《无损检测概论》课件-第7章涡流检测

第七章涡流检测天津海运职业学院胡春亮机械工业出版社2020版无损检测概论1Copyright©2020/涡流检测原理单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼01涡流检测系统单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼02涡流检测方法单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼03涡流检测应用单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼04目录2Copyright©2020/3Copyright©2020/涡流检测含义1831年，法拉第（1791-1867，英国物理学、化学家）在研究电磁感应现象时首次发现”涡流“。1879年，Hughes研究了线圈在接近具有不同电导率和磁导率材料时的变化情况。但是，直到第二次世界大战结束，这些研究结果也未应用到实际的检测中。20世纪五、六十年代，得到迅速发展，进行了诸多研究和检测实践，尤其是在飞机制造和核工业领域。从此，涡流检测广泛应用到各种领域并渐渐为大家所熟知。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，或发现缺陷的方法称为涡流检测。7.1涡流检测原理4Copyright©2020/材料的导电性对于给定材料的导体，它的电阻与导体长度(L)成正比，与导体的截面积(S)成反比。ρ为导体的电导率，单位为：(Ω·mm2/m)或(μ·Ω·cm)影响电导率的因素，杂质含量、温度、冷热加工、合金成份。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。法拉第根据能量守恒定律推导得出公式，其中ε—感应电动势；dφ/dt—磁通随时间的变化量7.1涡流检测原理5Copyright©2020/材料的导电性所谓自感就是一交变电流通过一导线时在导线中产生的自感电动势的现象。线圈是最常用的感应器，其感生电动势随着线圈匝数和交变频率的增加而增加。自感应现象与回路的几何形状、大小、匝数及回路中的介质有关。一次电流用红色表示，一次电流产生的磁场用蓝色表示，感生电流用绿色表示。通过分析，可以发现感生电流或者二次电流与一次电流方向相反。7.1涡流检测原理6Copyright©2020/材料的导电性通过回路2的磁通量可表示为：同理，回路1的磁通量可表示为：

式中，M为互感系数。可见：回路1中电流产生的磁场切割回路2而在回路2中产生电流，此感生电流将产生磁场即感生磁场将与一次磁场相互作用。在互相邻近的某点P的磁场是电流i1和电流i2共同作用的结果。当探头接近一导电体如铝的表面时，此交变磁场将在铝板中感生电流。此感生电流在平板中为闭环且垂直于探头的磁力线。该电流即所谓的“涡流”。此涡流产生的感生磁场与探头磁场相互作用，通过探头线圈的阻抗变化的信息来了解检测材料的特点。此信息中包含了材料的电导率、磁导率、平板切割探头磁力线的量、材料状态（是否含有裂纹或其它缺陷）、探头和板材距离以及因此距离形成的互感系数的大小等等因素的综合作用结果。互感是涡流检测中的基本现象也是涡流产生的根源。通以交变电流的线圈作为检测探头安装到涡流探测器的话，则上述的回路1便是涡流探测器，线圈L1便是探头。而检测对象即某导电板材就是回路2。应该指出的是，铁磁性材料将使探头中的磁场集中和增强，尽管根据愣次定律涡流有减弱探头磁场的效果。此规律使得铁磁性材料很容易地从非铁磁性材料中检测出来。相反地，对铁磁性材料的性能检测显得更复杂。7Copyright©2020/7.1涡流检测原理涡流及其性质由于电磁感应，当导电体处于交变磁场中或相对于磁场运动时，由于导体内部构成闭合回路，穿过回路的磁通发生变化，因此在导体中产生感应电流，电流在导体内自行闭合成涡旋状，故称涡电流，简称涡流，这种现象称为涡流效应。8Copyright©2020/涡流的基本性质主要有：在垂直于磁力线的平面内流动，呈旋涡状，通常涡流的流动路径垂直于线圈的中心轴线，也平行于工作表面（决定于探头线圈的结构）。涡流仅局限于变化磁场存在的区域。因为感应电动势与磁感应的磁通量的变化速度成正比，所以磁场变化愈快，即交流电流的频率愈高，所产生的涡流愈大。交流电流的频率还决定了涡流在试件中流动的深度。我们所它叫穿透深度，随着频率的升高，穿透深度减小，涡流的分布均集中在试件的表面。（4）在无限大的平面导体内，涡流密度随着深度的增加呈指数减小。7.1涡流检测原理涡流及其性质7.1涡流检测原理涡流检测原理将通有交流电的线圈置于待测的金属板上，这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使试件中产生呈涡旋状的感应交变电流，称为涡流。涡流的分布和大小，除与线圈的形状和尺寸、交流电流的大小和频率等有关外，还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈的距离以及表面有无裂纹缺陷等。因而，在保持其他因素相对不变的条件下，用一探测线圈测量涡流所引起的磁场变化，可推知试件中涡流的大小和相位变化，进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或缺陷存在等信息。9Copyright©2020/7.1涡流检测原理涡流透入导体的距离称为透入深度，定义涡流密度衰减到其表面值的1/e（36.8％）时的深度为标准透入深度（渗透深度），也称为集肤深度：由于被检工件表面以下3δ处的涡流密度仅为其表面密度的5％，因此，通常将3δ作为实际涡流探伤能够达到的极限深度。涡流检测原理10Copyright©2020/7.1涡流检测原理涡流检测的阻抗分析法涡流检测相似律：对于两个不同的试件，只要各对应的f/fg相同，则有效磁导率、涡流密度及磁场强度的分布均相同。影响线圈阻抗的因素主要有电导率（σ），磁导率（μr）,几何尺寸（d），缺陷，检测频率（f）。11Copyright©2020/感应深度取决于励磁电流频率、检测对象的电导率和磁导率三个因素。其随着频率、电导率及磁导率的增加而减小。标准感应深度δ规定为：涡流电流密度减少到表面涡流密度的1/e即37％的深度。2δ处的电流密度降低到表面涡流密度的13.5％，而3δ处降低到了5％。涡流检测的灵敏度取决于缺陷位置处的涡流密度，当检测对象确定的情况下，感应深度取决于频率。通常依据欲检测的深度为δ来确定检测频率，以便保证有至少37％的表面涡流密度也即保证一定的检测灵敏度。但是，测量电导率时依据3δ仍在板厚之内来确定检测频率。涡流是一平板中与探头线圈平行的闭环电流，其流通区域限制在磁感应区域内。涡流集中在平板的邻近线圈的近表面中，而且电流密度随着离开线圈的距离增大以指数衰减规律迅速减小。此即集肤效应。此效应可以看作是表面的涡流“屏蔽”探头磁场进一步向板厚方向感应。涡流检测的阻抗分析法感应深度和电流密度12Copyright©2020/7.2涡流检测系统涡流检测仪涡流检测仪是涡流检测系统最核心组成部分，一般应具有激励、放大、信号处理、信号显示、声光报警、信号输出等功能。根据检测目的，涡流检测仪器一般分为涡流探伤仪、涡流电导仪和涡流测厚仪三种。13Copyright©2020/7.2涡流检测系统涡流检测线圈涡流检测线圈俗称探头。检测线圈是构成涡流检测系统的重要组成部分，对于检测结果的好坏起着重要的作用。线圈的结构与形式不同，其性能和适用性有很大差异。涡流检测线圈的分类有多种方式，常用的分类方式有两种，即按使用方式分类和按电联接方式分类。14Copyright©2020/7.2涡流检测系统涡流检测线圈

（a）放置式线圈（b）外通过式线圈（c）内穿过式线圈

检测线圈与被检工件的相对位置关系15Copyright©2020/7.2涡流检测系统涡流检测线圈按照电联接方式不同，检测线圈可分为绝对式线圈、自比较式线圈和他比较式线圈。

（a）绝对式线圈（b）自比式线圈（c）他比式线圈检测线圈的电联接方式

16Copyright©2020/7.2涡流检测系统涡流检测辅助装置及其使用涡流检测辅助装置主要包括磁饱和装置、试样传动装置、探头驱动装置、标记装置等

17Copyright©2020/7.3涡流检测方法根据检测线圈分：（1）外通过式线圈检测法（2）内穿过式线圈检测法（3）放置式线圈检测法根据检测原理分:（1）阻抗分析法（2）感抗分析法（3）调制分析法：根据信号处理方法分:（1）相位分析法（2）频率分析法（3）振幅分析法涡流检测方法分类18Copyright©2020/7.3涡流检测方法涡流检测优点（1）检测时，线圈不需要接触工件，也无需耦合介质，所以检测速度快，易于实现自动化检测和在线检测。（2）对工件表面或近表面缺陷，具有很高的检出灵敏度，且在一定范围内具有良好的线性指示，可对缺陷大小及深度做出评价。（3）由于检测时不接触工件又不用耦合介质，所以可在高温状态下进行检测。由于探头可伸入远处作业，因此可以对工件狭窄部位、深孔壁、零件内孔表面等其他检测方法不适合的场合实施检测。（4）适用范围广。除能进行导电金属材料的检测外，还可以检验能感生涡流的非金属材料；甚至检测金属覆盖层或非金属覆盖层的厚度。（5）检测信号为电信号，便于对结果进行数字化处理和存储。涡流检测的特点19Copyright©2020/7.3涡流检测方法涡流检测的缺点（1）只适合于导电材料。（2）只适合于表面或近表面缺陷，而不适合于材料内部埋藏较深的缺陷。（3）检测深度和灵敏度相矛盾。一方面，f提高，表面涡流密度大，则检测灵敏度高，但检测深度降低；反之，f降低，检测深度提高，但表面涡流密度下降，检测灵敏度降低。（4）形状复杂工件全面检测效率低。（5）缺陷的定位、定量及定性存在问题。涡流检测的特点20Copyright©2020/7.4涡流检测应用检测目的影响涡流特性的因素用途探伤材质分选测厚尺寸检测物理量测量缺陷的形状、尺寸和位置电导率检测距离和薄板厚度工件的尺寸和形状工件与检测线圈之间的距离管、棒、线材及零部件缺陷检测混料分选和非磁性材料电导率测定覆膜和薄板厚度测量工件尺寸和形状的控制径向振幅、轴向位移及运动轨迹的测量21Copyright©2020/7.4涡流检测应用涡流检测工艺操作1．检测准备（1）清理试件涡流检测前，应清除试件表面的氧化膜、金属粉末和其他附着物，特别是试件上吸附的铁磁性物质，并校正弯曲变形的试件，以消除由此产生的各种干扰信号，避免误判。（2）确定检测方法涡流检测前应了解试件的材质、加工方法、结构尺寸及检测要求，确定正确的检测方法，并合理选择仪器和线圈。（3）调节传送系统有传送系统的涡流检测系统，检测前应调节传送系统的送进速度，使试件对准中心，尽量减少振动，使试件平稳匀速送进。（4）选择对比试样根据涡流检测要求和有关标准，选择符合要求的对比试件，并确定评价标准。（5）准备有关图表和资料涡流检测用到的图