第9讲涡流检测技术

1 fu
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热交换管的探伤实例

热交换管内的液体介质会造成管壁的腐 蚀和沉淀物的堆积；热交换器管的外壁 与支架的摩擦会导致接触部位的磨损。 采用内穿过式涡流检测线圈进行检测是 目前较为常用的方法。 检测原理和过程如下。

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热交换管的探伤实例
线圈与管壁 上通孔的相 对位置变化 会引起涡流 信号的变化。
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涡流检测相关技术
线圈阻抗分析：
–理想线圈只有感抗，而实际线圈都有内阻，其阻抗 可表示为Z＝R＋jX=R+jwL，R：电阻，X：感抗，w： 角频率
单个线圈的等效电路如下图所示
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涡流检测相关技术

线圈耦合等效电路：
– 两个相互耦合的线圈如下图所示。将二次线圈电路
阻抗通过互感转换为一次线圈电路的折合阻抗，如 图C所示。
– 能够引起涡流异常的不连续缺陷都能被检测。
– （棒、管）环绕式线圈对于方向以纵向为主，并在
径向具有不同深度的不连续，如裂纹、折叠、未焊 透等缺陷，比较容易检测。
– 自比式线圈，缺陷的两端信号比较强。 – 腐蚀缺陷，由于从两边到中间逐步加深，故自比式
线圈信号不明显
– 材料的导电率越高，涡流信号越强，越容易检测
X轴右移，然后XY轴压缩
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涡流检测相关技术：放置式线圈的阻抗分析
影响阻抗变化的主要因素：
–提离效应的影响 –边沿效应的影响 –工件电导率σ的影响 –磁导率μ的影响 –实验频率的影响 –工件厚度的影响 –线圈直径的影响
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电阻率对阻抗的影响
频率对阻抗的影响
分析电阻率越小，阻抗越小的原因
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工件厚度对阻抗的影响
线圈直径对阻抗的影响
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涡流检测装置
涡流检测线圈：又称涡流探头。有多种分类方法。 按感应方式分：自感式线圈和互感式线圈。

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涡流检测装置

按应用方式分：放置式线圈、外通过式线圈和 内穿过式线圈。
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涡流检测装置

按比较方式分：绝对式线圈、它比式线圈和自 比式线圈。
绝对式线圈
他比式线圈
自比式线圈
E 21 M 21 dI 1 dt E12 M 12 dI 2 dt
E21为线圈1的电流I1在线圈2中产生的感应电动势 M21为线圈1对线圈2的互感系数，单位H，M21＝M12＝M 两线圈之间的耦合程度用耦合系数K表示。 K M
L1L2
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涡流检测相关技术

涡流：导体处在变 化的磁场或相对于 磁场运动时，其内 部会感应出自成闭 合回路的电流。如 右图所示。 集肤效应：直流电通过导体时，截面上电流密 度均匀，而交流电通过导体时，电流主要集中 在导体表面附近。
对于表面和近表面缺陷具有很高的灵敏度。



可工作于高温状态，和一些特殊环境。
除了金属材料，还可以检测导电的非金属材料。
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涡流检测的缺点

只能检测导电材料，且不能检测深入内部缺 陷。 涡流频率增加，表面检测灵敏度增加，但渗透 深度减小。

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涡流检测技术的应用

检测频率的选择
– 涡流探伤的频率一般为几十至10M赫兹。
– 工作频率取决于检测对象厚度、透入深度、灵敏度
或分辨率等。 – 对非铁磁性材料选用几K至几百K赫兹。 – 频率低，透入深度大，但检测灵敏度降低。在满足 检测深度要求的前提下，可选择较高的检测频率， 以提高灵敏度。 – 对于同样的检测深度要求，铁磁材料需要的检测频 率要低。

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相位分析法

相敏检波法是以选定相位的电压作为控制信号来抑制电桥输 出的干扰信号。常用到移相电路，理想的移相电路能够在输 相位角和输出电压？ 出电压保持不变的情况下，把信号的相位角连续地改变0～ 360度。下图是一个简单的移相电路
1 arctan( U C / U R ) arctan , CR
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涡流检测相关技术
电磁感应现象 如右图
法拉第电磁应定律： Ei
d d N dt dt
图b中的电磁感应电动势： Ei Blv sin
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涡流检测相关技术：自感与互感

自感：线圈中通过交流电时，其所产生的交变磁通在线圈中 产生感应电动势的现象。 dI
EL L dt

互感：当通有电流I1和I2的两个线圈接近时，线圈1中的电 流I1所引起的变化的磁通会在线圈2中引起感应电动势；反 之亦然。这种线圈中相互激起感应电动势的现象叫做互感。
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涡流检测相关技术：视在阻抗平面图
曲线半径等于 K L1L2 缺点： –位置与Z1、L1、L2和M 有关。 –半径随频率变化。 为了消除原边线圈阻抗和 频率对曲线位置的影响， 便于对不同情况下的曲线 进行比较，需要进行阻抗 归一化。即坐标变换。
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K 2L1 2
M
涡流检测相关技术：归一化后的阻抗平面图
相位角越大，缺陷位置离检测线圈越远。 检测信号相位角与缺陷的深度之间存在良好 的对应关系，这种关系明显优于与幅度的对 应关系。
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热交换管的探伤结果分析
人工缺陷实验结果：纵座标_孔深；横座标_缺陷对应的相位角。
通孔
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涡流检测的优点

检测时，线圈不需要接触工件，无需耦合剂，检 测速度快。对于线材，一分钟可查几百米。
R2：副边线圈的电阻 X 2：副边线圈的电抗， X 2＝L 2 X M ：互感抗，X M M Re：折合电阻 X e：折合电抗
感应出涡流的导体可以按二次线圈来分析
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涡流检测相关技术：视在阻抗平面图



二次线圈的折合阻抗和一次线圈 的阻抗之和称为视在阻抗Zs＝Rs ＋Xs 可以认为一次线圈中的电流和电 压的变化是由于视在阻抗引起的， 根据视在阻抗可以知道二次线圈 对一次线圈的影响，从而得到二 次线圈阻抗的变化。 如果二次线圈的电阻R2从∞递减 到0，或者X2由0逐渐增加到∞， 计算出一系列对应的Rs－Xs，可 得阻抗平面图如右图所示。
第9讲 涡流检测技术
韩赞东
1
涡流检测的理论基础
与涡流检测有关的材料的性质：
– 材料的导电性相关知识：电导率、电阻等。 – 材料的磁特性
抗磁性物质：使磁场减弱的物质，磁化率为负。如 金、银、铜。 顺磁性物质：使磁场略有增强的物质，磁化率为正。 如空气、铝、铂。 铁磁性物质：使磁场剧烈增加的物质，磁化率为正。 如铁、镍、钴。
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涡流检测的理论基础


磁化曲线：铁磁性 材料的磁化曲线如 右图所示。 磁化强度M：用来 描述材料的磁化状 态：单位体积内所 有磁矩的矢量和。
M H M：磁化强度(A/m) ，H : 磁场强度(A/m), ：磁化率(无量纲) B μH μ 0 μrH μr＝1＋ B : 磁感应密度（T），μ：磁导率（H/m）， μ 0：真空磁导率（ H/m），μr：相对磁导率（无量纲 ）
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涡流检测相关技术

透入深度：涡流透入导体的距离。涡流衰减到 表面值的1／e时的透入深度成为标准透入深度， 用符号δ表示。
1 fu

f: 交流电的频率 μ:材料的磁导率 σ:材料的电导率
实际应用中，将2.6 δ的透入深度定义为涡流 的有效透入深度（占90％的涡流总量），对涡 流检测线圈产生有效影响。如果缺陷在有效透 入深度之外，则会导致检测困难。
I1
E
2M 2 2M 2 R1 2 R2 j[L1 2 L2 ] 2 2 R2 (L2 ) R2 (L2 )
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涡流检测相关技术

折合阻抗的计算：
Ze Re jXe
2 XM Re 2 R2 2 R2 X 2 2 XM Xe 2 X2 2 R2 X 2
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热交换管的探伤实例
管壁上的通孔 通过线圈时涡 流响应的变化 情况
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热交换管的探伤实例
实际涡流检测的响应信号的阻抗图不是对称的“8” 字形，而是如右图所示的半个“8”字形。 涡流检测信号的相位角定义：阻抗最大值的连线与 X轴负方向的夹角。
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热交换管的探伤结果分析

阻抗越大，缺陷越大。
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涡流检测装置

检测信号的分析与处理技术：针对缺陷信号的 不同特征，信号分析与处理方法主要有：
相位分析法
频率分析法
幅度分析法
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相位分析法
相位分析法：利用 信号的相位差对干 扰信号进行抑制的 方法。常用的方法 为相敏检波法和不 平衡电桥法。 相位分析法去除干 扰干扰信号的原理 如右图所示。

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频率分析法和幅度鉴别法

频率分析法：根据干扰信号和缺陷信号的频率差 异，而抑制干扰信号，提取缺陷信号的方法。例 如：温漂信号和缺陷信号。 幅度鉴别法：根据检测 信号中干扰信号与缺陷 信号的幅度差异实现提 取缺陷信号的方法。如 右图所示。

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涡流检测技术的应用

涡流探伤适应的典型缺陷及响应特点
RUi RUi U O IR Z R 2 (C ) 2
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相位分析法
不平衡电桥法：用于 抑制电压变化轨迹近 似于圆弧的干扰信号 （相位不确定，不能 用相敏检波法剔除）。 干扰信号与O点的距 离相等，而缺陷信号 不同。 线圈的提离信号属于 这种变化轨迹为圆弧 的干扰信号。