第三章-涡流检测

第三章涡流检测技术利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损地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。涡流检测只能用于导电材料的检测。对管、棒和线材等型材有很高的检测效率。3.1涡流检测的基本原理一、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工件时，由于线圈磁场的作用，工件中将会感生出涡流（其大小等参数与工件中的缺陷等有关），而涡流产生的反作用磁场又将使检测线圈的阻抗发生变化。因此，在工件形状尺寸及探测距离等固定的条件下，通过测定探测线圈阻抗的变化，可以判断被测工件有无缺陷存在。二、涡流检测的特点1、用途与影响涡流特性的因素1.探伤：缺陷形状、尺寸和位置2.材质分选：电导率3.测厚：检测距离和薄板厚度4.尺寸检测：工件的尺寸和形状5.物理量测量（径向振幅、轴向位移及运动轨迹的测量）：工件与检测线圈间的距离2、特点1.对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高；2.检测线圈不必与被检材料或工件紧密接触，不需耦合剂，检测过程不影响被检材料的性能；3.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监测；4.在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息；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应的场合实施监测；6.检测形状复杂零件，效率低；难于区分缺陷的种类和大小。三、涡流的趋肤效应和渗透深度1.趋肤效应感应出的涡流集中在靠近激励线圈的材料表面附近的现象。涡流密度随着距离表面的距离增加而减小。2.渗透深度趋肤效应的存在，使交变电流激励磁场的强度及感生涡流的密度，从被检材料的表面到其内部按指数分布规律递减。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：503:;:;:;:rrhfhf渗透深度(m)电流频率(Hz)材料相对磁导率电导率(S/m)几种不同材料的标准透入深度与频率的关系四、电磁感应现象1.电磁感应当穿过闭合导电回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流，这种现象叫做电磁感应现象。回路中产生的感应电动势Ei等于所包围面积中磁通量Φ随时间变化的负值此负值表明闭合回路中感应电流所产生的磁场总是阻碍产生感应电流的磁通的变化，这个方程称为法拉第电磁感应定律。此方程用于一个绕有N匝的线圈，所得感应电动势表示为ddiEtddN-tddiiNENEtt伏，匝，韦伯，秒2.自感应当线圈中通以交变电流I时，其所产生的交变磁通量也将在本线圈中产生感应电动势，此现象称为自感现象，产生的感应电动势称为自感电动势ELLdIELL-Hdt自感系数，单位亨利（）3.互感应当两个线圈相互靠近，线圈中分别流过交变电流I1和I2的情况下，由线圈1中电流I1所引起的变化的磁场通过线圈2时会在线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中电流I2所引起的变化的磁场通过线圈1时会在线圈1中产生感应电动势，这种两载流线圈相互激起感应电动势的现象称为互感现象，所产生的感应电动势称为互感电动势。在线圈2和在线圈1中产生的感应电动势，在两线圈形状、大小、匝数、相对位置及周围磁介质给定的情况下可给出1212MK=LL12LL耦合系数，和线圈和线圈的自感系数122112dd,ddIIEMEMMtt为两个线圈的互感系数3.2涡流检测的阻抗分析法线圈耦合电路一、1）设通以交变电流的检测线圈（初级线圈）的自身阻抗为Z0，其中忽略了容抗，则11110jjLRXRZ（3-1）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折合阻抗来体现，设折合阻抗为。22MMeee22M22222222jjXMXXZRXRXRXRX互感抗（3-2）将次级线圈的折合阻抗与初级线圈自身的阻抗的和称为初级线圈的视在阻抗Zs，即)(jje1e1sssXXRRXRZ（3-3）式中：Rs为视在电阻；Xs为视在感抗。应用视在阻抗的概念，就可认为初级线圈电路中电流和电压的变化是由于它的视在阻抗的变化引起的，而据此就可以得知次级线圈对初级线圈的效应，从而可以推知次级线圈电路中阻抗的变化。2）下图所示的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与初级线圈自身的阻抗以及两个线圈自身的电感和互感有关。另外，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。这样，如果要对每个阻抗值不同的初级线圈的视在阻抗，或对频率不同的初级线圈的视在阻抗，或对两线圈间耦合系数不同的初级线圈的视在阻抗作出阻抗平面图时，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。初级线圈的阻抗平面图2）阻抗平面图原点坐标向右平移R1距离，然后再用ωL1去除Xs和Rs坐标，使Zs的半圆轨迹的直径在Xs上，轨迹上诸点的位置则取决于参变量ωL2/R2的实际取值。归一化后的阻抗平面图2．有效磁导率和特征频率1）在半径为r、磁导率为μ、电导率为γ的长直圆柱导体上，紧贴密绕一螺线管线圈。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。于是人们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，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。这样，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（3-4）其中，2πkf。2）特征频率定义使（3-4）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。其表达式为)j(krg212πfr（3-5）对于非磁性材料，，可得特征频率，d为圆柱导体的直径。g2506606fd1μeff与f/fg的关系曲线gfkrf3）有效磁导率μeff是一个完全取决于频率比f/fg大小的参数，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，则有效磁导率、涡流密度及磁场强度的几何分布均相同。2211112222fdfd3）如，一根d=10cm、γ=35s/μm的铝棒（fg=1.45Hz）在f=145Hz的试验频率下所显示的有效磁导率、场强分布及涡流密度分布，与一根直径d=0.01cm，γ=10s/μm的铁丝（fg=50660Hz），在f=5.07Mhz的试验频率下所显示的结果完全相同。根据相似定律，可进行对比试验，以此判定缺陷的深度和大小。2211112222fdfd3．影响线圈阻抗的因素1）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D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/D)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，推导检测线圈的归一化阻抗为rff11rff11seseXLRRL（3-6）通过式（3-6）可分析出影响线圈阻抗的因素是材料自身的性质和线圈与试件的电磁耦合状况，（1）电导率γ。（2）圆柱体直径。（3）相对磁导率μr。（4）缺陷。（5）检测频率。2）（1）内含导电管材的穿过式线圈。①薄壁管件。对非铁磁性材料的薄壁管件，特征频率为gri506606fd（3-7）式中：di为管件内径；δ为管件壁厚。管件的填充系数η=(da/dc)2，其中，da为管件外径，dc为线圈内径。②厚壁管件。厚壁管穿过式线圈的阻抗曲线位于圆柱体和薄壁管两者的曲线之间。（2）导电管件的内通式线圈。将线圈插入并通过被检管材(或管道)内部进行检测的线圈为内通式线圈。①薄壁管件。用内通式线圈检测薄壁管件时，其线圈阻抗的变化情况可借用穿过式线圈的阻抗图加以分析。②厚壁管件。对于非铁磁性材料的厚壁管件，其特征频率为g2ri506606fd（3-8）式中：di为管件内径。（3）放置式线圈。在检测过程中以轴线垂直于被检工件表面的方位放置在其上的线圈为放置式线圈。用放置式线圈检测板材时，线圈阻抗的变化不仅与材料的电导率、磁导率等因素的变化有关，而且还受线圈至板材表面的距离变化的影响，此即所谓“提离效应”。当测定材料表面涂层或镀层厚度时，要利用放置式线圈的提离效应。而为了测量材料的电导率或进行材料探伤时，则要设法通过选择频率来减小提离效应的干扰。提高检测结果的准确性和可靠性。二、涡流检测线圈（1）按感应方式分类。按照感应方式不同，检测线圈可分为自感式线圈和互感式线圈（又称为参量式线圈和变压器式线圈），见下图所示。自感式线圈由单个线圈构成，该线圈产生激励磁场，在导电体中形成涡流，同时又是感应、接收导电体中涡流再生磁场信号的检测线圈，故名自感线圈。互感线圈一般由两个或两组线圈构成，其中一个（组）是用于产生激励磁场在导电体中形成涡流的激励线圈(又称一次线圈)，另一个(组)线圈是感应、接收导电体中涡流再生磁场信号的检测线圈(又称二次线圈)。不同感应方式的检测线圈(a)自感式线圈；(b)互感式线圈（2）按应用方式分类。按照应用方式不同，检测线圈可分为外通过式线圈、内穿过式线圈和放置式线圈。放置式线圈又称为探头式线圈。在应用过程中，外通过式线圈和内穿过式线圈的轴线平行于被检工件的表面，而放置式线圈的轴线垂直于被检工件的表面。这种线圈可以设计、制作得很小，而且线圈中可以附加磁芯，具有增强磁场强度和聚焦磁场的特性，因此具有较高的检测灵敏度。(a)放置式线圈；(b)外通过式线圈；(c)内穿过式线圈（3）按比较方式分类。按照比较方式不同，检测线圈可分为绝对式线圈和差动式线圈，而差动式线圈又分标准比较式和自比较式两种(见下图)。绝对式线圈是一种只用一个检测线圈进行涡流检测的方式称为绝对式线圈，仅针对被检测对象某一位置的电磁特性直接进行检测的，而不与被检对象的其他部位或对比试样某一部位的电磁特性进行比较检测。差动式是指两个检测线圈反接在一起进行工作的方式。(a)绝对式线圈；(b)自比较式线圈；(c)标准比较式线圈三、信号检出电路涡流检测中，通常将涡流检测线圈作为构成平衡电桥的一个桥臂。正常情况下，可通过调节平衡电桥中的可变电阻实现桥式电路的平衡，如下图所示。检测线圈作为电桥桥臂之一的平衡电路当检测阻抗发生变化（如线圈的被检测零件中出现缺陷）时，桥路失去平衡，这时输出电压不再为零，而是一个非常微弱的信号，其大小取决于被检测零件的电磁特性。131234ZZUEZZZZ（3-9）式中：Z1、Z4为固定桥臂阻抗；ΔZ3为检测线圈阻抗的变化，通过测量U，可间接得到ΔZ3。3.31．涡流检测装置涡流检测装置包括检测线圈、检测仪器和辅助装置，另外还配有标准试样和对比试样。检测线圈前面已经介绍过了，下面简要介绍其他部分。检测仪器是涡流检测的核心部分。其作用为产生交变电流供给检测线圈，对检测到的电压信号进行放大，抑制或消除干扰信号，提取有用信号，最终显示检测结果。根据检测对象和目的，涡流检测仪器分涡流探伤、涡流电导仪和涡流测厚仪三种。随着电子技术的发展，还出现了智能型涡流检测仪器。涡流检测仪三种类型的涡流检测仪，它们的电路型式不同，但为了将试件中的待测因素通过检测线圈的阻抗变化反映出来，它们需要完成一些相同任务：1）产生激励信号；2）检测