3_第三章 涡流检测

第三章 涡流检测§3.1涡流检测概述 1涡流检测的定义利用电磁感应原理，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技术称为涡流检测。

2发展背景涡流检测的物理基础为电磁感应现象。

电磁感应现象及其研究有近二百年的历史。

1820年，丹麦物理学家Oersted （奥斯特）发现，当一个导体通有电流时，会产生环绕电流的磁场。

（线圈生磁场）1831年，英国物理学家Faraday （法拉第）发现磁感应电的现象：当穿过闭合导电回路所包围的磁通量发生变化时，回路中就产生电流；当闭合回路的一段导线在磁场中运动并切割磁力线时，导线中也产生电流。

（感应电流）感生电动势：i d E dt Φ=-，N 匝线圈：i d E N dtΦ=-1833年，俄罗斯物理学家，楞次，楞次定律：感应电流的方向总是使它自身所产生的磁通量反抗引起感应电流的磁通量的变化。

1873年，英国物理学家、数学家Mexwell （麦克斯韦）用完整的数学方程式将前人的这些成果表示出来，建立了系统严密的电磁场理论，既是电磁现象的研究基础，又是涡流检测的理论基础。

1879年，英国人休斯将涡流检测应用于实际（材质分选）；1926年，第一台涡流测厚仪问世。

20世纪40年代初，德国人Foster （福斯特）发表了大量有关涡流检测的文章，并创办了福斯特研究所。

他的涡电感生磁，毕奥-沙伐尔定律（右手定则）发电机的基础流检测理论技术设备极大地推动了全世界涡流检测技术的发展。

我国于1960年代开始开展涡流检测的研究工作，目前已研制出一系列的涡流检测设备（EEC-96型数字涡流检测设备），这些设备在我国的航空航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域都曾经发挥了或正在发挥着重要的作用。

3涡流检测的基本原理1）涡流由于电磁感应，当导体处于变化的磁场中或相对于磁场运动时，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，因而称为涡旋电流，简称涡流。

2）集肤效应与涡流渗入深度当直流电流通过导线时，横截面上的电流密度是均匀的。

但如果是交变电流通过导线时，导体周围变化的磁场也会在导体中产生感应电流，从而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，尤其在当f这种电流主要集中于导体表面附近的现象，称为集（趋）肤效应。

0x I I e -=涡流透入导体的距离称为透入深度（x ）。

定义涡流密度衰减到其表面值的1/e （36.8％）时的深度为标准透入深度（渗透深度），也称为集肤深度。

δ==由于被检工件表面以下3δ处的涡流密度仅为其表面密度的5％，因此，通常将3δ作为实际涡流探伤能够达到的极限深度。

3）基本原理以通有交流电的线圈靠近工件（导电体），由电磁感应作用，线圈所产生的交变磁场会在导体中产生涡流，同时该交变涡流也会产生一交变磁场（涡流磁场），该涡流磁场会影响到线圈磁场的强弱（与线圈磁场叠加），结果使得检测线圈的阻抗（复阻抗）发生变化。

由于工件（导电体）自身各种因素，例如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等的变化，会引起感应电流（涡流）的大小和分布的变化（幅值、相位、流动形式等），进而影响到检测线圈的阻抗，因此通过检测检测线圈阻抗的变化，即可非破坏性地评价被检工件物理的、工艺的性能，以及发现某些工艺性缺陷。

渗透较浅，因此属于表面或近表面检测方法，频率102～106Hz 。

§3.2涡流检测的阻抗分析法 1检测线圈的阻抗涡流检测中，线圈和被检对象之间的电磁联系可以用两个线圈（检测对象相当于二次线圈，检测线圈相当于一次线圈）来类比。

e 1R 1L 1～e 1R eL e线圈可以看作是由电阻、电感和电容组合而成的等效电路，一般忽略线圈匝之间的电容，线圈自身的复阻抗可以表示为：Z R j L R jX ω=+=+给一次线圈通以交变电流，由于M （互感）的作用，会在闭合的二次线圈中产生电流，同时，这个电流又通过互感的作用影响到一次线圈中电流和电压的关系，这种影响可以用二次线圈中的阻抗通过互感折合到一次线圈电路的折合阻抗（等效阻抗）来表示：e e eZ R jX =+222222M e X R R R X =+ 222222Me X X X R X -=+ M X M ω=（互感抗）一次线圈的阻抗与折合阻抗的和称为视在阻抗：1s e Z Z Z =+检测前，检测线圈远离被检对象，2开路，R 2→∞，则有：11111s Z Z R jX R j L ω==+=+检测中，2闭路（短路），R 2→0，则有：()()2111111s e e Z Z Z R j X X R j L K ω=+=++=+-K =耦合系数）2 阻抗平面图R 2由∞→0（或X 2由0→ωL 2），在此过程中，便可以得到一系列相对应的一次线圈视在电阻R S 和视在电抗X S 的值。

X s ωL ωL 1(1-K 2)1SS 1ωL 1虽然阻抗平面图直观地反映了被检对象阻抗的变化对一次线圈（检测线圈）视在阻抗的影响，但由于Z S 的轨迹不仅与二次线圈的特性有关，而且与一次线圈的特性（R 1，L 1，K ）有关，与外加信号（f ）也有关。

为了消除上述影响（检测只是由于Z 2的变化所形成的影响），可进行归一化处理。

3有效磁导率1）有效磁导率由前可知，涡流检测的关键问题是对检测线圈阻抗的分析，而阻抗的变化源于磁场的变化，因此必须对工件放入检测线圈后磁场的变化加以分析，才能最终对工件本身的质量做出评价，但实际这样从磁场角度分析具体问题过于复杂，为了简化涡流检测过程中的阻抗分析，Forster 提出了有效磁导率的概念。

在直径为d （半径为r ），相对磁导率为μr 的长直圆柱导体上，紧贴密绕一螺线管线圈（直径为D a ），通一交变电流，则在圆柱体内会产生一沿径向变化的交变磁场H （x ），它是螺线管线圈空心时其内的激励磁场（H 0）和导体内涡流产生的磁场的矢量叠加（由于集肤效应，H （x ）分布不均匀）：()()0r B x H x μμ=x -圆柱导体中任一点到轴线的距离。

福斯特假设整个截面上存在着一个不变的磁场（H 0），它所产生磁通量等于圆柱体内真实磁场所产生的磁通量。

这样，就用一个恒定的磁场和变化的磁导率代替了实际上的磁场。

即：这个变化着的磁导率称为有效磁导率：1effJ μ=k =2）特征频率1=，则：2012g r f r πμμσ=称为特征频率。

（非最佳频率，非检测频率的上限或下限，而仅是一个特征值，含有除缺陷外棒材尺寸和材料性能的所有信息）通常用f /f g对于非磁性材料，μr ≈1，则有：2506606g f d σ=3）相似律2211112222kr f d f d μσμσ=⇒= 即有效磁导率μeff 是一个完全取决于频率比（f /f g ）的大小的参数，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着f /f g 的变化而变化的，由此可得涡流检测的相似律：对于两个不同的试件，只要各对应的f /f g 相同，则有效磁导率、涡流密度及磁场强度的分布均相同。

利用相似律，即可通过模型试验来推断实际检测结果。

例如用模型试验测得的的变化与人工缺陷的深度、宽度及相处位置的依从关系可以做实际涡流检测时评定缺陷的参考。

4）实际线圈的归一化阻抗线圈填充系数：2a d D η⎛⎫= ⎪⎝⎭归一化视在阻抗： 虚部：()11sr eff e L R L ωηημμω=-+ 实部：()11Im s r eff R R L ημμω-=4 影响线圈阻抗的因素影响因素：电导率（σ），磁导率（μr）,几何尺寸（d），缺陷，检测频率（f）。

§3.3涡流检测方法1 检测线圈在金属材料的涡流检测中，为了满足不同工件形状和大小的检测要求，设计了许多种形式的检测探头，即检测线圈。

1）检测线圈的分类按照检测时线圈和试样的相互位置关系，将检测线圈分为三大类。

①穿过式线圈将工件插入并通过线圈内部进行检测，适用于可以从线圈内部通过的管、棒、线材的检测。

易于实现批量、高速、自动检测。

②内通过式线圈将线圈本身插入工件内部进行检验。

工件适用于小直径的深钻孔、螺纹孔或厚壁管内部的表面质量的检测。

③探头式线圈将线圈放置于被检工件表面进行检测。

线圈体积小，带有磁芯，具有磁场聚焦功能，灵敏度高。

适用于板、带、棒材的表面检测，还能对形状复杂的工件的某一区域进行局部检测。

2）检测线圈的使用方式进行涡流检测的时候，必须在被检工件上及其附近区域建立一个交变磁场；需要一个激励线圈。

为测量受工件性能影响的涡流磁场，还需要一个检测线圈。

两个线圈可分置，也可以用一个线圈兼任这两种功能，这样就构成了检测的两种使用方法：绝对式和差动式。

①绝对式只有一个检测线圈工作。

在检测时，先把标准试件放入线圈，调整仪器，使输出信号为零，再将被检工件放入线圈。

这时，若无输出，表示试件和标准试件之间的有关参数相同；若有输出，表示试件和标准试件有差异，判断引起线圈阻抗变化的裂纹，还是其他因素。

可用于材质筛选、测厚、探伤的。

属于广泛使用之方式。

②差动式两个线圈，反接；又分标准比较式和自比较式。

a两个线圈接成差动方式，当被检工件质量不同于标准试件时，检测线圈即有信号输出。

b）自比较式比较的标准是同一被检试件的不同部分。

故称为自比较式。

2 信号检出电路检测线圈的阻抗发生变化ΔZ ，经适当的电路转换为可测量的电压信号。

由于ΔU 比较小，因此一般将检测线圈联接成各种交流电桥。

E 电桥平衡条件：1423Z Z Z Z =输出电压：3124123414Z Z Z Z U E Z Z Z Z ⎛⎫∆∆∆∆=-+- ⎪⎝⎭§3.4 涡流检测的应用（自学）总结：涡流检测的特点：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，易于实现自动化检测和在线检测；2.对工件表面或近表面缺陷，具有很高的检出灵敏度，且在一定范围内具有良好的线性指示，可对缺陷大小及深度做出评价；3.由于检测时不接触工件又不用耦合介质，所以可在高温状态下进行检测。

由于探头可伸入远处作业，因此可以对工件狭窄部位、深孔壁、零件内孔表面等其他检测方法不适合的场合实施检测；4.适用范围广。

除能进行导电金属材料的检测外，还可以检验能感生涡流的非金属材料；甚至检测金属覆盖层或非金属覆盖层的厚度；5.检测信号为电信号，便于对结果进行数字化处理和存储。

缺点:1.只适合于导电材料；2.只适合于表面或近表面缺陷，而不适合于材料内部埋藏较深的缺陷（集肤效应）；3.检测深度和表面探伤灵敏度相矛盾；f↑→表面涡流密度↑→检测灵敏度↑f↑→检测深度↓相反：f↓→检测深度↑f↓→表面涡流密度↓→检测灵敏度↓4.不适合于形状复杂的工件进行全面检测（效率低、不能用）（对于管、棒和线材等型材有着很高的检测效率）；5.缺陷的定位、定量及定性存在问题。