涡流检测

第五章涡流检测(EddyCurrentTes.)内容5.1涡流检测基础知识5.1.1涡流检测的基本原理5.1.2趋肤效应和渗透深度5.1.3涡流检测的阻抗分析法5.1.4特征频率和有效磁导率5.1.5涡流检测相似定律5.1.6涡流检测特点5.2涡流检测仪器及设备5.3涡流检测方法5.4涡流检测技术应用5.1.1涡流检测的基本原理电磁感应和涡流当导体处在变化的磁场中或相对于磁场运动切割磁力线时，由电磁感应定律，其内部会感应出电流。这些电流的特点是：在导体内部自成闭合回路，呈漩涡状流动，因此称之为涡流。例如，在含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中将出现涡流。1.涡流检测的基本原理当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件（相当于次级线圈）时，由电磁感应理论可知，与涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使得检测线圈的复阻抗发生改变。导电体内感生涡流的幅值大小、相位、流动形式及伴生磁场受到导电体的物理及制造工艺性能的影响。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，就可以非破坏性地判断出被测试件的物理或工艺性能及有无缺陷等，此即为涡流检测的基本原理。涡流检测基本原理导电试件线圈耦合互感电路检测线圈涡流检测的基本原理利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损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称为涡流检测。当检测线圈中通有交变电流时，在线圈周围产生交变磁场；当此交变磁场相对导体作运动时，导体中会感生出涡状流动的电流。原理：涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使检测线圈的复阻抗发生变化。导体内感生涡流的幅值、相位、流动形式及其伴生磁场受导体的物理特性影响，进而影响检测线圈的复阻抗。因此通过监测检测线圈的阻抗变化即可非破坏地评价导体的物理和工艺性能。电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗，用X表示。类似于直流电路中电阻对电流的阻碍作用，在交流电路（如串联RLC电路）中，电容及电感也会对电流起阻碍作用，称作电抗，其计量单位也叫做欧姆。在交流电路分析中，电抗用X表示，是复数阻抗的虚数部分，用于表示电感及电容对电流的阻碍作用。电抗随着交流电路频率而变化，并引起电路电流与电压的相位变化。阻抗即电阻与电抗的总合，用数学形式表示为：Z:阻抗，单位为欧姆R:电阻，单位为欧姆X:电抗，单位为欧姆j是虚数单位4).阻抗Z和电抗XXRZj当直流电流通过导体时，横截面上的电流密度是均匀的。但交变电流通过导体时，导体周围变化的磁场会在导体中产生感应电流，从而会使沿导体截面的电流分布不均匀，表面的电流密度较大，越往中心处越小，尤其是当频率较高时，电流几乎是在导体表面附近的薄层中流动，这种现象称为趋肤效应。5.1.2涡流的趋肤效应和渗透深度1.趋肤效应存在使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。在涡流检测中，定义涡流密度衰减到其表面密度值的1／e（36.8%）时对应的深度为标准渗透深度，也称趋肤深度，用符号h表示，其数学表达式为rfh503。—电导率，—；—相对磁导率，无量纲—；—电流频率，—m/SHzrf工件表面3h处的涡流密度仅为表面密度：5%示意图几种不同材料的标准透入深度与频率的关系激磁频率f/Hz频率越高，渗透深度越小频率f由于被检工件表面以下3h处的涡流密度仅为其表面密度的5%，因此通常将3h作为实际涡流探伤能够达到的极限深度。透入半无限大导体的涡流密度与透入深度的关系18%5%2渗透深度在涡流检测过程中，检测线圈与被检对象之间的电磁关系可以用两个线圈的耦合（被检对象相当于次级线圈）来类比，为了了解涡流检测中被检对象的某些性质与检测线圈（相当于初级线圈）电参数之间的关系，需要对检测线圈进行阻抗分析。通过监测初级线圈（检测线圈）视在阻抗的变化来推断被检对象（次级线圈）的阻抗是否发生改变，进而判断其物理或工艺性能的变化及有无缺陷存在是涡流检测的目的5.1.3涡流检测的阻抗分析法11110jjLRXRZ设通以交变电流的检测线圈（初级线圈）的自身阻抗为Z0当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互耦合时，由于互感的作用，闭合的次级线圈中会产生感应电流，而这个电流反过来又会影响初级线圈中的电压和电流。这种影响可以用次级线圈电路阻抗通过互感M反映到初级线圈电路的等效阻抗Ze来体现。Z=Z0+Ze之和称为初级线圈的视在阻抗。线圈耦合互感电路初级线圈次级线圈空载阻抗电阻电抗阻抗分析1．单线圈的阻抗XRLRRMLRrRLRRMRZrrj))(j()()(22222221222222221视在电抗视在电阻2.耦合线圈的阻抗视在阻抗Z若次级线圈开路，即，（在涡流检测中，这相当于检测线圈尚未靠近被检对象），则初级线圈的空载阻抗3、阻抗平面图2122211)1(LjLLMKKRZ若次级线圈的，则有K——耦合系数在从的过程中，视在阻抗Z以视在电阻R为横坐标，视在电抗X为纵坐标的阻抗平面图上变化，其轨迹近似为一个半圆，此即初级线圈的阻抗平面图。)(2RrR)0(02从L阻抗平面图虽然比较直观，但半圆形曲线在阻抗平面图上的位置：1.初级线圈的阻抗、两个线圈电感和互感有关。2.半圆的半径不仅受到上述因素的影响，还随频率的不同而变化。3.阻抗值不同的初级线圈，或对频率不同的初级线圈，或对两线圈间耦合系数不同，就会得到半径不同、位置不一的许多半圆曲线，这不仅给作图带来不便，而且也不便于对不同情况下的曲线进行比较。为了消除初级线圈阻抗以及激励频率对曲线位置的影响，便于对不同情况下的曲线进行比较，通常要对阻抗进行归一化处理。阻抗归一化归一化处理：横坐标：纵坐标：这样就使纵轴与半圆直径重合，上端点为(0,1)，下端点为(0，1-K2)。半圆仅取决于耦合系数K。归一化后的阻抗平面图消除了初级线圈自身阻抗的变化对Z的影响，在涡流检测中具有通用性。归一化后的阻抗平面图11LRR1LX1.有效磁导率μeff进行涡流检测时，检测线圈视在阻抗的变化源于磁场的变化。但分析磁场比较复杂，为简化涡流检测中的阻抗分析问题，Forster提出了有效磁导率的概念。用通以交变电流的无限长圆筒形线圈内置一外径充满线圈的导电圆柱体来分析(半径为r、磁导率为μ、电导率为)。在螺线管中通以交变电流，则圆柱导体中会产生一交变磁场，由于趋肤效应，磁场在圆柱导体的横截面上的分布是不均匀的。Forster提出了一个假想模型：圆柱导体的整个截面上有一个恒定不变的均匀磁场（磁场强度恒定），而磁导率却在截面上沿径向变化，它所产生的磁通量等于圆柱导体内真实的物理场所产生的磁通量。5.1.5有效磁导率和特征频率就用一个恒定的磁场和变化着的磁导率替代了实际上变化着的磁场和恒定的磁导率，这个变化着的磁导率便称为有效磁导率，用μeff表示，同时推导出它的表达式为)j(J)j(Jj201effkrkrkr利用柱坐标求解涉及在圆、球与圆柱内的势场的物理问题时出现的一类特殊函数J。fkπ2其中J:贝塞尔函数1.有效磁导率μeff222.有效磁导率有效磁导率μeff：由导体电磁特性引起的、由ka决定的无量纲变量，是一个复数，其模小于1。可以计算出μeff关于ka或f/fg的数据表（表3-2），便于使用。定义使有效磁导率表达式中贝塞尔函数变量的模为1的频率为涡流检测的特征频率。表达式为)j(kr202gπ21π21rrfr对于非铁磁性材料，(H/m)，即可得特征频率10π4701r2g506606dfd为圆柱导体的直径2.特征频率24ka＝(ωμσ)1/2a，包括电磁特性、几何尺寸、激励频率定义：使ka＝1的频率为特征频率fg由μσωa2＝1得fg=1/(2πμσa2)特征频率：由试件电磁特性和尺寸决定的、具有频率单位的物理量，可以认为是试件参数(μσa)如何关联仪器参数(交流电频率f)？2.特征频率252.特征频率--频率比f/fg=2πfμσa2=(ka)2有效磁导率是ka的函数，也是f/fg的函数，图3-19应用：根据试件特性计算特征频率，查技术资料选取最佳频率比，由此计算激励频率激励频率是涡流检测最重要的仪器参数常见管材有效磁导率和特征频率1.相似律有效磁导率μeff随的不同而变化，而μeff的大小又决定了试件内涡流和磁场强度的分布。因此，试件内涡流和磁场的分布是随f/fg的变化而变化的。理论分析和推导可以证明，试件中涡流和磁场强度的分布仅仅是f/fg的函数。由此可得出涡流检测的相似律：对于两个不同的试件，只要各对应的频率比f/fg相同，即只要则有效磁导率、涡流密度及磁场强度的几何分布均相同。模型试验的理论基础2222221111dfdfgffkr5.1.6涡流检测的相似律)j(J)j(Jj201effkrkrkr202gπ21π21rrfr利用涡流检测相似率，即可通过模型试验与人工缺陷的大小及位置关系，作为实际涡流检测时评定缺陷的参考。有效磁导率μeff与f/fg的关系曲线0.502222221111dfdf1.相似律2.填充系数•填充系数reff11reff1L1ReLRRImL线圈归一化视在阻抗：d--工件直径D--线圈直径1LL内含导电圆柱体的长直载流螺线管线圈为穿过式线圈。有效磁导率的概念也是以这种线圈为基础提出的，而且假定圆柱体的直径d和线圈的直径Da相同。但事实上，检测线圈和工件之间总要留有空隙以保证工件快速通过。因此有线圈填充系数η=(d/Da)2，η1。通过对线圈和圆柱导体内磁场的分析，利用有效磁导率的概念，推导出单位长度检测线圈的归一化阻抗为（实部）（虚部）ffr11ffr11eeLRRLL只要确定η和f/fg，即可求得内含导电圆柱体的圆筒形线圈的归一化阻抗。3.穿过式线圈的阻抗分析1、电导率电导率的变化对阻抗的影响主要反映在有效磁导率μeff内，即只影响了μeff的参变量因而，在其他条件不变的情况下，材料电导率的改变将使检测线圈的阻抗值沿阻抗曲线的切向变化。据此可利用涡流检测来进行材料电导率的测量和材质的分选等工作。0.50f/fggffkr2gπ21rf22rfffg4.影响线圈阻抗的因素2、试件的几何尺寸当圆柱体直径改变时，一方面频率比f/fg随之变化，使得线圈阻抗沿阻抗曲线的切向变动；另一方面使填充系数η改变，使阻抗曲线移位，其综合结果是线圈阻抗将沿弦向变化，这和磁导率对阻抗的影响类同。μeff与f/fg的关系曲线0.50f/fg2gπ21rf22rfffg3、相对磁导率μr。对于非铁磁性材料有μ=μrμ0≈μ0，因而一般磁导率对检测线圈的阻抗没有影响。但是对于铁磁性材料，由于μr1，所以需要考虑磁导率的影响，其实际数值强烈地依赖于外加磁场的大小。铁磁性材料的磁导率μ对线圈阻抗的影响是双重的：一方面改变了μeff的参变量f/fg，使阻抗值沿着同一条曲线移到变化后的f/fg点上；另一方面，它还改变了ημrμeff值，使阻抗值落到新的μr值的曲线上（阻抗曲线移位）。这样影响的综合结果是使磁导率变化引起的效应方向发生在弦向方向上。这表明若不采取特殊措施，要想区分磁导率和直径对线圈阻抗的影响是不可能的。η=1时，含铁磁性导电圆柱体的线圈复阻抗平面图为了消除铁磁性材料相对磁导率的变化对涡流检测结果的影响，可以将被检工件先磁化至接近饱和，使其μr降低至2-3，此时可把铁磁性材料当作非磁性材料进行检验。缺陷的出现具有不确定性。涡流检测主要是检查裂纹等缺陷，缺陷对线圈阻抗的影响可以看做是电导率和几何尺寸两个参数影响的综合结果，因此，它的效应方向应该介于电导率和半径效应之间。由于缺陷的位置、深度和形状等各种因素的综合影响，使缺陷效应的大小很难进行理论计算，所以，通常都是借助