涡流检测相关知识介绍

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
Z R jX
电感L
线圈在磁通发生变化时能产生电动势e，
线圈匝数
e N d d dt dt
N Li
电感 磁链
磁通
L N
ii
互感M
当线圈1中的电流变化时所激发的变化磁场，会在它相邻的 另一线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中上的电流变化时， 也会在线圈1中产生感应电动势。这种现象称为互感现象，以互 感系数M表示，简称互感。所产生的感应电动势称为互感电动势。
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，从而可以推知初级线圈电路中 阻抗的变化。
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。
1、阻抗平面图
若次级线圈开路，即(R2 Rr) ，
（在涡流检测中，这相当于检测线
X
圈尚未靠近被检对象），则初级线
圈的空载阻抗
Z Z0 R1 jX1 R1 jL1
若次级线圈的 (R2 Rr) 0，则有
Z R1 jL1(1 K 2)
K2 M2 L1L2
R
在 (R2 Rr)从 0(L2从0 )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，
射线检测的适用范围：几乎所有固体材料，而且对零件 表面形状及表面粗糙度均无严格要求，目前射线检测主要应 用于铸件和焊件的检测。射线检测对体积型缺陷的检测灵敏 度较高，对平面缺陷的检测灵敏度较低。
5.1涡流检测的基本原理
一、涡流检测的基本原理
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。
7、缺点：受趋肤效应的限制，很难发现工件深处的缺陷； 缺陷的类型、位置、形状不易估计，需辅以其他无损检测的方 法来进行缺陷的定位和定性（感应磁场与原磁场叠加，使检测 线圈的复阻抗发生改变，不能直接反映缺陷的类型、位置、形 状）；不能用于绝缘材料的检测；对形状复杂的零件，涡流检 测的效率相对较低。
涡流检测的应用
eff
2 J1( jkr) jkr J0 ( jkr)
定义使有效磁导率表达式中贝塞尔函数变量 ( jkr) 的模
为1的频率为涡流检测的特征频率。表达式为
1Baidu Nhomakorabea
1
fg 2πr 2 2π0rr 2
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。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。
h 503
fr
f — —电流频率，Hz；
r — —相对磁导率，无量纲； — —电导率，S / m。
工件表面3h处的涡流密度仅为表面密度：5%
磁导率 magnetic permeability 表征磁介质磁性的物理量。常用符号μ表示，或 称绝对磁导率。μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场 强度H之比。 导率常μ使与用真的空是磁磁导介率质μ的0之相比对。磁导率μr ，其定义为磁 质磁磁性导的率物μ理，量相。对磁导率μr和磁化率xm都是描述磁介 都与对于1相顺差磁无质几μr。＞在1；铁对磁于质抗中磁，质Bμ与r＜H1的，关但系两是者非的线μr 性于的1。磁滞回线，μr不是常量，与H有关，其数值远大 的纯数在，国磁际导单率位μ制的（单SI位）是中亨，利相／对米磁（导H率／μmr是）无。量纲
电导率 electric permeability
电导率是物体传导电流的能力。 电导的基本单位是西门子（S），原来被称为姆 欧，取电阻单位欧姆倒数之意。因为电导池的几何形 状影响电导率值，所以标准的测量中用单位S/m来表 示电导率，以补偿各种电极尺寸造成的差别。
h 503
fr
频率越高， 渗透深度越 小
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，德国学者
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。
在半径为r、磁导率为μ、电导率为 的长直圆柱导体上， 紧贴
（如石墨）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检测自动化，特别是对管材、
棒材和线材有很高的检测效率。
？
超声波检测的适用范围：几乎所有材料（气相、液相、 固相，金属、非金属）；检测缺陷类型：体积型、面积型均 可。工业超声检测常用的工作频率为0.5-10MHz。较高的频 率主要用于细晶材料和高灵敏度检测，较低的频率用于衰减 较大和粗晶材料（1MHz以下）。
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
eff
2 J1( jkr) jkr J0 ( jkr)
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。
2） 特征频率
第五章 涡流检测 (Eddy Current Tes.)
内容
5.1涡流检测的基本原理 5.2 涡流检测的阻抗分析法 5.3 涡流检测的应用
前言
利用电磁感应原理，通过检测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。
涡流检测是控制各种金属材料及少数非金属导电材料
涡流检测线圈测出的阻抗变化是各种信息的综合，若需要测出 材料内部某一特定信息（如裂纹）时就必须依靠线圈的设计以及仪 器的合理组成。抑制掉不需要的干扰信息，突出所需要检测的信息。 一般是将检测线圈接收到的信号变成电信号输入到涡流检测仪中， 进行不同的信号处理，在示波器或记录仪上显示出来，以判别材料 中是否有缺陷。如试件表面有裂纹，会阻碍涡流流过或使它流过的 途径发生扭曲变化，最终影响涡流磁场。适用探测线圈可把这些变 化情况检测出来。
K——耦合系数
此即初级线圈的阻抗平面图。
阻抗归一化
X
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，
R
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，
激磁频率f/Hz
几种不同材料的标准透入深度与频率的关系
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。
18% 5%
透入半无限大导体的 涡流密度与透入深度 的关系
5.2 涡流检测的阻抗分析法
一、检测线圈的阻抗分析
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。
（一） 检测线圈的阻抗
设通以交变电流的检测线圈（初级线圈） 的自身阻抗为Z0
Z0 R1 jX1 R1 jL1
空载阻抗 电阻 电抗
初级线圈
次级线圈
线圈耦合互感电路
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。Z0与
素均能检测； 3、一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息； 4、不需用耦合剂，检测时与工件不接触，所以检测速度很
快，易于实现管、棒、线材高速、高效的自动化检测； 5、可在高温（耦合剂在高温下会流失）、薄壁管、细线、
零件内孔表面等其他检测方法不适用的场合实施检测；
6、涡流检测不仅可以探伤，而且可以揭示工件尺寸变化 和材料特性，例如电导率和磁导率的变化，利用这个特点可综 合评价容器消除应力热处理的效果，检测材料的质量以及测量 尺寸。
基本原理：电磁感应，交变电流在导体表 面形成涡状流动的电流，简称涡流
Coil Eddy currents
Coil's magnetic field
Eddy current's magnetic field
Conductive material
图5-1 涡流
涡流检测基本原理
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
R R1
横坐标： L1
纵坐标： X L1
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。
X
L2
R2 Rr
R R1 L1
归一化后的阻抗平面图
2、有效磁导率和特征频率
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。
归一化处理：
离
迹的测量
三、 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。
涡流
趋肤效应的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
交变的感生涡流渗入被检材料的深度与其频率的1/2次幂成反比。 常规涡流检测使用的频率较高（几百到几兆赫兹），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。
趋肤效应
h 503
fr
二、 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
Ze之和Z称为初级线圈的视在阻抗。
2M 2
2M 2
Z R1 (R2 Rr )2 2L22 (R2 Rr) j(L1 (R2 Rr )2 2L22 )
R jX
视在电阻
视在电抗
电抗X
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。
检测线圈
导电试件
线圈耦合互感电路
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。
检测目的 影响涡流特性的因素
用途
探伤 材质分选 测厚
缺陷的形状、尺寸和位置 电导率 检测距离和薄板长度
导电的管、棒、线材及零部件 的缺陷检测
材料分选和非磁性材料电导率 的测定
覆膜和薄板厚度的测量
尺寸检测 工件的尺寸和形状
工件尺寸和形状的控制
物理量测量 工件与检测线圈之间的距 径向振幅、轴向位移及运动轨