54涡流检测

涡流检测简述涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，它适用于导电材料。当把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。由于导体自身各种因素（如电导率、磁导率、形状，尺寸和缺陷等）的变化，会导致涡流的变化，利用这种现象判定导体性质，状态的检测方法，叫涡流检测。电磁感应现象和涡流的产生见图1和图2。在图1中，使线圈1和线圈2靠近，在线圈1中通过交流电，在线圈2中就会有感应产生交流电。如果使用金属板代替线圈2，同样也可以使金属板导体产生交流电，如图2。这种由交流磁场感生出来的电流叫涡流。在图2中，试件中的涡流方法与给试件施加交流磁场线圈的电流相反。由涡流所产生的交流磁场也产生交变磁力线，它通过激励线圈时又感生出反作用电流。如果工件中涡流变化，这个反作用电流也变化。测定它的变化，就可以测得涡流的变化，从而得到试件的信息。涡流的分布及其电流大小由线圈的形状和尺寸，试验频率，导体的电导率，磁导率，形状和尺寸，导体与线圈间的距离以及导体表面的缺陷所决定的。因此，根据检测到的试件中的涡流，就可以取得关于试件材质，缺陷和形状尺寸等信息。涡流检测基础理论天津市电力科学研究院马崇TEL:022-24406372第1章涡流检测的物理基础1.1涡流检测的发展背景1.2涡流检测的特点1.2.1涡流检测的优点1.2.2涡流检测的缺点1.3涡流检测的基础知识1.3.1材料的导电性1.3.2材料的磁特性1.3.3正弦交流电1.3.4阻抗及其矢量图1.1涡流检测的发展背景（Eddy-currenttesting)一．理论涡流现象近200年历史1820年：奥斯特安培1824年：第一个验证涡流存在的试验（Arago）1831年：法拉第（电磁感应原理）1873年：麦克斯韦（用完整的数学方程式建立了系统严密的电磁场理论）——ET的基础1.1涡流检测的发展背景（Eddy-currenttesting)二．检测技术1879年：休斯首次将涡流检测应用到实际(判断不同的金属和合金,进行材质分选)1926年：第一个台涡流测厚仪问世20世纪40年代初:德国福斯特博士的理论研究推动了全世界涡流检测技术的发展。中国：20世纪60年代开始：研制了涡流电导仪、测厚仪、检测设备。现有数字型的各种设备。应用在航空航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域。1.2涡流检测的特点（Eddy-currenttesting)ET是以电磁感应原理为基础的一种常规无损检测方法，使用于导电材料。一、优点1、检测时，线圈不需要接触工件，也无需耦合介质，所以检测速度快。2、对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，且在一定的范围内具有良好的线性指示，可用作质量管理与控制。3、可在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁（包括管壁）进行检测。4、能测量金属覆盖层或非金属涂层的厚度。5、可检验能感生涡流的非金属材料，如石墨等。6、检测信号为电信号，可进行数字化处理，便于存储、再现及进行数据比较和处理。1.2涡流检测的特点（Eddy-currenttesting)二、缺点1、对象必须是导电材料，只适用于检测金属表面缺陷。2、检测深度与检测灵敏度是相互矛盾的，对一种材料进行ET时，须根据材质、表面状态、检验标准作综合考虑，然后在确定检测方案与技术参数。3、采用穿过式线圈进行ET时，对缺陷所处圆周上的具体位置无法判定。4、旋转探头式ET可定位，但检测速度慢。1.3涡流检测的基础知识一、材料的导电性1、金属导电的物理本质根据物质的导电性，可将物质分为：导体、绝缘体、半导体。（在一定条件下可以相互转化）((自由电子))一切物质都是由原子组成。原子结构图原子能级图导体：外层电子受原子核的吸引力较小，成为自由电子，在电场的作用下会作定向移动，形成电流。绝缘体：外层电子受原子核的吸引力很大，不容易成为自由电子，在电场的作用下电流不能流过，所以导电性能很差。2、电流和电阻电流：自由电子受电场作用力的影响会向反方向作定向移动，从而形成电流电流强度（Ｉ）：表示电流的强弱。（代表单位时间内通过导体横截面的电量，单位是A。欧姆定律：Ｉ＝Ｕ／Ｒ电阻（R）：阻碍电荷移动的能力，单位是Ω。R=ρｌ／Ｓρ：电阻率，单位长度、单位截面积的电阻。单位是Ω.ｍ。电阻率的倒数称为电导率。用σ表示，单位是Ｓ／ｍ。＊１／（Ω.ｍ）＝１Ｓ／ｍ工程技术中还可用IACS（国际退火铜标准）单位表示电导率。σ=（标准退火铜电阻率/金属的电阻率）×100%（IACS）电阻率值愈小，电导率值愈大，材料的导电性就愈好。3、影响金属导电性的主要因素1)温度的影响。2)杂质的影响。杂质使金属晶格畸变，造成电子散射，使电阻率增加。3)应力的影响。在弹性范围内单向拉伸或者扭转应力能提高金属的电阻率。在单向压应力作用下，对于大多数金属来说使电阻率降低。4）形变的影响。使金属的电阻率增加。5）热处理的影响。冷加工后进行退火，可以使电阻率降低。金属铝、银、铜、铁在冷加工后，电阻随着退火温度的升高而下降，但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而有增加了。4、典型材料的导电性（P6）（绝缘体、导体、半导体）RT二、材料的磁特性1、物质的磁性根据物质磁化后对磁场的影响，将物质分为三类抗磁性物质：使磁场减弱的物质。磁化率为负。（H2、H20、Au、Ag、Cu）顺磁性物质：使磁场略有增强的物质。磁化率为正。（O2、空气、Al、铂、在较高温度下，铁、钴、镍具有顺磁性）铁磁性物质：使磁场剧烈增加的物质。磁化率很大（铁、钴、镍）物质的磁性是由电子循轨和自旋运动产生的。轨道磁矩：自旋磁矩：l为轨道角动量；ｓ为自旋角动量；μB为玻尔磁子Blmcehlm40Bssmcehsm22TJmcehB/10927.0423磁化率和磁导率物质的磁化是由外磁场引起的，在磁性物质中，磁化强度M和外磁场强度H之间的关系为式中，χm为物质的磁化率，它对不同的物质是不同的，对抗磁质是负值，对顺磁质是正值，但很小，对铁磁质为正，而且很高。磁感应强度B与磁场强度H的比值称为磁导率，或称为绝对磁导率，用符号μ表示，表示材料被磁化的难易程度，单位H/m.μ不是常数，随磁场大小不同而改变，有最大值。HMm实际上，物质被磁化以后必然反过来使物质所在部分的磁场发生变化。因为变化后的总磁场为B，令物质磁化后引起的磁场变化为H′，称为附加磁场，其大小H′=M，则有B=μoH+μoM，把M=χmH代入得，B=μoH+μoχmH=μo(1+χm)H=μoμrH=μH式中，μo为真空磁导率，μr为相对磁导率，其大小μr=1+χm：μ为介质的绝对磁导率，单位是H/m。真空磁导率μo在真空中，磁导率是常数μo＝4π×10-7H/mH:SI单位为（安／米:A/m），CGS单位为奥(斯特:Oe)1Oe=(1/4π)×1000A/m=80A/mB:SI单位为（特(斯拉):T），CGS单位为高(斯:Gs)1T=10000Gs磁场强度只与激磁电流有关，与被磁化物质无关；磁感应强度不仅与磁场强度有关，还与被磁化的物质有关．2、磁畴铁磁性的基本特点是自发磁化和磁畴。自发磁化：由于物质内部自身的能量，是任一小区域内的所有原子磁矩都按一定规则排列起来的现象。（原因：相邻原子中电子之间的交换作用）磁畴：在铁磁物质的内部，分成了许多小的区域，这些小的区域称为磁畴。磁化过程是通过磁畴的转动和磁畴畴壁的移动来完成的。各种铁磁性材料由冷加工、淬火热处理、杂质等引起的晶格变化，会阻碍畴壁的移动。一般，会使磁导率降低，如果进行退火热处理，消除这种影响因素，磁导率回上升。含碳量不同的碳钢在不同的热处理状态下的磁导率变化。P8(1-4)＊铁磁性材料的磁导率会受到机械加工及热处理的影响。铁磁性材料的磁畴方向a）不显示磁性；b）磁化c）保留一定剩磁当把铁磁性材料放到外加磁场中去时，磁畴就会受到外加磁场的作用，一是使磁畴磁矩转动，二是使畴壁发生位移，最后全部磁畴的磁矩方向转向与外加磁场方向一致，铁磁性材料被磁化，显示出很强的磁性。高温情况下，磁体中分子热运动会破坏磁畴的有规则排列，使磁体的磁性削弱。超过居里点后，磁性全部消失，变为顺磁质。磁化过程(1)未加外加磁场时，磁畴磁矩杂乱无章，对外不显示宏观磁性，如图(a)(2)在较小的磁场作用下，磁矩方向与外加磁场方向一致或接近的磁畴体积增大，而磁矩方向与外加磁场方向相反的磁畴体积减小，畴壁发生位移，如图(b)。(3)增大外加磁场时，磁矩转动畴壁继续位移，最后只剩下与外加磁场方向比较接近的磁畴，如图(c)。(4)继续增大外加磁场，磁矩方向转动，与外加磁场方向接近，如图(d)。(5)当外加磁场增大到一定值时，所有磁畴的磁矩都沿外加磁场方向有序排列，达到磁化饱和，相当于一个微小磁铁或磁偶极子，产生N极和S极，宏观上呈现磁性，如图(e)。3、铁磁性材料的磁化规律铁磁物质在外磁场的作用下显示出磁性就称为磁化，又叫技术磁化。磁化曲线是表征铁磁性材料磁特性的曲线，用以表示外加磁场强度H与磁感应强度B的变化关系。B～H曲线的测绘方法:采用如图所示的装置曲线特征：Ｐ９４、居里温度温度对铁磁性材料的磁性是有影响的，当温度高于某一数值时，自发磁化被破坏，材料的磁性消失，这一温度称为居里温度。它是强磁性和顺磁性转变的温度。任何铁磁物质都具有一定的居里温度，其高低与该物质的化学组分和晶体结构有关，而与其磁历史无关。５、磁滞回线饱和磁场强度Bm矫顽力HcＢ的变化落后于Ｈ的变化铁磁性材料磁化特有现象原因：铁磁性材料中的掺杂和内应力在退磁过程中阻碍磁畴恢复到原来状态增量磁导率μA微分磁导率μdif起始磁导率μi最大磁导率μm6、影响材料铁磁性因素的作用规律影响因素：温度、形变、材料的组织纯度愈高，则磁导率愈大，矫顽力愈小；晶界、亚晶界、位错愈少，则磁导率愈高，矫顽力愈小；应力愈小，则磁导率愈高，矫顽力愈小。７、合金的磁特性１）置换式固溶体：A、铁磁性金属中溶入顺磁和抗磁质总使饱和磁化强度ＭＳ降低。B、铁磁物质溶入强顺磁性金属时，少量的溶质能使ＭＳ增高，但溶质浓度增加得多时，反而导致ＭＳ降低。实际上，这些强顺磁性物质组成的合金常常是铁磁性的。Mn-BiC、两种铁磁性物质组成的固溶体，ＭＳ随着固溶体的浓度增加单调下降。＊固溶体的有序化对合金的磁性影响显著。2）间隙式固溶体：矫顽力随溶质原子浓度增加而增加，并且在浓度低的范围内增加得显著。3）化合物：A、一般铁磁体与顺磁体或抗磁体组成大化合物，以及有显著化学结合的中间相都是顺磁性的。B、铁磁性金属与非金属组成的化合物都是铁磁性的。4）多相合金：A、居里点与相的成分有关，合金中有几个铁磁相，相应的就有几个居里点。B、多相合金的Ms和温度之间的关系也是各相和温度关系相加而得。C、多相合金的磁性还与相的形状、大小、分布情况及结构、应力状态有关。铁素体：强铁磁相；渗碳体：弱铁磁相；奥氏体、残余奥氏体、合金碳化物是顺磁性相。三、正弦交流电1、直流电电流是由电荷（带电粒子）有规则的定向移动而形成的，它在数值上等于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）ＩＩ（安培）=dq/dtＩ为常数——直流（I=q/t）2、正弦交流电电势、电压、电流的大小和方向随时间而交变的电路叫交流电路，按正弦规律变化时称为正弦交流电路。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。交流电流瞬时值：)cos(tIim—电流的幅值ω—角频率，单位：rad/st—时间，单位：s—初相角，单位：radmI称为正弦量的三要素。、、mI正弦交流电压正弦交流电势)cos(tUum)cos(tEem描述正弦交流电的一些概念：1）周期：T（s）2）频率：f（Hz）=1/T3）幅值4）相位与相位差：（ωt+Ψ)称为正弦量的相位或相角。t=0时的相位称为初相。相位差（相角差）：同频率的正弦交流电的初相之差。频率不同，相位差不是常数。一般谈到的相位差指同频率的正弦量之间相位差。相位差为0，同相位；相位差为π/2，相位正交；相位差为π，反相5）角频率