涡流检测技术

涡流检测技术第一页，共34页。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。涡流检测的理论基础第二页，共34页。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。涡流检测的理论基础第三页，共34页。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：图b中的电磁感应电动势：第四页，共34页。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。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。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。第五页，共34页。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。第六页，共34页。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。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2.6δ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。第七页，共34页。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第八页，共34页。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。第九页，共34页。涡流检测相关技术折合阻抗的计算：感应出涡流的导体可以按二次线圈来分析第十页，共34页。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。第十一页，共34页。涡流检测相关技术：视在阻抗平面图曲线半径等于缺点：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。第十二页，共34页。涡流检测相关技术：归一化后的阻抗平面图X轴右移，然后XY轴压缩第十三页，共34页。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第十四页，共34页。分析电阻率越小，阻抗越小的原因电阻率对阻抗的影响频率对阻抗的影响第十五页，共34页。工件厚度对阻抗的影响线圈直径对阻抗的影响第十六页，共34页。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。第十七页，共34页。按应用方式分：放置式线圈、外通过式线圈和内穿过式线圈。涡流检测装置第十八页，共34页。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涡流检测装置第十九页，共34页。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第二十页，共34页。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。第二十一页，共34页。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相位角和输出电压？第二十二页，共34页。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。第二十三页，共34页。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。第二十四页，共34页。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，越容易检测第二十五页，共34页。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。第二十六页，共34页。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。第二十七页，共34页。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。热交换管的探伤实例第二十八页，共34页。管壁上的通孔通过线圈时涡流响应的变化情况热交换管的探伤实例第二十九页，共34页。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。热交换管的探伤实例第三十页，共34页。热交换管的探伤结果分析阻抗越大，缺陷越大。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。第三十一页，共34页。人工缺陷实验结果：纵座标_孔深；横座标_缺陷对应的相位角。热交