涡流无损检测实验报告

江苏科技大学数理学院开放性选修

实验训练

涡流无损检测实验报告

指导老师：魏勤

组员：彭加福（0640502112）胡进军（0640502107）徐大程（0640502115）

江苏科技大学数理学院06级应用物理学

2009年12月15日

涡流无损检测实验报告

彭加福

（江苏科技大学数理学院应用物理 0640502112）

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，它仅适用于导电材料，如果我们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）的变化会导致感应电流的变化，利用这种现象而判知导体性质、状态的检测方法，叫做涡流检测方法。在涡流探伤中，是靠检测线圈来建立交变磁场，把能量传递给被检导体，同时又通过涡流所建立的交变磁场来获得被检测导体中的质量信息。作为无损检测的一种重要手段，涡流检测在现代工业无损检测中得到了深入而广泛的应用和推广。

实验训练期间，我们采用SMART-2097智能便携式多频涡流仪、D60K数字金属电导率测量仪和7504塗层测厚仪等涡流仪器完成了定标、探伤、电导率测定和膜厚测量等实验，掌握了涡流的产生机理及涡流探伤原理，熟练掌握了各种涡流探伤仪、测量仪的基本操作。

1 实验目的

1.1 熟悉各种涡流探伤仪、测量仪的基本操作，简单了解各实验仪器的工作原理及性能，并通过系列实验了解涡流无损检测在现代工业中的应用；

1.2 学习掌握涡流检测的基本方法及相关理论知识，了解涡流检测仪、测量仪及涡流探头的内部结构和工作原理；

1.3 分别使用SMART-2097智能便携式多频涡流仪、D60K数字金属电导率测量仪和7504塗层测厚仪进行探伤、测电导率和薄膜厚度。

2 实验仪器

SMART-2097智能便携式多频涡流仪、D60K数字金属电导率测量仪、7504塗层测厚仪、各种涡流探头及数据传输线、SMART-2097智能便携式多频涡流仪标准试块（含有深为0.1mm, 0.5mm, 1.0mm的划痕）、D60K数字金属电导率测量仪高值-低值定标试块、7504塗层测厚仪标准膜。

3 实验原理

3.1 螺线管磁场

如果将长直导线绕成螺线管，磁力线分布类似于条形磁铁，磁场方向取决于电流方向，同样可以用右手定则表示，其磁场强度取决于两个因素：线圈的圈数和电流的大小，圈数越多或电流越大，则磁场越强。

对一个螺线管来说，它所形成的磁场是数个线圈磁场的叠加，所以当交流电通过螺线管时，可形成既强又集中的交变磁场，如图1所示。

根据右手定则和电流方向判断磁力线的方向，螺线管所形成磁场强度的大小与其匝数的多少有关。在线圈中，各环线圈可合成一个集中的磁场，当线圈通以交流电时，可形成一个较强的交变磁场。

图1通电螺线管的磁场

3.2 涡流的产生机理

变化着的磁场接近导体材料或导体材料在磁场中运动时，由于电磁感应现象的存在，导体材料内将产生旋涡状电流，这种旋涡状的电流叫涡流。同时，旋涡状电流在导体材料中流动又形成一个磁场，即涡流场，线圈产生的磁场和涡流产生的磁场会互相影响，最终达到动态平衡。

图2所示，线圈中通以交变电流i，线圈周围产生交变磁场，因电磁感应作用，在线圈下面的导体（试样）中同时产生一个互感电流，即涡流i e 。随着原磁场H周期性交互变化，产生的感应场（或称互感磁场）即涡流磁场H e ，也呈周期性交互变化。

由电磁感应原理可知，感应场H e总要阻碍原磁场H的变化；即当原磁场H增大时、感应磁场H e也要反向增强；反之亦然，最终达到原磁场H与感应磁场H e的动态平衡。通俗的说，感应磁场H e总是要阻碍原磁场H的改变，以便维持相对动态平衡。

图2检测线圈使受检样品表面产生涡流场

3.3 涡流检测仪的基本结构及机理

如图2、图3所示，当检测线圈位于导体的缺陷位置时，涡流在导体中的正常流动就会被缺陷所干扰。换句话说，导体在缺陷处，其导电率发生了变化，导致涡流i e的状况受到了影响，感应磁场H e随之发生变化，这种变化破坏了原来的平衡（即H与H e的动态平衡），原线圈立刻会感受到这种变化。即通过电流i反馈回来一个信号，我们称之为涡流信号。这个涡流信号通过涡流仪拾取、分析、处理和显示、记录，成为我们对试件进行探伤、检测的根据。

根据电磁感应的互感原理，只有两个导体之间才能产生互感效应。故产生涡流的基本条件是：能产生交变激励电流及测量其变化的装置，检测线圈（探头）和被检工件（导体）。通常受检工件包括金属管、棒、线材，成品或半成品的金属零部件等。

实际上，除导体存在缺陷可引起涡流变化外，导体的其他性质（如电导率、磁导率、几何形状······等）的变化也会影响导体中涡流H e的流动，这些影响都将产生相应的涡流信号。因此，涡流不仅可以用来探伤，且可以用来测量试样的电导率、磁导率、几何形变（或几何形状）和材质分选等。

图3涡流仪器的基本结构及原理

3.4电阻抗——涡流检测的原理

检测线圈拾取的涡流信号可由线圈的电阻抗（Z impedance）变化来表示，涡流检测就是通过测量涡流传感器的电阻抗变化值来实现的，传感器线圈的电阻抗包括阻抗（R resistance）和电抗（X reactance），分述如下：

3.4.1阻抗——能量损耗

无论交流电流，抑或直流电流通过导体材料，电荷在导体中移动将克服一定的阻力，即电阻。

导体材料的电阻使部分电能转化为热，损耗一定的能量。激励电流在线圈中流动，或感应电流在被测导体(工件)中流动都要损耗能量，不同试件因导电率，磁导率等影响因素各异，能量损耗的大小也不一样。铁磁材料的磁滞损耗也等效为有功电阻增大。

3.4.2 电抗——能量存储

当电流通过导体时，导体周围形成磁场，部分电能转化为磁场中的磁能，在一定条件下磁场的磁能可转变为感应电流。涡流检测中，除了自感现象以外，两个相邻的线圈间还有互感现象存在。无论自感电流，抑或互感电流所形成的磁场，总要阻碍原电流增强或减弱，这就是感抗的作用。同理，电容器对电压变化的作用称为容抗，感抗和容抗统称为电抗。一般的说，磁性材料增强检测线圈的电抗，非磁性材料削弱检测线圈的电抗。

3.5 实验仪器介绍

3.5.1 SMART-2097智能便携式多频涡流仪

图4所示为厦门EDDYSUN生产的SMART-2097智能便携式多频涡流仪，其集先进的数字技术、涡流技术和微处理机技术于一体，能实时有效的检测金属材料的缺陷，区分合金种类和热处理状态，测量厚度变化，是一种实用性很强的多功能便携式涡流检测设备。

①场致发光显示

②电源开关

③指示灯

④探头插座

⑤触摸键盘屏

图4 SMART-2097智能便携式多频涡流仪

SMART-2097智能便携式多频涡流仪的机构框图如图5所示。它以两个不同频率（F1, F2）同时激励检测线圈，根据不同频率对不同参数变化所获取的检测信号各异，通过实时混频，进行矢量相加减和其他处理，提取所需信号，抑制干扰信号，达到“去伪存真”的目的。

SMART-2097智能便携式涡流检测仪由电脑控制的具有石英晶体稳定度的可变频率波形发生器可产生所需要的正弦波激励波形，按实际检测的需要选择不同频率（F1，F2）经过功率放大器后，同时送达检测探头激励检测线圈。检测后可获得几种不同的涡流信号，由探头拾取，然后分别进入不同的通道。经前置放大、相敏检波、平衡滤波、相位旋转和可调增益放大器。由计算机控制根据需要将两种涡流信号送入混合单元，经混合单元实时矢量运算处理后进入数据处理单元，