第三章涡流检测
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第三章涡流检测
三、涡流的趋肤效应和渗透深度
1.趋肤效应 感应出的涡流集中在靠近激励线圈的材料表面附
近的现象。涡流密度随着距离表面的距离增加而减 小。 2.渗透深度
趋肤效应的存在，使交变电流激励磁场的强度及 感生涡流的密度，从被检材料的表面到其内部按指 数分布规律递减。将涡流密度衰减为其表面密度的 1/e（36.8%）时对应的深度定义为：
第三章涡流检测
初级线圈的阻抗平面图
第三章涡流检测
2）
阻抗平面图原点坐标向右 平 移 R1 距 离 ， 然 后 再 用 ωL1 去 除Xs和Rs坐标，使Zs的半圆轨 迹的直径在Xs上，轨迹上诸点 的位置则取决于参变量ωL2/R2 的实际取值。
第三章涡流检测
归一化后的阻抗平面图
一、
1） 设通以交变电流的检测线圈（初级线圈）的自身阻抗为Z0，
其中忽略了容抗，则
Z 0R 1jX 1R 1j L 1
（3-1）
当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互耦合时，由于互感的
作用，闭合的次级线圈中会产生感应电流，而这个电流反过来又
会影响初级线圈中的电压和电流。这种影响可以用次级线圈电路
阻抗通过互感M反映到初级线圈电路的折合阻抗来体现，设折合
阻抗为。
Z e R e jX e R 2 2 X M 2 X 2 2 R 2 jR 2 2 X M 2 X 2 2 X 2 X M M 互 感 抗 （3-2） 第三章涡流检测
将次级线圈的折合阻抗与初级线圈自身的阻抗的和称为 初级线圈的视在阻抗Zs，即
Z s R s jX s R 1 R e j( X 1 X e )（3-3）
2.自感应
当线圈中通以交变电流I时，其所产生的交变磁通量 也将在本线圈中产生感应电动势，此现象称为自感现象， 产生的感应电动势称为自感电动势EL
E L L d d I t L -自 感 系 数 ， 单 位 亨 利 （ H ）
第三章涡流检测
3.互感应
当两个线圈相互靠近，线圈中分别流过交变电流I1和I2 的情况下，由线圈1中电流I1所引起的变化的磁场通过线圈2 时会在线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中电流I2所引 起的变化的磁场通过线圈1时会在线圈1中产生感应电动势， 这种两载流线圈相互激起感应电动势的现象称为互感现象， 所产生的感应电动势称为互感电动势。在线圈2和在线圈1中 产生的感应电动势，在两线圈形状、大小、匝数、相对位置 及周围磁介质给定的情况下可给出
路中产生的感应电动势Ei等于所包围面积中磁通量Φ随时间
变化的负值
Ei
d dt
此负值表明闭合回路中感应电流所产生的磁场总是阻碍产生 感应电流的磁通的变化，这个方程称为法拉第电磁感应定律。 此方程用于一个绕有N匝的线圈，所得感应电动势表示为
E i N d d t d d N t第三章E 涡i 流 检伏 测 ， N - 匝 ， 韦 伯 ， t 秒
第三章涡流检测
二、涡流检测的特点
1、用途与影响涡流特性的因素
1.探伤：缺陷形状、尺寸和位置 2.材质分选：电导率 3.测厚：检测距离和薄板厚度 4.尺寸检测Baidu Nhomakorabea工件的尺寸和形状 5.物理量测量（径向振幅、轴向位移及运动轨迹的 测量）：工件与检测线圈间的距离
第三章涡流检测
2、 特点
1.对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高； 2.检测线圈不必与被检材料或工件紧密接触，不需耦 合剂，检测过程不影响被检材料的性能； 3.应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工 艺因素均能实施监测； 4.在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息； 5.可在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其它检 测方法不适应的场合实施监测； 6.检测形状复杂零件，效率低；难于区分缺陷的种类 和大小。
E 2 1 M d d I t 1 ,E 1 2 M d d I t 2 M 为 两 个 线 圈 的 互 感 系 数
耦 合 系 数 K =L M 1 L 2， L 1 和 L 2 线 圈 1 和 线 圈 2 的 自 感 系 数
第三章涡流检测
3.2 涡流检测的阻抗分析法
线圈耦合电路
第三章涡流检测
h 503
f r
h:渗透深度(m); f :电流频率(Hz);
r :材料相 第三对章磁涡导 流检率测; :电导率(S/m)
几种不同材料的标准透入深度与频率的关系
第三章涡流检测
四、电磁感应现象
1.电磁感应
当穿过闭合导电回路所包围面积的磁通量发生变化时，
回路中就会产生感应电流，这种现象叫做电磁感应现象。回
第三章 涡流检测技术
利用电磁感应原理，通过测定被检工 件内感生涡流的变化来无损地评定导电材 料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无 损检测方法。称为涡流检测。
涡流检测只能用于导电材料的检测。 对管、棒和线材等型材有很高的检测效率。
第三章涡流检测
3.1涡流检测的基本原理
一、涡流检测的基本原理
当载有交变电流的检测线圈 靠近导电工件时，由于线圈磁场 的作用，工件中将会感生出涡流 （其大小等参数与工件中的缺陷 等有关），而涡流产生的反作用 磁场又将使检测线圈的阻抗发生 变化。因此，在工件形状尺寸及 探测距离等固定的条件下，通过 测定探测线圈阻抗的变化，可以 判断被测工件有无缺陷存在。
式中：Rs为视在电阻；Xs为视在感抗。 应用视在阻抗的概念，就可认为初级线圈电路中电流和电
压的变化是由于它的视在阻抗的变化引起的，而据此就可以得 知次级线圈对初级线圈的效应，从而可以推知次级线圈电路中 阻抗的变化。
第三章涡流检测
2）
下图所示的阻抗平面图虽然比较直观，但半圆形曲线在阻 抗平面图上的位置与初级线圈自身的阻抗以及两个线圈自身的 电感和互感有关。另外，半圆的半径不仅受到上述因素的影响， 还随频率的不同而变化。这样，如果要对每个阻抗值不同的初 级线圈的视在阻抗，或对频率不同的初级线圈的视在阻抗， 或对两线圈间耦合系数不同的初级线圈的视在阻抗作出阻抗平 面图时，就会得到半径不同、位置不一的许多半圆曲线， 这 不仅给作图带来不便，而且也不便于对不同情况下的曲线进行 比较。为了消除初级线圈阻抗以及激励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， 通常要对阻抗进行归一 化处理。
三、涡流的趋肤效应和渗透深度
1.趋肤效应 感应出的涡流集中在靠近激励线圈的材料表面附
近的现象。涡流密度随着距离表面的距离增加而减 小。 2.渗透深度
趋肤效应的存在，使交变电流激励磁场的强度及 感生涡流的密度，从被检材料的表面到其内部按指 数分布规律递减。将涡流密度衰减为其表面密度的 1/e（36.8%）时对应的深度定义为：
第三章涡流检测
初级线圈的阻抗平面图
第三章涡流检测
2）
阻抗平面图原点坐标向右 平 移 R1 距 离 ， 然 后 再 用 ωL1 去 除Xs和Rs坐标，使Zs的半圆轨 迹的直径在Xs上，轨迹上诸点 的位置则取决于参变量ωL2/R2 的实际取值。
第三章涡流检测
归一化后的阻抗平面图
一、
1） 设通以交变电流的检测线圈（初级线圈）的自身阻抗为Z0，
其中忽略了容抗，则
Z 0R 1jX 1R 1j L 1
（3-1）
当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互耦合时，由于互感的
作用，闭合的次级线圈中会产生感应电流，而这个电流反过来又
会影响初级线圈中的电压和电流。这种影响可以用次级线圈电路
阻抗通过互感M反映到初级线圈电路的折合阻抗来体现，设折合
阻抗为。
Z e R e jX e R 2 2 X M 2 X 2 2 R 2 jR 2 2 X M 2 X 2 2 X 2 X M M 互 感 抗 （3-2） 第三章涡流检测
将次级线圈的折合阻抗与初级线圈自身的阻抗的和称为 初级线圈的视在阻抗Zs，即
Z s R s jX s R 1 R e j( X 1 X e )（3-3）
2.自感应
当线圈中通以交变电流I时，其所产生的交变磁通量 也将在本线圈中产生感应电动势，此现象称为自感现象， 产生的感应电动势称为自感电动势EL
E L L d d I t L -自 感 系 数 ， 单 位 亨 利 （ H ）
第三章涡流检测
3.互感应
当两个线圈相互靠近，线圈中分别流过交变电流I1和I2 的情况下，由线圈1中电流I1所引起的变化的磁场通过线圈2 时会在线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中电流I2所引 起的变化的磁场通过线圈1时会在线圈1中产生感应电动势， 这种两载流线圈相互激起感应电动势的现象称为互感现象， 所产生的感应电动势称为互感电动势。在线圈2和在线圈1中 产生的感应电动势，在两线圈形状、大小、匝数、相对位置 及周围磁介质给定的情况下可给出
路中产生的感应电动势Ei等于所包围面积中磁通量Φ随时间
变化的负值
Ei
d dt
此负值表明闭合回路中感应电流所产生的磁场总是阻碍产生 感应电流的磁通的变化，这个方程称为法拉第电磁感应定律。 此方程用于一个绕有N匝的线圈，所得感应电动势表示为
E i N d d t d d N t第三章E 涡i 流 检伏 测 ， N - 匝 ， 韦 伯 ， t 秒
第三章涡流检测
二、涡流检测的特点
1、用途与影响涡流特性的因素
1.探伤：缺陷形状、尺寸和位置 2.材质分选：电导率 3.测厚：检测距离和薄板厚度 4.尺寸检测Baidu Nhomakorabea工件的尺寸和形状 5.物理量测量（径向振幅、轴向位移及运动轨迹的 测量）：工件与检测线圈间的距离
第三章涡流检测
2、 特点
1.对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高； 2.检测线圈不必与被检材料或工件紧密接触，不需耦 合剂，检测过程不影响被检材料的性能； 3.应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工 艺因素均能实施监测； 4.在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息； 5.可在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其它检 测方法不适应的场合实施监测； 6.检测形状复杂零件，效率低；难于区分缺陷的种类 和大小。
E 2 1 M d d I t 1 ,E 1 2 M d d I t 2 M 为 两 个 线 圈 的 互 感 系 数
耦 合 系 数 K =L M 1 L 2， L 1 和 L 2 线 圈 1 和 线 圈 2 的 自 感 系 数
第三章涡流检测
3.2 涡流检测的阻抗分析法
线圈耦合电路
第三章涡流检测
h 503
f r
h:渗透深度(m); f :电流频率(Hz);
r :材料相 第三对章磁涡导 流检率测; :电导率(S/m)
几种不同材料的标准透入深度与频率的关系
第三章涡流检测
四、电磁感应现象
1.电磁感应
当穿过闭合导电回路所包围面积的磁通量发生变化时，
回路中就会产生感应电流，这种现象叫做电磁感应现象。回
第三章 涡流检测技术
利用电磁感应原理，通过测定被检工 件内感生涡流的变化来无损地评定导电材 料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无 损检测方法。称为涡流检测。
涡流检测只能用于导电材料的检测。 对管、棒和线材等型材有很高的检测效率。
第三章涡流检测
3.1涡流检测的基本原理
一、涡流检测的基本原理
当载有交变电流的检测线圈 靠近导电工件时，由于线圈磁场 的作用，工件中将会感生出涡流 （其大小等参数与工件中的缺陷 等有关），而涡流产生的反作用 磁场又将使检测线圈的阻抗发生 变化。因此，在工件形状尺寸及 探测距离等固定的条件下，通过 测定探测线圈阻抗的变化，可以 判断被测工件有无缺陷存在。
式中：Rs为视在电阻；Xs为视在感抗。 应用视在阻抗的概念，就可认为初级线圈电路中电流和电
压的变化是由于它的视在阻抗的变化引起的，而据此就可以得 知次级线圈对初级线圈的效应，从而可以推知次级线圈电路中 阻抗的变化。
第三章涡流检测
2）
下图所示的阻抗平面图虽然比较直观，但半圆形曲线在阻 抗平面图上的位置与初级线圈自身的阻抗以及两个线圈自身的 电感和互感有关。另外，半圆的半径不仅受到上述因素的影响， 还随频率的不同而变化。这样，如果要对每个阻抗值不同的初 级线圈的视在阻抗，或对频率不同的初级线圈的视在阻抗， 或对两线圈间耦合系数不同的初级线圈的视在阻抗作出阻抗平 面图时，就会得到半径不同、位置不一的许多半圆曲线， 这 不仅给作图带来不便，而且也不便于对不同情况下的曲线进行 比较。为了消除初级线圈阻抗以及激励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， 通常要对阻抗进行归一 化处理。