涡流的利用与防治

涡流的利用与防治

---季奎明

物理学是一门非常有趣有用自然科学，它研究的内容十分广泛。

我今天讨论的物理主题是涡流，它在我们日常生活中经常碰到。既有好的方面，也有坏的方面。现在让我们认识它一下，从而利用它，消除不利的影响，让它服务人类！首先让我们了解一下它产生的原因。涡流产生的原因：

当线圈中的电流随时间的变化时，由于电磁感应，附近的另一个线圈中会产生感应电流。实际上这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流。如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以据麦克斯韦电磁理论可知，闭合导体周围会产生变化的磁场，变化磁场周围也会产生变化的电场,载流子在电场中形成涡流电流。

一、感应加热

涡流热效应：让大块导体处在变化的磁场中，或者相对于磁场运动时，在导体内部也会产生感应电流。这些感应电流在大块导体内的电流流线呈闭合的旋涡状，被称为涡电流或涡流（eddycurrent）。由于大块金属的电阻很小，因此涡流可达到非常大的强度。利用高频率变化的电磁场在大块导体中产生的涡流热，可以用来冶炼金属，俗称高频感应炉。（章家岩，1995.感应加热涡流及工程设计问题的讨论.《工业加热》，06期.）

在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，线圈的中间放置一个耐火材料（例如陶瓷）制成的坩埚，用来放有待熔化的金属。涡流感应加热的应用很广泛，除了高频感应炉冶炼金属，还用高频塑料热压机过塑，以及把涡流热疗系统用于治疗。

感应加热的优点：1、非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触；

2、加热效率高，速度快，可以减少表面氧化现象；

3、容易控制温度，提高加工精度；

4、可实现局部加热；

5、可实现自动化控制；

6、可减少占地、热辐射、噪声和灰尘。

二、电磁炉

电磁炉采用了磁场感应涡流加热原理，它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内的磁感线传到含铁质锅的底部时，即会产生无数强大的小涡流，使锅本身自行迅速发热，然后再加热锅内的食物。电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具。它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流（又称为涡流）的加热原理，电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦二产生热能（故：电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”。

三、涡流探测

涡流金属探测器有一个流过一定频率交变电流的探测线圈，该线圈产生的交变磁场在金属物中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物。涡流金属探测器可用于探测行李包中的枪支、埋于地表的地雷、金属覆盖膜厚度等等。(林

俊明，1996. 多频涡流检测原理及应用.《无损检测》，01期.)

四、涡流探伤

涡流探伤系统工作原理：由振荡器即交变电压发生器供给检测线圈激励电流，经信号耦合装置在试件及其周围形成一激励磁场，该磁场在试件中感应出涡流，涡流又产生自己涡流磁场，其作用是抵消激励磁场，消弱和抵削的程度视试件材质对涡流影响的各种因素而定。涡流磁场中包含了试件性质的信息，反过来使检测线圈的阻抗发生变化，而检测线圈可检测出试件中涡。流磁场的变化，即检测出有试件性质的信息。将这些信息经放大，相继检波器提取调制信号，滤波器对调制信号滤波，幅度鉴别器对信号幅度判别等处理，就可以获得一定信嗓比有用信号，最后由显示记录器、报警器指示检测结果。

涡流探伤技术特点：

（1）涡流探伤只适用于能导电的材料。影响涡流探伤的而定了因素很多，决定了涡流探伤技术用于的广泛性和多种用途。

（2）涡流探伤特别适用于导电试件的表面和亚表面的检测及薄的、细的导电试件的检测。提高对试件深部伤检测灵敏度及对不同伤形区分的检测能力已是涡流探伤应用中的一项重要课题。

（3）为了区分各种因素对涡流探伤的影响，消除干扰、提高新噪比、分离提取有用信号，必须特别注意信号盘理。这种信号处理工作至今在国内外还在发展之中，如采用多频、多参数信号处理技术，增加数据存储容量和数据结果自动处理的功能，用计算机研究表面线圈阻抗的数字模型，研究各种新型检测线圈，采用综合的新的检测方法等。

（4）涡流探伤不需耦合剂即可实现非接触检测，特别适用于高速状态下及高温金属的自动检测、高温高压状态下的检测。

应用：涡流探伤仪:涡流探伤仪常用于军工\航空\铁路\工矿企业野外或现场使用，是具有多功能、实用性强、高性能/价格比的特点的仪器，集多年制造涡流检测仪之经验，满足各类用户的需要。可广泛应用于各类有色金属、黑色金属管、棒、线、丝、型材的在线、离线探伤。对金属管、棒、线、丝、型材的缺陷，如表面裂纹、暗缝、夹渣和开口裂纹等缺陷均具较高的检测灵敏度。

应用领域：

1、轴承外圈、轴承内圈、齿轮坯、环型金属零件、汽车零部件；

2、铜管、钢管、不锈钢管、焊接管、铝塑管、钢丝、双层管、铜包钢、铝丝金属棒材等生产线在线及离

线上的无损探伤；

3、石油套管、抽油杆、空心轴等无损探伤；

4、冷凝器管、空调器管、汽车油管等检测；

5、适用于各种金属管棒线材的无损探伤。

五、电涡流传感器

电涡流传感器的工作原理是通过对处于检测线圈形成的电磁场中的工件及周围空间区域列出麦克斯韦方程及定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈的阻抗特性的变化与被检测工件受影响因素之间的关系。