15-涡流检测原理解析

D) 不需要耦合剂 E) 对管、棒、线材等便于实现高速、高效率的 自动化检测 F) 适用于高温及薄壁管、细线、内孔表面等其 它检测方法比较难以进行的特殊场合下的检测
缺点
A) 限于导电材料
B) 只限于材料表面和近表面的检测
C) 干扰因素多，需要特殊的信号处理
D) 对形状复杂的工件进行全面检测时效率很低
在半圆上端 F 等于零，中间 F 等于 1 ，下端 F 为无 穷大。归一化处理后的电阻和电抗都是无因次量， 并且都一定小于 l 。根据这个方法得到的阻抗平 面图的格式是统一的，因而具有通用性。
在涡流检测时，若通以交变电流的线圈中没有 试样，则可以得到空载阻抗 Z0=R0+jω L0 ，若在 线圈中放入试样，线圈阻抗将变为Z1=R1+jω L1 随着材料和工件性质的不同，对检测线圈的影 响也不一样，因而，工件性质的变化可以用检测 线圈阻抗特性的变化来描述。
由于引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是 线圈中磁场的变化，检测时需要分析和计算工件 被放入检测线圈后磁场的变化，然后得出检测线 圈阻抗的变化，才能对各种因素进行分析。
首先需要了解两个线圈相距很近而又有互感的情 况，当线圈2不接负载时，线圈1的等效阻抗为线 圈1原有的阻抗Z1不变(Z1=R1+jω L1)
而当线圈 2 的负载短路时，线圈 1 的等效阻抗为 R1+jω L1(1-k2) ， 即 比 线 圈 1 的 原 有 阻 抗 减 小 了 jω L1k2大小(其中k为耦合系数
1 f
式中 f-交流电流频率(Hz)，μ -材料磁导率(H/m)， σ -材料电导率[m/(Ω .mm2)] 从上式可知，频率、电导率和磁导率愈大，透 入深度也就愈小。
几种典型材料的透入深度如图 6-1 ，显示导电材 料的透入深度与检测频率的关系
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除了透入深度的定义外，它也是交流电流的 相位差为180o的深度。 工件表面的涡流密度最大，它的检测灵敏度 最高，离工件表面愈深，涡流密度愈小，检出 灵敏度愈低。 涡流检测中，要用许多阻抗平面图来描述缺 陷、电导率，磁导率和尺寸变化与线圈阻抗的 关系。
用这样的阻抗平面来了解线圈阻抗变化要比用 公式直观得多，容易理解。
但是由于不同的线圈阻抗和不同的电流频率有 不同的半圆直径和位置，而且有时线圈阻抗的轨 迹曲线不是半圆，因此要进行相互比较有困难。
为此，用线圈 1 的视在感抗 ω L1 来除纵轴和横轴 的X和R，可以获得归一化阻抗曲线，如图b
这样，半圆直径在纵轴上的位置，上端为(0,1)， 下端为(0,1-k2)，直径为k2，半圆上参变数 Rr，用 归一化频率F来表示，则有 F L2 Rr
尤其加热到居里点温度以上的钢材，检测时不 再受磁导率的影响，可以像非磁性金属那样用涡 流法进行探伤、材质检验及棒材直径、管材壁厚、 板材厚度等测量。 涡流检测可以广泛用于各种金属材料工件和少 数非金属材料工件。
与其它无损检测方法相比，涡流检测的主要优、 缺点如下: 优点: A) 对导电材料的表面或近表面的检测，具有良 好的灵敏度 B) 适用范围广，能对导电材料的缺陷和其它因 素的影响提供检测的可能性 C) 在一定条件下可提供裂纹深度的信息
因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，可以得 到被检材料有无缺陷的结论。
涡流检测只适用于导电材料，同时由于涡流是 电磁感应产生的，所以在检测时不必要求线圈与 被检材料紧密接触，从而容易实现自动化检测。
因此，对管、棒、丝材的表面缺陷，涡流检 测法有很高的速度和效率。
涡流及其反作用磁场对金属材料工件的物理和 工艺性能的多种参数有反应，因此是一种多用途 的检测方法。
如将线圈l的阻抗作一复数阻抗平面，即以电阻R 为横轴，以感抗 X为纵轴并以负载 Rr为参变数作 出的轨道曲线，如图a所示
是一个近似半圆 ( 右边 ) ，半圆直径为 k2ω L1 ，线 圈1感抗X从ω L1单调减少到(1-k2)ω L1，而电阻R 由R1，增加到Rl+k2ω L1/2最大值后减小回到R1
然而，正是由于对多种试验参数有敏感反应， 也就会给试验结果带来干扰信息，影响检测的正 确进行。
对涡流产生影响的因素有电导率、磁导率、 缺陷、工件形状与尺寸及线圈与工件之间距离等。 因此，涡流检测可以对材料和工件进行电导率 测定、探伤、厚度测量以及尺寸和形状检查等。
表中列举了涡流检测的几种用途
涡流法还可对高温状态下的导电材料进行涡流 检测，如热丝、热线、热管、热板等。
6 涡流检测
6-1 涡流检测基本原理
金属在变动的磁场中或相对于磁场运动时，金 属体内会感生出旋涡状流动的电流，称为涡流。 涡流检测是以电磁感应为基础，它的基本原理 是，当载有交变电流的线圈靠近导电材料时，由 于线圈磁场的作用，材料中会感生出涡流。
涡流的大小、相位及流动形式受到材料导电性 能的影响，而涡流产生的反作用磁场又使检测线 圈的阻抗发生变化。
由于涡流也有趋肤效应，因此，涡流密度在金 属表面最大，离表面愈远衰减愈大。
不同导电材料 (电导率和磁导率不同 )以及通过 的交变电流的频率不同，电流密度在工件横截面 上的分布也有所不同，它是按指数规律从工件表 面向工件内部衰减的。
电流密度下降到表面电流密度37%的深度，称为 透入深度(δ )。它与激励电流的频率、金属材料 的电导率和磁导率有直接关系，可表示为
E) 检测时难于判断缺陷的种类和形状
涡流既然是因为线圈中交变电流 ( 又称一次电 流 ) 激励的交变磁场在金属中感应产生的，那么 涡流也是交变的，同样会在周围空间形成交变磁 场并在线圈中感应电动势。
这样，线圈造成的磁场不是由一次电流所产生， 而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 间的距离也保持固定，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，例如从 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。