第五章涡流检测教材

第五章涡流检测

涡流是当金属导体处在变化着的磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应作用而在金属导体内产生的旋涡状流动电流。

(我们在实践中会遇到一些涡流现象，如金属存在电阻，当电流流过金属导体内时会产生焦耳热。工业上利用这种热效应制动了高频感应电炉来冶炼金属。这种电炉的炉壁上绕有线圈，当线圈接通高频大功率电源时，炉体内随之产生很强的高频交变磁场。在炉体放置一定数量的金属，金属中便产生强大的涡流致使金属被加热至熔化。) 涡流检测具有以下特点：

①由于检测是以电磁感应为基础的，探头线圈不需接触工件，因此检测速度快。（对管、棒材。每分钟可检测几十米，线材可检测几百米实）易于实现自动化检测。

②对工件表面和近表面的缺陷，有较高的检测灵敏度。

③能在高温状态下，对管、棒、线材和坏料等进行检测。

④涡流检测技术是一种多用途的检测技术，除探伤外，还能测量工件、涂层的厚度、间隙以及工件的机械和冶金性能等。

⑤能提供缺陷的信息。

⑥实验结果可与检测过程同时得到，记录可长时期保存。

由于感生涡流渗入工件的深度与频率的平方根成反比（感生涡流具有趋肤效应）。这个深度不大，因此，涡流检测目前只能检测表面及近表面的缺陷。另外，因为影响涡流检测的因素如导电率、磁导率、缺陷、工件形状和尺寸以及探头线圈与工件之间的距离等，要取

得所希望得到的检测参数，需要较复杂的信息处理技术。还有涡流检测对复杂表面的检测效率低。

第一节 涡流检测的物理基础

一、材料的导电性

(一)材料的导电率

根据欧姆定律，沿一段导体流动的电流强度与其两端的电位差成正比。即：

R

U I = 根据一定材料的导体，它的电阻与导体长度(L)成正比，与导体的截面积(S)成反比。即：

S

L R ρ= 我们称ρ为导体的电导率单位为：(Ω·mm 2/m)或(μ·Ω·cm)

(二)影响电导率的因素

1．杂质含量

如果在导体中掺入杂质，杂质会影响原子的排列，引起电阻率的增加。

2．温度

随着导体的温度升高，导体内的原子热振动加剧，自由电子的碰撞机会增加，电阻率随之增加。

3．冷热加工

材料的冷热加工，可能产生内应力而使原子排列结构变形。这

时，电子受到碰撞次数增加，电阻率也会上升。

4．合金成份

对于固溶合金(杂质在基体金属内均匀分布)，一般说来电阻率随着合金成分的增加而增加。

二、材料的磁特性

(一)磁场及其量度

(略)

(二)电流产生的磁场

(略)

(三)材料的磁特性

(略)

(四)影响磁导率的因素

1．化学成份和热处理状态

材料的化学成份和热处理状态不同，表现的磁导率也不同。如不同含碳量的碳钢，在退火状态比淬火材料磁导率要高，而随着含碳量的提高，相对磁导率也会降低。

2．冷加工

如300系列不锈钢非磁性的奥氏体钢经冷却加工后形成马氏体相，就会增加磁导率。相反，大多数铁磁材料的导磁率会减小。

3．温度

各种磁性材料的居里点：

铁(769℃)、钴(1118～1124℃)、镍(353～358℃)、钇(16℃)、

渗碳体Fe 2C(215℃)、硫化铁FeS(320℃)、四氧化三铁Fe 3O 4(575℃)、三氧化二铁Fe 2O 3(620℃)、软磁铁氧体(50～600℃)

三、电感感应

(一)电感感应现象

楞次定律：

闭合回路中产生的感应电流有确定的方向，它所产生的磁通总是企图阻碍原来磁通的变化。

(二)电磁感应定律

闭合回路(螺线管回路)中产生的感应电流，是由于这回路中有电动势存在。法拉第最先确定了这种电动势的大小和磁能量变化间的数量关系。

法拉第根据能量守恒定律推导得出：

dt

d φε= 式中：ε－感应电动势

d φ/dt －是磁通随时间的变化量

上式为单匝线圈的回路，对于n 匝线圈的回路其电电势为： dt

d φn -＝ε 在MKS 单位制中，各物理量的单位如下：

ε－伏特、n －匝、d φ－韦伯、dt －秒

(三)自感应现象

在任意闭合回路中，当接有线圈和负载时，回路中的电流在空间作一点所产生的磁感应强度，和电流强度成正比，因此，磁通量也

和电流成正比。即有：

φ=L 0·I

比例系数L 0叫做回路中的自感系数，它与回路的几何形状、大小、匝数及回路中的介质有关。自感系数的常用单位是享利。回路中的自感电动势ε

0的关系式为：

t I -L 00∆∆=ε (四)互感应现象

如果有两个螺线管线圈的闭合回路靠在一起，当第一个通上电流I 1，在第二个回路中就会产生感生电流。

如果第二回路的互感系数为L 21(享利)，在第二回路中产生的感生电动势ε2，则有：

dt

dI -L 1212=ε

第二节 涡流检测的基本原理

一、涡流的产生及其数学表达式

将两上线圈作中安排，当线圈1中通过变

化电流时，会在另一个线圈中产生感生电动势。

如果线圈2是闭合的，就会有电流流过。若用金

属板来取代线圈2，这时金

属板的匝数相当于1，电阻

为R(电阻很小)的一个线

圈，在金属板内同样会产生

感生电流。由于这种电流的

形状呈旋涡状，故称为涡

流。

涡流现象可用下面的数学等式进行描述：

如果通过探头线圈的电流是正弦电流，则有：

t)sin(I 0p ω=i

该电流所产生的磁通量φp 与线圈的圈数N 和电流i p 成正比： φp ∝N ·i p

如果探头线圈靠近工件，工件中将会产生涡流：

s s

Z μM i s =

式中：M －线圈和试件的互感

Z s －试件的阻抗

μs －试件的磁导率

试件当中的电导率、磁导率、缺陷以及厚度等尺寸的变化都会引起Z s 的改变，所以通过检测i s 的变化就可以检测工作的材质、尺寸和完整性。

根据楞次定律，涡流磁场和探头线圈所产生的磁场相反，故总的磁通量为：