涡流检测

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7.1 涡流检测原理及影响要素
• 对于相同的试件，化学成分、电导率等都是固定的，因而在一般情 况下，涡流按小圆环流动；但如果在涡流流动的路径上有一条裂纹或一 个凹坑等缺陷，涡流的流动就会受到影响，涡流在缺陷附近将发生畸变 （见图7-1），这畸变的涡流将产生畸变的涡流磁场，而被检测线圈接 收到，所以可用涡流来检测试件中的缺陷。
• 在使用中，该仪器可通过面板键盘编程，进行数字控制。它具有绝 对式、差动式和自比较式线圈，因此是一种多功能仪器。它的NTSC制式 视频输出可以在任何显示器和电视机上显示，还可与录像机和视频打印 机连接使用。其控制面板如图7-6所示。
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7.2 涡流检测设备
• （2）示波管显示多用于较大的涡流检测仪器中。它可以把探头检 测到的阻抗在阻抗平面上的二维分量以图形显示出来。检测线圈的阻抗 特性如图7-3所示，当线圈远离工件时，空载阻抗Z0在阻抗平面上对应于 P0点，阻抗角为α0；当线圈靠近工件检测时，由于受工件和涡流的影响， 线圈阻抗变为Z1，在阻抗平面上对应于P1点，阻抗角为α1。随着工件缺 陷以及探头距缺陷位置的不同，P1点会在阻抗平面上以一定轨迹变动。 • 涡流检测时，由于集肤效应的存在，使得表层下不同深度和缺陷对 探头阻抗的影响不同，表层下大缺陷引起的信号幅值有可能与小缺陷引 起的信号幅值相同，因此不能根据信号幅值确定缺陷的深度。但示波管 显示可解决这一问题。实验表明，涡流检测时，表面下的涡流滞后于表 面涡流一定的相位角，在无限厚的材料内，滞后的相位角与缺陷深度有 线性关系，因而利用相位分析即可判断出缺陷的深度。实际检测时情况 复杂得多，可用试样确定相位与缺陷深度的关系。图7-4是用表面探头 检测厚铝板缺陷时，相位角与缺陷深度的依赖关系。
• 因为线圈交变电流（又称一次电流）激励的磁场是交变的，那么涡 流也是交变的。同样，这个交变的涡流会在周围空间形成交变磁场并在 线圈中感应电动势。这样，线圈中的磁场就是一次电流和涡流共同感生 的合成磁场。假定一次电流的振幅不变，线圈和金属工件之间的距离也 保持不变，那么涡流和涡流磁场的强度和分布就由金属工件的材质所决 定。也就是说，合成磁场中包含了金属工件的电导率、磁导率、裂纹缺 陷等信息。因此，只要从线圈中检测出有关信息，如从电导率的差别就 能得到纯金属的杂质含量、时效铝合金的热处理状态等信息，这是利用 涡流方法检测金属或合金材质的基本原理。
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7.1 涡流检测原理及影响要素
• 2.集肤效应 • 当直流电通过一圆柱导体时，导体截面上的电流密度均相同，而交 流电流过圆柱导体时，横截面上的电流密度就不一样，表面的电流密度 最大，越到圆柱体中心就越小，这种现象称为集肤效应。由于涡流是交 流，同样具有集肤效应，集肤效应随着测试频率f、工件的电导率σ、 磁导率μ的增长而增加，也就是说试样中的涡流密度随着离开测试线圈 距离的增加而减少，这种减少通常按指数规律下降；而涡流的相位差随 着深度的增加成比例地增加。 • 离导体表面某一深度处的电流密度是表面值的l/e时（即36.8%）， 此深度称透入深度h，涡流透入深度是一个重要的参量。在涡流检测时， 透入深度太小，只能检测浅表面缺陷；在涡流测厚时，透入深度太小， 只能测量很薄试样的厚度。
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7.2 涡流检测设备
• 图7-4中阻抗曲线与水平线的夹角θ为滞后相位角。 • 由图7-4可以看出，裂纹1的扩展深度大于表层下洞穴3，但裂纹1的 相位角却小于洞穴3的相位角。 • （3）计算机数据处理可将几个通道来的数据直接进入在线实时处 理，并将结果在CRT上进行实时显示，如图7-5所示。 • 2.涡流检测仪的一般操作步骤 • 不同型号的涡流检测仪的操作步骤虽然各不相同，但是操作步骤大 致可归纳如下。 • （1）仪器预热。一般的晶体管仪器预热半小时左右。 • （2）选定仪器的平衡形式（自动还是手动）或者不需平衡。如用 手动平衡，则应调节补偿器，使探头零电势得到平衡，一般仪器可用示 波器来监视零电势平衡的情况。调平衡时，灵敏度旋钮先放在较低档级， 平衡调整中逐渐增高灵敏度。
• 从物理学可知，试件的温度升高，其电导率大多数下降。因而试件 的热量也是影响涡流流动的一个原因。应该提到的是涡流本身也会使试 件发热，在进行涡流检测时应注意不使试件发热。
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7.1 涡流检测原理及影响要素
• （2）检测线圈和检测仪器。如何在试件周围建立激励磁场和如何 检测试件中涡流磁场的变化，这两个功能都是由检测线圈来完成的。当 然，只有探头也不行，还应该同时具有涡流检测仪器。因而影响涡流检 测的第二个要素是检测线圈和检测仪器。
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7.2 涡流检测设备
• （3）选定灵敏度。有经验可一次选定，没有经验可通过标准伤的 探测反复多次确定。
• （4）相位调节。使标准伤的信噪比最大。 • （5）根据所选定的检测速度选择滤波器形式（高通、带通和低通） 及滤波器的频率。 • （6）调节报警电平，使标准伤正好报警。在静态调好后，还需在 检测前进行复核。 • （7）调节好记录器的灵敏度，使标准伤的指示在记录纸刻度的50% 左右。
• 涡流检测的线圈起到向试件输送激励磁场和接收涡流畸变信息的作 用。试件中产生涡流的方向，是抵消激励线圈中电流的作用，因而涡流 的方向与激励电流方向相反。而涡流又会形成自己的磁场，这个磁场又 会在激励线圈中产生感应电流，这个感应电流与涡流方向相反，所以与 激励电流方向相同。这就是说，涡流的反作用是使激励线圈中电流增加。 如果涡流发生变化，这个反作用电流也会变化，从这个变化着反作用电 流中，我们可以得到试件性能的信息。
• 另外，激励电流和反作用电流之间有一个相位差，这个相位差也随 着试件的性能而变化，因而，也可以从这个相位差中得到试件性能的信 息。有关检测线圈的形式和使用特点如表7-1所示。
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7.1 涡流检测原理及影响要素
• （3）间距。检测线圈和试件如何配合，也就是说，它们之间相距 多少距离，它们之间做什么形式的相对运动，也会直接影响涡流检测的 灵敏度，因而间距是影响涡流检测的第三个要素。 • （4）机械传动。在很多场合，特别是在冶金工厂，对管、棒、线、 丝等成品或半成品的涡流检测大多放在生产线上，即“在线”检测，或 者是形成一条半成品或成品流水自动检测线，所以机械传动装置性能， 包括同心度、直度、振动、速度稳定性能等都会影响涡流检测的好坏。 因此，机械传动是影响涡流检测的第四个要素。 • （5）标准样块。涡流检测是一种相对的检测，它的检测要求有一 个标准样块（如标准伤、标准厚度等）作为比较，所以检测中的标准伤 的形状和尺寸，测厚中的标准厚度的精度等都会影响涡流检测的好坏， 因而标准样块是影响涡流检测的第五个要素。
• （8）调节标记装置的延迟时间，使标记最好打在标准伤上。 • （9）决定自动分选的档级（分两类还是分三类），在分三类的情 况下，应在控制台上预选好试件的定尺长度。 • （10）对标准伤进行反复多次探测，即预测，看是否满足检测的要 求。
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7.2 涡流检测设备
• （11）经过1～2h的生产检测，并对标准伤进行一次复探，合格后 可继续进行生产检测，如发现标准伤反应的幅值变大或变小，则应重新 对设备进行调整，而且对先前探过的试件应进行复查。
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7.1 涡流检测原理及影响要素
• 涡流是根据电磁感应原理产生的，所以涡流是交变的。同样，交变 的涡流会在周围空间形成交变磁场，因此，需注意以下几点。 • （1）空间中某点的磁场不再是由一次电流产生的磁场，而是一次 电流磁场和涡流磁场叠加而形成的合成磁场。涡流磁场的方向由楞次定 律确定。 • （2）涡流的大小影响着激励线圈中的电流。 • （3）涡流的大小和分布决定于激励线圈的形状和尺寸、交流电频 率、金属块的电导率、磁导率、金属块与线圈的距离、金属块表层缺陷 等因素。 • 因此，根据一次侧检测线圈中的电流变化情况（或者是阻抗的变 化），就可以取得关于试件材质的情况、有无缺陷及形状尺寸的变化等 信息。
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7.1 涡流检测原理及影响要素
• 3.影响涡流检测的要素 • （1）试件必须是导电材料。试件一定要能导电，非导电体就无法 用涡流进行检测。所以，影响涡流检测的第一个要素是试件的性质，它 必须是导电材料。因而在讨论涡流检测时，应该十分重视试件的性能。 • 凡是对涡流的流动和分布会产生影响的试件性能，都会影响涡流检 测。 • 因此，首先要提到的是试件的电导率，所谓“电导”指的是试件传 导电流的能力。与之相反，电阻是试件阻碍电流流动的能力。因而，高 的电导就相当于低的电阻。从上述定义可知，试件的电导率将直接影响 涡流的流动。 • 而试件的化学成分是决定试件导电性能的主要因素，因而试件的化 学成分不同将会影响试件的涡流检测。基于这一点，可以利用涡流技术 来分选钢材等。
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7.2 涡流检测设备
• 1.涡流检测诊断仪的组成及显示装置
• 不同的涡流检测仪是根据不同的检测目的和应用不同的方法抑制干 扰因素、拾取有用信息的电子仪。随着用途的不同、检测线圈的不同以 及提取影响检测线圈阻抗的各种因素的方法不同等，研制出了各种不同 类型的涡流检测仪器。但大多数涡流检测系统必须具有如下功能。
• （1）激励检测线圈。
• （2）用被检工件来调制检测线圈的输出信号。
• （3）在放大以前对检测线圈的信号进行处理。
• （4）将信号放大。
• （5）对信号作检波和解调及分析等。
• （6）信号的显示和记录。
• 涡流检测仪一般由振荡器、探头（检测线圈及其装配件）、信号输 出电路、放大器、处理器、显示器、记录仪和电源等几部分组成，其原 理方框图如图7-2所示。
来自百度文库
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7.2 涡流检测设备
• 振荡器的作用是给电桥电路提供电源，当作为电桥桥臂的检测线圈 移动到有缺陷的部位时，电桥输出信号，信号经放大后输入检波器进行 相位分析，再经滤波和幅度分析后，送到显示和记录装置。 • 根据振荡器的输出频率可分为高频与低频。高频振荡频率为2～ 6MHz，适合于检测表面裂纹；低频振荡频率为50～100Hz，穿透深度较 大，适合于检测表面下缺陷和多层结构中第二层材质中的缺陷。 • 涡流信号显示装置主要有电流表、示波管和计算机的CRT三类。 • （1）电流表显示多用于便携式小型涡流检测仪中。当缺陷出现， 电桥失去平衡时，电流表指针偏转。电表读数与缺陷大小和缺陷深度有 关。对于表面缺陷，电表读数与缺陷的大小呈线性关系。例如，裂纹测 深时可从电表直接读出裂纹深度，涂层厚胶测量时可从电表直接读出厚 度，电导率检测时可直接读出电导率等。随着电子技术的发展，目前已 有用数码显示代替电表显示，这样可避免人为误差。
• 试件的其他性能，凡是会影响其电导率的，都会影响试件中涡流流 动。反过来也可以用涡流来检测这些性能。例如，材料的强度与材料的 硬度有关，而材料的硬度又与材料的电导率有关，因此可以用涡流来检 测试件的强度和硬度。同样试件的热处理情况、内应力情况、钢材脱碳 层的厚度等也都会影响试件的电导率，因而这些性能也能从涡流的变化 中得到反映。
• 3.涡流检测诊断的典型仪器
• 目前，涡流检测诊断的仪器类型很多。下面介绍美国STEVE公司的 NORTEC19型涡流检测仪。
• NORTEC19是美国STEVE设备公司出品的无损检测仪。它具有数字存 储、实时直观显示并能满足现实中几乎全部的涡流检测需求等优点。它 能通过双频显示功能将两路频率信号合并，去除某些干扰信号。它的 CMOS电路及微处理器控制使其成为一种便携式设备。
第7章 涡流检测
• 7.1 • 7.2 • 7.3 • 7.4
涡流检测原理及影响要素 涡流检测设备 涡流检测特点 涡流检测方法及其应用
7.1 涡流检测原理及影响要素
• 1.基本原理
• 涡流检测是涡流效应的一项重要应用。当载有交变电流的检测线圈 靠近导电试件时，由于线圈磁场的作用，试件会感生出涡流。涡流的大 小、相位及流动性是受到试件导电性能等的影响，而涡流的反作用又使 检测线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化（或线 圈上感应电压的变化），就可以得到被检材料有无缺陷的结论。