 体横截面的电荷量为，则电流为正弦交流电电势、电压、电流的大小和方向随时间按正弦 规律变化的电路称为交流电路其中大小、方 向随时间按正弦规律交变的电流称为正弦交流 电流，简称交流电流 是电流的幅值， 是角频率（rad/s），是初相位（rad）， 是时间（s）阻抗及其矢量图第二章 涡流检测技术2.1电磁感应及涡流 电磁感应(electromagnetic induction) -当通过闭合回路中的磁通量发生变化时，回路 中产生感应电流的现象 磁通(magnetic flux) -磁场B对任意一曲面S的通量称为曲面S的磁通 量，简称磁通，单位是Weber N-线圈匝数；I-电流 S-曲面磁阻抗感应电流的方向-楞次定律(闭合回路内的感应电流所产生的磁场总是阻 碍引起感生电流的磁通变化)右手定则，右手螺旋关系影像资料-电磁感应现象法拉第电磁感应定律自感(inductance) L-自感系数 单位：H -交变电流 感生电动势方向增加 相反减小 相同 L-尺寸、匝数、形状、介质有关，与电流无关。

互感(mutual inductance) 当两个线圈的电流可以相互提供磁通时，就说明 他们之间存在相互的互感耦合，简称互感M- 尺寸、匝数、形状、媒质、磁导率有关，还 与线圈相互位置有关 互感线圈串接 顺接(+)逆接(-)涡流(Eddy Current)：感应电流在导体内部自成 闭合回路，成涡旋状流动，称之为涡旋电流 涡流的大小、相位、流动形式受到试件导电性能 、尺寸、缺陷等因素影响 涡流产生的磁场影响检测线圈的阻抗的变化趋肤效应(skin effect) 集肤效应(见检测频率对表面裂纹的影响） -随着检测频率的增加，电流的透入深度减小的现象 -表面涡流密度最大，按复指数规律衰减 透入深度(depth of penetration) 涡流密度衰减到其表面值的 时的透入深度称为标 准透入深度(standard depth of penetration) 涡流 密度降至表面约37%时的透入深度趋肤效应标准透入深度 频率 电导率 磁导率m Hz H/m S/mm Hz S/mf=50Hz (58MS/m)f=60KHz (32%IACS 18.6MS/m 54nΩ·m)2.2阻抗分析法（见阻抗的变化）线圈的阻抗圆柱导体的有效磁导率 (真实)磁场变化/磁导率恒定 (假设)磁场恒定/ 磁导率变化(有效磁导率) 有效磁导率(effective permeability)不是一个常量 ，与激励频率、导体半径、电导率、磁导率有 关。

特征频率(characteristic frequency) 用于表征被检物质固有电磁特性和几何尺寸的物 理量对于两个不同的试件，只要各对应的频率比相同 ，则有效磁导率、涡流密度及磁场强度的几何 分布均相同 圆柱体穿过式线圈阻抗的影响因素： 试件的电导率、磁导率、几何尺寸、缺陷以及试 验频率等 提离效应(lift off effect)涡流检测线圈与被检件之间距离改变时，其阻 抗矢量产生变化的效应边缘效应(edge effect)端部效应(end effect)由于试件几何形状突变，造成磁场或涡流被干 扰此效应会妨碍该区域内缺陷的检测第三章 涡流检测装置涡流检测仪(eddy current testing instrument) -利用电磁感应原理检测导电物质表面及近表面 质量信息的仪器 涡流探伤仪(eddy current defect detector) -缺陷信息 涡流电导仪(eddy current conductivity meter) -利用电磁感应原理，测量非铁磁性导电材料电 导率的仪器涡流测厚仪(eddy current thickness guage) -利用涡流的提离效应，测量非铁磁性导电基体 表面非导电覆盖层厚度的仪器。

线圈(coil) -在涡流检测系统中具有激励或(和)接收电磁场作 用的导线绕组 检测线圈的分类 （1）按感应方式分类(自感、互感) （2）按应用方式分类(放置式、外通过式、内穿 过式) （3）按比较方式分类(绝对、自比、它比)放置式线圈(probe coil) 放在试件表面上或试件表面附近实施涡流检测的 线圈组件 外通过式线圈(feed-through coli ,outer diameter (OD) coil) 围绕管、棒材及同类试件外实施涡流检测的线圈 组件 内穿过式线圈(bobbin coil, inner diameter (ID) coil ) 插入管材及同类试件内实施涡流检测的线圈组件绝对式线圈(absolute coil)(见绝对与差动线圈） 只针对线圈附近那一部分试件电磁性能，而不与 其他部位或试件电磁性能相比较的一种线圈或 线圈组件 差动式线圈(differential coil) 比较式线圈(comparator coil) 两个或多个线圈反向串联而又不产生互感，并在 试件相邻部位之间或与对比试件之间的任何电 磁性能的差异都会使此系统产生不平衡指示的 线圈组件1）磁饱和装置 磁饱和的概念—对铁磁性材料而言，当磁场强 度继续增大时磁感应强度不再有明显的增大的 磁化状态。

磁饱和装置的作用：消除磁导率不均造成的干 扰 2) 直流磁饱和：当增量磁导率等于1时受到交流 磁场变化的铁磁性材料的状态 交流磁饱和：在每半个磁化周期内，受到交变磁 场作用的铁磁性材料，增量磁导率等于1的状 态 （增量磁通密度/增量磁场强度） 磁饱和装置的分类：直流线圈和磁轭式标准样品(reference standard) 仪器校准或仪器标定时使用的、与技术标准要求 相对应的实际参照对比物，两类：标准试块和 对比试块 标准试块(standard test block) 校准试块(calibration block) 按相关标准的技术条件制作，并经被认可的技术 机构认证的，用于评价检测系统性能的试样材质、形状和尺寸经主管机关或权威机构检定 的试样，用于涡流检测装置或系统的性能测试 及灵敏度调整国标） 按相关标准规定的技术条件加工制作、并经被 认可的技术机构认证的用于评价检测系统性能 的试样讲义） -标准试样的属性 a)满足相关技术条件要求 b)得到授权的技术权威机构的书面确认和批准第四章 检测技术4.1 缺陷检测 4.2 电导率测量与材质鉴别 4.3 厚度测量涡流检测技术的主要特点： （1）适用于所有导电材料； （2）表面及近表面缺陷的检测； （3）检测线圈形式多样； （4）材质分选（磁特性测量）； （5）电导率测量； （6）涂镀层厚度测量（非铁磁性基体上非导电 覆盖层）；4.1 缺陷检测涡流探伤过程中需要注意的事项： a 检测频率的选择 b 电导率、磁导率的影响 c 边缘效应 d 提离效应 e 填充系数a 检测频率的选择 检测频率：在涡流检测中，加到激励线圈的交 流电的频率。

选择原则：由被检测对象的厚度、所期望的透 入深度、要求达到的灵敏度或分辨率以及其他 目的所决定的 （缺陷分辨力：能区分开两个相邻缺陷的最小距离） b 电导率、磁导率的影响 涡流标准透入深度公式电导率和磁导率的平方根值与涡流标准透入 深 度成反比非铁磁性材料的相对磁导率μr =1； 铁磁性材料的相对磁导率μr是随磁化强度变化的变量， 在磁饱和状态下为定值 c 边缘效应 在涡流检测中，由于试件几何形状突变而产生的磁场 和涡流变化，其阻抗矢量产生的变化的效应 非屏蔽式线圈的磁场作用范围是直径的2倍d 放置式（点式）线圈的提离效应 提离效应 随着检测线圈离开被检测对象表面距离的变化 而感到涡流反作用发生改变的现象 e 穿过式线圈的填充系数 填充系数η 试件的横截面积对一次线圈芯部的横截面之比 外通过式线圈η=（d/D）2； 内穿过式线圈η= （D/d）2提离效应和填充系数所引起的检测线圈阻抗的 矢量变化具有固定的方向，检测频率一定时， 该方向与缺陷信号的矢量方向（相位角）有明 显的差异，可以抑制和消除（信号处理-相位 调整）涡流探伤技术介绍(见轮毂探伤） （1）涡流探伤适用的典型缺陷及相应特点 （2）涡流探伤技术分类4.2 电导率测量与材质鉴别电导率测量的应用 进行材质分选、热处理状态的鉴别、抗应力腐 蚀性能的评价； 材质分选的依据 测量电导率的不同或检测出由于材料导电性的 差异引起的涡流响应的不同； （1）铝合金电导率的涡流检测 （2）铁磁性材料的电磁分选4.3 厚度测量覆盖层厚度测量技术包括： 涡流测厚：适用于基体材料为非铁磁性材料 磁性测厚：适用于基体材料为铁磁性材料 （1）。