第五章+++++++++++涡流检测理论部分.ppt

1、涡流检测理论,引 言,没有无损检测技术，美国就不能享有众多领域中的领先地位。 美国前总统 里根,目 录,一、无损检测概述 二、涡流检测的物理学基础 三、涡流检测基本原理 四、涡流检测设备 五、集成无损检测技术,第一部分 无损检测概述,一、无损检测概述,无损检测的行业特点 两宽 要求知识面宽：涉及材料学、电磁学、力学、电子学等学科。 应用范围宽：可应用于航空航天、冶金、机械、电力、石化、核能、军工等。 一窄 行业领域窄：门槛较高，要求很强的理论分析和动手操作能力，从业人员较少。,无损检测定义 无损检测(Non Destructive Testing, NDT) 在不破坏试件的前提下，以物理或化学

2、方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。,一、无损检测概述,无损检测目的 改进制造工艺 通过无损检测鉴别选择合适的工艺。如焊接工艺的检验、铸造工艺的检验、锻造工艺的检验、热处理工艺的检验等。 降低制造成本 在产品制造过程中，在适当的工艺环节，选择适当的检测方法，可及早发现缺陷；选择去掉缺陷，进行修补或及早报废。 提高可靠性，把好质量关 “可靠性”的定义根据产品的种类，使用目的的不同而有所不同。,一、无损检测概述,无损检测方法 射线检测X射线、高能X射线、中子射线、质子和电子射线等 声和超声检测声撞击、超声、声脉冲、超声透射、超声共振等 电

3、学和电磁检测电阻法、电位法、涡流、漏磁、磁粉、核磁、微波法、核磁共振等 力学和光学检测目视法、内窥镜、荧光法、着色法、脆性涂层、光弹比覆膜法、激光全息摄影干涉法、泄漏检定、应力测试等 热力学方法热电动势法、红外线热图等 化学分析方法电解检测法、激光检测法等,一、无损检测概述,常规无损检测技术 超声(ultrasonic testing, UT) 涡流(eddy current testing, ET) 磁粉(magnetic testing , MT) 渗透(penetrant testing , PT) 射线(radiographic testing , RT),一、无损检测概述,主要用于探

4、测材料的内部缺陷 当声波在物理介质（如被检测材料或结构）中传播时，被检测材料或结构内部存在的缺陷会使声波改变原来的传播规律，如产生折射、反射、散射或剧烈衰减等现象，通过分析这些变化，来判断是否存在缺陷。,一、无损检测概述 超声波检测,一、无损检测概述 超声波检测,人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹 频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为15兆赫兹。,超声波特点 1) 方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。 2）穿透能力强 对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。 3）能量高 超声检测的工作频率远高

5、于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。 4）反射、折射和波型的转换 利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。,一、无损检测概述 超声波检测,一、无损检测概述 超声波检测,超声波分类,超声波检测基础知识 描述超声波波动特性的基本物理量有：声速c、频率f、波长、周期T 、角频率。 超声场及介质的声参量 1)声压 2)声阻抗 3)声强 4)分贝,一、无损检测概述 超声波检测,超声波检测设备 超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、 耦合剂和机械扫查装置等。 超声波检测仪 超声波检测仪是超声检测的主体设备， 是专门用于超声检测的

6、一种电子仪器。 按缺陷显示方式分类：脉冲式检测仪按回波信号的显示方式又可分为A型显示、B型显示和C型显示三种类型,一、无损检测概述 超声波检测,一、无损检测概述 超声波检测,屏幕的横坐标代表声波的传播时间（或距离） 纵坐标代表反射波的声压幅度 显示的是沿探头发射声束方向上一条线上的不同点的回波信息,A型显示,一、无损检测概述 超声波检测,B型显示 显示的是试件的一个二维截面图 屏幕纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫查的位置坐标 横坐标是声传播的时间（或距离） 可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。,一、无损检测概述 超声波检测,B型显示示意图,一、无损检测概述

7、超声波检测,C型显示 显示的是试件的一个平面投影图 探头在试件表面做二维扫查，屏幕的二维坐标对应探头的扫查位置 探头在每一位置接收的信号幅度以光点辉度表示 该方式可形象地显示工件内部缺陷的平面投影图像，但不能显示缺陷的深度,一、无损检测概述 超声波检测,C型显示示意图,数字化分类,一、无损检测概述 超声波检测,可分为数字式和模拟式超声波检测仪 数字式主要指发射、接收电路的参数控制和接收信号的处理、显示均采用数字方式的仪器。,一、无损检测概述 超声波检测,超声波探头 超声波探头利用压电晶体的正、逆压电效应进行声能和电能的互相转换。 常用超声波探头的类型。接触式纵波直探头、接触式横波斜探头、双晶探

8、头、水浸探头与聚焦探头等。,一、无损检测概述 超声波检测,超声检测方法 按原理分，脉冲反射法、穿透法和共振法 按显示方式分，A型、B型和C型显示 按波型分，纵波法、横波法、表面波法和板波法 按探头数目分，单探头法、双探头法和多探头法 按耦合方式分，接触法和液浸法 按入射角度分，直射声束法和斜射声束法,一、无损检测概述 超声波检测,超声波检测步骤 试件的准备。 检测条件的确定，包括超声波检测仪、探头、试块等的选择。 检测仪器的调整。 扫查。 缺陷的评定。 结果记录与报告的编写。,一、无损检测概述 超声波检测,典型构件的超声波探伤 1) 锻件检测 2) 铸件检测 3) 焊接接头检测 4)复合材料检

9、测 5)非金属材料的检测,一、无损检测概述 磁粉检测,当工件被磁化时，若工件表面及近表面存在裂纹等缺陷，就会在缺陷部位形成泄漏磁场（也称漏磁场），泄漏磁场将吸附、聚集检测过程中施加的磁粉，形成磁痕，从而提供缺陷显示,一、无损检测概述 磁粉检测,磁粉检测示意图,一、无损检测概述 磁粉检测,磁粉检测步骤 1） 表面预处理 2） 施加磁粉的方法 （1） 干法 （2） 湿法 3） 检测方法 （1）连续法 （2）剩磁法 4） 磁痕分析与记录 5） 退磁 6） 后处理,一、无损检测概述 磁粉检测,连续法检测的操作程序,剩磁法检测的操作程序,一、无损检测概述 渗透检测,依据物理学中液体对固体的润湿能力和毛细

10、现象为基础的(包括渗透和上升现象) 首先将被探工件浸涂具有高度渗透能力的渗透液，由于液体的润湿作用和毛细现象，渗透液便渗入工件表面缺陷中 然后将工件缺陷以外的多余渗透液清洗干净，再涂一层吸附力很强的白色显像剂，将渗入裂缝中的渗透液吸出来，在白色涂层上便显示出缺陷的形状和位置的鲜明图案，从而达到了无损检测的目的。,一、无损检测概述 渗透检测,按缺陷的显示方法不同，可分为着色法和荧光法 按渗透液的清洗方法不同，可分为自乳化型、后乳化型和溶剂清洗型 按缺陷的性质不同，可分为检查表面缺陷的表面检测法和检查穿透型缺陷的检漏法 按施加检测剂的方式不同，可分为浸泡法、刷涂法、喷涂法、流涂法和静电喷涂法等。,

11、一、无损检测概述 渗透检测,渗透检测基本步骤 前处理 渗透 清洗 干燥 显像 观察 后处理,一、无损检测概述 渗透检测,渗透检测特点 液体渗透检测的优点是应用广泛、原理简明易懂、检查经济、设备简单、显示缺陷直观，并可以同时显示各个不同方向的各类缺陷。 渗透检测对大型工件和不规则零件的检查以及现场机件的检修检查 但只能检查开口暴露于表面的缺陷，操作工序繁杂。,X射线、射线和中子射线 X射线和射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流 X射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一种射线， 波长范围约为0.0006100 nm 常用的波长范围为0.0010.1 nm 频率范围约为310951014

12、 MHz,一、无损检测概述 射线检测,一、无损检测概述 射线检测,射线的波长分布,X射线检测方法 常用的方法是照相法 即利用射线感光材料(通常用射线胶片)，放在被透照试件的背面接受透过试件后的射线 胶片曝光后经暗室处理，就会显示出物体的结构图像。根据胶片上影像的形状及其黑度的不均匀程度，就可以评定被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、形状、 大小和位置。 此法的优点是灵敏度高、直观可靠、重复性好， 是射线检测法中应用最广泛的一种常规方法。,一、无损检测概述 射线检测,一、无损检测概述 射线检测,X射线照相原理,射线 射线是一种波长比X射线更短的射线 波长范围约为0.00030.1 nm 频率范围约

13、为3101211015MHz。 工业上广泛采用人工同位素产生射线。由于射线的波长比X射线更短，所以具有更大的穿透力。 在无损检测中射线常被用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相。,一、无损检测概述 射线检测,一、无损检测概述 射线检测,中子射线 中子是构成原子核的基本粒子。 中子射线是由某些物质的原子在裂变过程中逸出高速中子所产生的。 工业上常用人工同位素、加速器、反应堆来产生中子射线。 在无损检测中中子射线常被用来对某些特殊部件(如放射性核燃料元件)进行射线照相,一、无损检测概述 射线检测,射线的防护 1. 屏蔽防护法 2. 距离防护法 3. 时间防护法 4. 中子防护,一、无损检测概述

14、常规检测方法优缺点比较,超声波检测 优点 超声强度低、操作方便、设备轻便、可作现场检测、数据可存储、对人体及环境无害； 局限性 不能作精确的定量表达、一般需用耦合剂、要求试件形状简单。,液体渗透着色检测 优点 原理简单、操作容易、方法灵活、适应性强、不受工件几何形状和尺寸影响、探查裂纹方向全面； 局限性 只能检测开口式表面裂纹、工序较多、探伤灵敏度受人为因素影响、检验裂纹的重复性较差。,一、无损检测概述 常规检测方法优缺点比较,磁粉检测 优点 设备简单、操作方便、速度快、成本低、观察裂纹直观、灵敏度较高、能够发现表面或近表面下的裂纹； 局限性 受主观因素影响、要对工件磁化和退磁、检测深度较浅。

15、,一、无损检测概述 常规检测方法优缺点比较,一、无损检测概述 常规检测方法优缺点比较,射线检测 优点 适用于所有材料、对零件形状及表面粗糙度无严格要求、影像直观、可对裂纹进行定性和定位、底片能长期存档； 局限性 平面检测灵敏度较低、当射线方向与裂纹垂直时难以检测、射线对人体有害。,一、无损检测概述 常规检测方法优缺点比较,涡流检测优点 检测速度快，易于实现自动化。 表面、亚表面缺陷检出灵敏度高。 能在高温状态下进行检测。 多用途的检测技术。 抑制多种干扰因素。 检验结果可以实时显示和通过磁盘等记录长期保存，且可在必要时回放重现，并进行分析。,涡流检测局限性 1)只限于导电材料； 2)只限于表面

16、和近表面的检测； 3)干扰因素多，需要特殊的信号处理； 4)对复杂形状的零件进行全面检测时效率低； 5)探伤时，判断缺陷的种类和形状较难。,一、无损检测概述 常规检测方法优缺点比较,激光全息照相检测 优点 非接触检测、直观、结果便于保存、灵敏度高、具有空间解象能力、对表面尺寸形状无限制； 局限性 要在暗室中进行、受机械作用、热效应、振动的影响、需要严格隔振、不利于现场检测。,一、无损检测概述 常规检测方法优缺点比较,微波检测技术 用于非金属和复合材料内部的裂纹检测 主要优点 波长短、频谱宽、方向性好和贯穿介电材料能力强； 缺点 不能检测金属、需要参考标准、要求人员操作熟练,一、无损检测概述 常

17、规检测方法优缺点比较,第二部分 涡流检测的物理学基础,二、物理学基础,绪论 电磁检测是以材料电磁性能变化为判断依据来对材料及构件实施缺陷探测和性能测试的一类检测方法，其基本原理是以电磁学的理论为基础的。 在科学进步和社会实践发展史上，任何一种无损检测方法都无法与电磁检测的地位相比。,二、物理学基础,从远古到18 世纪中晚期,从18世纪晚期 到19世纪上,以对电、磁现象的观察、实验及定性研究为主,开始了对电磁现象的定量研究，以及电磁感应现象的发现和深入研究,提出了电磁场的概念并建立了电磁场理论的完整体系,19世纪下半叶 至20世纪,电磁学建立和发展的历史过程,二、物理学基础,古代磁学和电学的发展

18、 大约公元前6世纪，古希腊记录了磁石吸铁和摩擦后的琥珀吸引轻小物体的现象 中国古代对磁的认识差不多可以追溯到冶铁业创建之初 ，对电的认识最早纪录是东汉王充对于摩擦起电现象的记载和解释 对电现象和磁现象的系统研究直到17世纪才开始,通过总结前人对磁的研究，记载了大量实验，周密地讨论了地磁的性质，使磁学开始从经验转变为科学。,二、物理学基础,近代磁学和电学的发展 18世纪中叶，力学中引力理论的发展，即万有引力定律的确立，为静电学和静磁学提供了理论武器，人们用类比的方法进行了引力和电力（或磁力）相似性的推测，对发现库仑定律起到了借鉴作用。 18世纪末，电学从静电领域发展到电流领域，伏打电堆的发明，提

19、供了产生恒定电流的电源，使人们有可能研究电流的规律和电流的各种效应。从此电学进入了一个飞速发展的时期研究电流和电磁效应（电磁学）的新时期。,二、物理学基础,电磁学体系的确立 电磁学起源于1819年著名的电生磁的“奥斯特实验”.首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培 , 1821年毕奥（J.B.Biot）和萨伐尔（Felix Savart）通过磁针周期震荡的方法发现了毕奥-萨伐定律。 法拉第在实验中发现了磁生电的现象和感应电流,并在大量实验的基础上构想出描绘电磁作用的“力线”图象，创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。,二、物理学基础,电磁学体系的确立 在法拉第发现电磁感

20、应后不久，又有两项有关电磁感应现象的重大发现问世。 一是亨利发现了自感现象。二是楞茨发现了楞茨定则。定义了电动势。电流磁效应的发现，使电流的测量成为可能。 在法拉第力线思想的激励下，汤姆生对电磁作用的规律也进行了有益的尝试，利用类比方法，把法拉第的力线思想转变为定量的表述，为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。 欧姆发现同样粗细的不同材料的导线在不同的长度下具有相同的传导率，并严格推导了关于电压、电流与电阻之间关系的电路定律。欧姆定律的建立在电学发展史中有重要意义。,二、物理学基础,麦克斯韦电磁场理论的建立 麦克斯韦及时地总结了前人已有的成就，抓住了位移电流和电磁波这两个关键概念，最后，把电磁

21、场作为客体摆在电磁理论的核心地位，从而开创了物理学的又一个新的起点。 1856年，麦克斯韦发展了汤姆生的类比方法，用不可压缩的流体的流线类比于法拉第的力线，把流线的数学表达式用到静电理论中。 5年以后，麦克斯韦研究了介质中的应力和运动的某些状态的力学效果，并将它们与观察到的电磁现象加以比较，从而为了解力线的实质作准备。,麦克斯韦在此段研究时间内先是 “分子涡流”假设，提出自己的模型：很容易地说明了电荷间或磁场间的相互作用，解释了电磁感应。 麦克斯韦在“应用于静电的分子涡旋理论”这个问题上进一步假设分子涡旋具有弹性，提出了“位移电流”理论。 在提出“涡旋电场”和“位移电流”的基础上，麦克斯韦全面

22、地论述了电磁场理论。然后，麦克斯韦讨论了电磁感应，说明了电流的电磁动量，并提出了电磁场的普遍方程组。 麦克斯韦方程组归纳了有关电磁回路和场的所有知识。可以用来解释所有的宏观电磁现象。同样，也为分析所有的电磁检测问题奠定了电磁理论基础。,二、物理学基础,电荷守恒定律 用毛皮摩擦过的硬橡胶棒与用丝绸摩擦过的玻璃棒带有异种电荷会相互吸引； 两根用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带有同种电荷互相排斥。 物体所带电荷数量的多少，叫做电荷量，简称电量。 电荷守恒定律：电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。,二 物理学基础 电学部分,www.eddysun

23、-,式中： F12表示q1与q2之间的作用力，单位是库仑； 代表由q1到q2方向的单位矢量； k是比例常数，国际单位制中为 Nm2/C2，真空介电常数,库仑定律 真空中两个静止点电荷相互作用的规律,二 物理学基础 电学部分,欧姆定律 电压、电流与电阻之间关系的电路定律 式中：U 的单位为V ；R 单位为 ，I 的单位为A 为电阻率，表示单位长度、单位截面积的电阻,二 物理学基础 电学部分,金属的导电性 电荷、电场、电位、电场强度、电阻、电阻率 三类 导体：能够迅速转移或传导电荷的物体，金属、石墨等； 绝缘体：几乎不能转移或传导电荷的物体，橡胶、玻璃等； 半导体：硅、锗等。,二 物理学基础 电学

24、部分,www.eddysun-,电导率 电阻率的倒数称为电导率。 IACS单位（国际退火铜标准） 经过退火的、非合金化的铜（电阻率为1724xl 0-8欧姆米）的电导率作为100IACS，而其他金属的电导率则用它的百分率表示。 影响电导率的因素？ 杂质含量 温度 冷热加工 合金成分 应力,二 物理学基础 电学部分,www.eddysun-,金属的磁性 磁场、磁极、磁力、磁力线 把一种材料放入真空中的磁场时，该材料所占空间的磁场就会发生变化，不同的材料所引起的磁场变化是不一样的。 不同材料在同一磁场作用下具有不同的磁性，这种现象称为材料的磁化。 三类 抗磁性材料使磁场减弱的材料，如铜、非金属 ；

25、 顺磁性材料使磁场略有增强的材料，如铝； 铁磁性材料使磁场急剧增加的材料，如铁、镍和钴。 非铁磁性材料抗磁性材料顺磁性材料。,二 物理学基础 磁学部分,www.eddysun-,磁通量 只有在均匀磁场中当磁感应强度方向垂直于截面S时，通过该截面S的磁通量才能简单地表示成 =B S 在国际单位制（SI）中，磁通量的单位是韦伯（Wb），而高斯单位制（CGS）中则是麦克斯韦（Mx）。通常把1Mx叫作1根磁力线。Wb和Mx之间的关系是 1Wb=108Mx,二 物理学基础 磁学部分,磁感应强度 B 矢量，即具有方向和大小。 由于磁感应强度是磁化物质单位面积上的磁通量，所以又叫磁通密度。 国际单位制的单位

26、为特斯拉（T）。 1斯特拉（T）=1牛顿/安培米（N/Am）=1韦伯/米2（Wb/m2）。 高斯单位制单位为高斯（Gs）。 T与Gs之间的关系为 1T=104Gs,二 物理学基础 磁学部分,磁场强度 H 由导体中的电流或永磁体产生的，有大小和方向。 与磁感应强度的区别在于，不考虑磁场中的物质对磁场的影响，与物质的特性无关。 国际单位制单位为安/米（A/m） 高斯单位制单位为奥斯特（Oe） 换算1Oe=（103/4）A/m =79.577A/m80A/m。,二 物理学基础 磁学部分,磁导率 B与H的比值称为绝对磁导率 磁导率的单位为亨/米（H/m） 真空中的磁导率0=410-7H/m =0 r

27、r叫相对磁导率， 是一个纯数。,二 物理学基础 磁学部分,磁滞回线 铁磁性材料的最重要特性是所谓磁滞，磁滞现象在于磁感应强度 B 不仅与已知的磁场强度 H 的值有关系，而且与以前的磁场强度有关系。,二 物理学基础 磁学部分,-H曲线与B-H曲线,二 物理学基础 磁学部分,物质的磁化 1.物质磁化的物理本质 磁化：物质在磁场中受磁场的作用表现出一定的磁性的现象。 磁介质：能磁化的物质称为磁介质。 物质分类： 抗磁性物质使磁场减弱的物质； 顺磁性物质使磁场略有增强的物质； 铁磁性物质使磁场强烈增加的物质。 物质磁化的本质： 轨道磁距：电子的循轨运动； 自旋磁距：电子的自旋运动； 原子核磁距：原子核

28、自旋运动。,二 物理学基础 磁学部分,磁化强度矢量M ：单位体积内磁距之矢量和 物质的磁化是由外磁场引起的，在线性物质中 磁化强度M 和外加磁场H 之间的关系为： 式中， 为物质的磁化率。 抗磁质是负值，顺磁质是正值，但很小； 铁磁质是正值，而且很高。,二 物理学基础 磁学部分,磁感应强度B ：物质被磁化之后的总磁场，单位为T。 令物质磁化后引起的磁场变化为 ，其大小为 则有 或 将式 代入，可得,为真空磁导率； 为相对磁导率，大小为 ； 为介质的绝对磁导率，单位是H/m。,二 物理学基础 磁学部分,金属的抗磁性与顺磁性 抗磁性：当金属的 时，表现为抗磁性, 是由于电子的循轨运动在外磁场的作用

29、下产生的。, 顺磁性：当金属的 时，表现为顺磁性,。顺磁物质的单个原子是有磁矩的，原子的磁距在外磁场的作用下产生的顺磁，当点阵离子的顺磁矩和自由电子的顺磁矩大于外磁场产生的抗磁矩时，即表现为顺磁。,二 物理学基础 磁学部分,铁磁性材料性质 不太大的外磁场便会使它达到磁饱和。 在某一温度TC之下，随着温度的上升，饱和磁化强度 逐渐 减小；当达到TC温度时便降为零。而在TC 以上，铁磁质变 成为一般的顺磁物质。,曲线（a）顺磁性（b）铁磁性,二 物理学基础 磁学部分,磁畴,原子磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成自发磁化小区域，称为磁畴,性质： 在无外磁场作用下，各个磁畴的自发磁化取

30、向是不相同 的，对外效果抵消，因而整体对外不显磁性。 当铁磁物质处于外磁场中时，各个磁畴的磁矩转向外磁 场方向，并产生一个很强的磁化强度。,二 物理学基础 磁学部分,技术磁化 铁磁物质在外磁场的作用下显示出磁性称为技术磁化。 对于铁磁物质，技术磁化是通过磁畴的两种变动进行的， 一种是畴壁的位移，一种是磁畴磁矩的转动。,技术磁化过程示意图,二 物理学基础 磁学部分,磁特性曲线 技术磁化曲线（起始磁化曲线） 研究铁磁物质的磁化规律，找出M 和H 或B 和H 之间的依赖关系,即M-H 曲线或B-H 曲线。,M-H曲线与B-H曲线,二 物理学基础 磁学部分,Oa段：初始磁化区， 在这个区域内，磁化强度

31、随磁场强度H 的增加缓慢增加，磁化是可逆的。 ab段：磁化强度M 随H 的增加剧烈增加，此时若去掉磁化场，磁化强度不再回到零，而保留足够大的剩磁,为不可逆磁化区。最大磁导率就在这个区域。 bQ段：磁化强度随H 的增加缓慢的增加,为旋转磁化区。 QS段：随着H 的增加，磁化强度变化很小，为趋近饱和区。,二 物理学基础 磁学部分,不同铁磁材料的技术磁化曲线不同： 软磁材料（如工业软铁、低碳钢等）: 磁化曲线比较陡峭，这种材料易于磁化； 硬磁材料（如高碳钢、高合金钢等）: 磁化曲线比较平坦，这些材料不易磁化。,二 物理学基础 磁学部分, 磁滞回线 磁滞:退磁时的磁感应强度比磁化时的磁感应强度大的B

32、的变化落后于H 变化的现象； 磁锻炼:得到磁滞回线的循环过程； 磁滞回线“面积”：一个反复磁化的循环过程中单位体积铁芯内消耗的能量。,二 物理学基础 磁学部分,剩磁：由于存在磁滞的缘故，当外磁场 H 减小到零时， 磁感应强度 B 并不等于零，而保留一定的数值 Br ， 称为剩余磁感应强度，简称剩磁； 矫顽力：为了消除剩磁Br ，必须加一反向磁场，当反 向磁场增加到某个数值Hc 时，B 降到零，通常把Hc 称为矫顽力。 铁磁质分类： 软磁材料：磁滞回线形状狭窄，所包围的面积小，磁化 时损耗的能量少，磁化容易； 硬磁材料：磁滞回线形状肥大，所包围的面积大，磁化 时消耗的能量多，磁化困难。,二 物理

33、学基础 磁学部分, 磁导率曲线 描述磁导率随外磁场变化的曲线 起始磁导率 最大磁导率 微分磁导率,-H曲线与B-H曲线,二 物理学基础 磁学部分,Br-H 曲线和B-H 曲线对比： 形状基本相同，并可划分三个区域： 起始磁化区（I），剧烈磁化区（II），趋于饱和区III）。 与B-H 曲线比较，在趋于饱和区内，曲线比较平坦。 在一般的情况下，这个磁场强度可近似认为饱和磁场强度。,剩磁曲线,二 物理学基础 磁学部分,退磁曲线与最大磁能积 退磁曲线：磁滞回线上，从具有剩磁状态到完全退磁状态的曲线RC 称为退磁曲线。 最大磁能积：退磁曲线上对应的BH乘积最大的面积。,二 物理学基础 磁学部分,1 钢

34、铁材料的磁特性 （1）晶粒结构与大小 晶体结构：面心立方 铁是非铁磁体，体心立方 铁是铁磁体。 晶体状态：体心立方铁的状态不同，磁性不同。在晶格处于平衡状态 时，磁性表现为高磁导率，高磁化强度以及低矫顽力，即为软磁性。 晶体碳含量：随着晶格内溶入碳原子数的增加和晶格歪扭程度增加， 磁性表现为磁导率降低，矫顽力上升，即磁性变硬。 晶粒大小：晶粒大小、组织形状和分布不同，其磁性也不相同，晶粒 越大，磁导率越大，矫顽力越小。,二 物理学基础 磁学部分,二 物理学基础 磁学部分,退火碳素钢的起始磁化曲线,二 物理学基础 磁学部分,淬火钢的起始磁化曲线,二 物理学基础 磁学部分,含碳量引起的磁性变化,二

35、 物理学基础 磁学部分,（2）化学成分 结构钢：在结构钢中，对磁特性影响最大的合金成分是碳。随着含碳量的增加，饱和磁化所对应的磁通密度、剩余磁感应强度、磁导率减少，矫顽力增大。 合金钢：在热处理条件相同或近似的条件下，随着合金元素的种类和含量的增加，磁化曲线斜率下降，磁导率曲线上升段斜率也下降，最大磁能积有增大的趋势，磁滞回线逐渐变得肥大。,二 物理学基础 磁学部分,（3）热处理 材料退火材料与正火的磁性差别并不大; 材料退火与淬火却有较大的差别，并且这个差别随着含碳量的增多而变大。 淬火后的工件材料随回火温度的升高，最大磁导率、剩余磁感应强度增大，矫顽力下降，磁滞回线变窄，磁性变软。 当铁磁

36、材料加热到居里点以上温度时，磁性消失。,二 物理学基础 磁学部分,（4）冷加工 当冷加工钢铁材料时，磁性的各向异性变大，轧制加工方向的磁滞曲线接近角形。加工方向的磁导率、剩余磁感应强度增大，而在垂直方向经常出现减少的现象，下表表示纯铁冷加工引起的磁特性的变化。,二 物理学基础 磁学部分,2、合金磁特性 合金形成置换式固溶体: 在铁磁性金属中溶入抗磁性金属，可使磁化强度降低，并随着溶质原子浓度的增加而下降； 两种铁磁性物质组成固溶体时，如Fe-Ni和Ni-Co，它们的MS 随着固溶体的浓度增加单调下降； 组成间隙式固溶体时，矫顽力随溶质原子浓度增加而增加，并且在浓度低的范围增加得显著。 合金组成

37、化合物： 一般铁磁体与顺磁体或抗磁体组成大化合物，以及有显著化学结合的中间相都是顺磁性的，如FeMo2、FeZn2 铁磁性金属与非金属组成的化合物都是铁磁性的，如FeS2、Fe2O3、FeO3、FeS 。,二 物理学基础 磁学部分,二 物理学基础 电流与磁场,毕奥-萨伐尔定律 定义：任何闭合载流回路产生的磁感应强度B可看成是各个电流元 产生的元磁感应强度dB 的矢量叠加。即：,二 物理学基础 电流与磁场,1、载流回路的磁场 1 载流无限长直导线的磁场 根据毕-萨定律，任意电流元在场点P 所产生的元磁场为,选用圆柱坐标系，使轴与导线重合，原点放在导线中点。设电流元坐标为 ，场点的坐标为 ，通过计

38、算可得载流直导线在空间P点的磁场为：,对于无限长直导线：,可得：,二 物理学基础 电流与磁场,2 、载流圆线圈轴线上的磁场,载流圆线圈上任一点A 与A在空间点P产生元磁场对称。合成磁场沿轴线方向，可得：,根据毕-萨定律,二 物理学基础 电流与磁场,3 载流螺线管中的磁场,设螺线管半径为R，总长度为L， 单位长度内匝数为n。轴与螺线管轴线重合，中点设为原点O。长度dl内共有ndl匝，在场点P产生的磁感应强度都沿轴线方向，其大小为：,整个螺线管在P 点产生的总磁场为：,式中， 和 分别是角 在螺线管两端（ ）的数值。,二 物理学基础 电流与磁场,磁路 若两种介质磁导率相差很大（铁磁材料和空气），分

39、界处有,磁路和电路具有相似性，可以应用磁通连续性原理和安培环路定理，类似地推导出一个磁路定理：在稳恒电路里，不管导线各段的粗细或电阻如何，通过各截面的电流强度是一样的。在铁芯组成的磁路里，由于磁通连续原理，通过铁芯各个截面的磁通量 也相同（严格的说是近似）。,二 物理学基础 电流与磁场,对于磁路来说，由安培环路定律可得 式中N和 分别是产生磁化场的线圈匝数和传导电流；,磁路,电动势,电导率,电阻,电位差,磁通量,磁导率,磁阻,磁位差,磁动势,磁路和磁路定理 铁磁材料磁化后不仅产生附加磁场，而且能把大部分磁通（磁感应线）约束在一定的闭合路径上，路径周围的空间由于磁导率太小而磁通很少。 由磁感应线

40、通过的闭合路径叫做磁路。 是由磁通通过的铁磁材料及空气隙（或其它弱磁质）所组成的闭合回路,二 物理学基础 电流与磁场,磁路示意图,二 物理学基础 电流与磁场,交流磁化 方式,直流磁化 方式,永磁磁化方式,复合磁化 方式,综合磁化法,磁化方式的分类,二 物理学基础 电流与磁场,交流磁化方式 交流磁化方式以交流电流激励电磁铁产生磁场磁化被测构件。在被测构件中，交流磁场易产生集肤效应和涡流，且磁化的深度随电流频率的增高而减小，因此在漏磁场检测法中这种磁化方法只能检测构件表面或近表层裂纹等缺陷；交流磁化强度容易控制，大功率50Hz交流电流源易于获得,磁化器结构简单，成本低廉。,二 物理学基础 电流与磁

41、场,二 物理学基础 电流与磁场,直流磁化方式 直流磁化方式以直流电流激励电磁铁产生磁场磁化被测构件，又分为直流脉动电流磁化方法和直流恒定电流磁化方法。前者在电气实现上比后者简单，一般用于剩余磁场检测法中构件的磁化。直流恒定电流磁化方法对电流源具有较高的要求，激励电流一般为几安培甚至上百安培。 与交流磁化方式一样，直流磁化方法磁化的强度可通过控制电流的大小来方便地调节，但随着连续使用时间的加长电磁铁的发热是难以避免的。,二 物理学基础 电流与磁场,永磁磁化方式 永磁磁化方式以永久磁铁作为励磁磁源。它是一种不需电流源的磁化方式，与直流恒定电流磁化方式具有相同的特性，但在磁化强度的调整上不及直流磁化

42、方式方便，其磁化强度一般通过磁路设计来保证。,复合磁化方式 为能对不同走向的裂纹等缺陷的检测获得最大且相同的灵敏度，可让磁化场方向周期性变化，这就必须采用复合磁化方法。复合磁化时将直流磁场与直流磁场、直流磁场与交流磁场（如右图）、交流磁场与交流磁场成一定角度（如相互垂直）合成磁场，从而形成所需方向或不断变化的可控的磁化方向来磁化构件。显然，这类磁化器的结构复杂，且控制电路要求较高。,二 物理学基础 电流与磁场,综合磁化方式 在某些测量中，如主磁通检测中，直流磁场难以激发出检测信号，而只用交流磁化时又会受到磁导率急剧变化的影响，因而需要用到直流和交流磁场综合磁化方式。 即先用直流励磁器将被测构件

43、磁化到近饱和区域，此时材料的磁导率曲线呈缓慢下降的直线，再在直流磁场上叠加一交变磁化场激发，从而获得较好线性度的输出信号。 通常称此时的直流磁场为偏磁场，它的主要作用是减小磁导率变化以及材料局部不均匀的影响，这种磁化方式在磁致伸缩检测方法中得到广泛应用。,二 物理学基础 电流与磁场,磁化强度选择 在漏磁检测中，虽然检测目的不同，但磁化强度的选择首先以缺陷或结构特征产生的磁场能否被检测到为前提，一般要求以足够强的磁场进行励磁以获得磁敏感器件可以测量的磁场。 另外，检测信号的信噪比、检测装置的经济性等也应成为考虑的因素。很明显，随着磁化强度的加强，磁化器的体积重量以及成本将随之升高，因此，必须多方

44、面综合考虑，最优地选择磁化的强度。 磁化应针对铁磁性材料的磁特性进行。,二 物理学基础 电流与磁场,二 物理学基础 电流与磁场,铁磁性材料的典型磁化特性曲线,当缺陷在材料内部时，其产生的漏磁场将受到外围铁磁性材料的屏蔽，因而，扩散到材料表面的漏磁场将大大减弱。为了减弱外层材料的磁屏蔽效应，则需要极大地减小外层材料的相对磁导率，最理想的情况是让其与空气磁导率接近，但一般情况下是不可能实现的。为了增强构件体表上缺陷产生的扩散漏磁场的强度，一般需将材料深度饱和磁化。 值得注意的是，当内部裂纹太小或埋藏深度太深，磁化场再强，在外表面上也测不出漏磁场。所以，内部缺陷检测的灵敏度比外部小很多。由于提离效应

45、和屏蔽效应，漏磁场的测量点应尽可能靠近被测的缺陷。,二 物理学基础 电流与磁场,第三部分 涡流检测基本原理,三 涡流检测原理,涡流检测 以电磁感应为基础的无损检测技术，主要应用于金属材料和少数非金属材料（石墨、碳纤维复合材料）的无损检测 根据电磁感应原理，导电材料在交变磁场作用下会产生涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷影响涡流的大小和分布 根据涡流大小和分布的变化，可检测出检测材料中存在的缺陷。,涡流 当导体处在变化的磁场中或相对于磁场运动时， 内部会感应出电流。 特点是在导体内部自成闭合回路，呈漩涡状流动，因此称之为涡流。,三 涡流检测原理,三 涡流检测原理,涡流检测基本原理 线圈中变化

46、着的磁场接近导体材料，在导体材料内将产生旋涡状电流涡流。,涡流在导体材料中流动又形成涡流场。 涡流场与原磁场相互作用，引起线圈中交变电流的改变。 检测线圈中电流的变化情况，就可以了解导体表面的一些参数。,三 涡流检测原理,检测仪器的组成及各部分作用,三 涡流检测原理,涡流检测技术的优点 检测速度快，易于实现自动化。 表面、亚表面缺陷检出灵敏度高。 能在高温状态下进行检测。 多用途的检测技术。 抑制多种干扰因素。 检验结果可以实时显示和通过磁盘等记录长期保存，且可在必要时回放重现，并进行分析。,三 涡流检测原理,涡流检测技术的局限性 (1)只限于导电材料； (2)只限于表面和近表面的检测； (3

47、)干扰因素多，需要特殊的信号处理； (4)对复杂形状的零件进行全面检测时效率低； (5)探伤时，判断缺陷的种类和形状较难。,三 涡流检测原理,涡流检测发展史 涡流检测技术的发展已有一百多年的历史。 早在1824年，加贝(GAMBEY) 就发现了铜板对摆动着的磁铁的阻尼现象，发现了涡流的存在。 数年以后，佛科 (FOUCAUIT ) 指出：在强的不均匀磁场内运动的铜盘中有电流存在。涡流佛科电流。 1831 年，法拉第 (FARADEY) 发现了电磁感应现象，法拉第在实验的基础上总结出电磁感应定律。 麦克斯韦继承和发扬了法拉第的思想，于1873年运用数学工具将法拉第的概念用完整的数学表达式表示出来

48、。,三 涡流检测原理,涡流检测发展史 1879年，休斯 (D.E.HUGHES) 首先将涡流检测应用于实际。他利用材料的电阻率和导磁率的不同，用感生电流方法对不同金属和合金进行了判断试验。 五十年代初期，德国的福斯特 ( FORSTER )提出了阻抗分析的理论和实验结果，开创了现代涡流检测理论和设备研究的新阶段。 近年来，涡流检测技术已成为五种基本无损检测技术中的一个重要组成部分。,三 涡流检测原理,涡流检测技术的应用范围,三 涡流检测原理,涡流检测的阻抗分析法,三 涡流检测原理,阻抗归一化 检测线圈（初级线圈）的自身阻抗 次级线圈电路折合阻抗 折合阻抗与自身阻抗的和为视在阻抗,三 涡流检测原

49、理,初级线圈的阻抗平面图,三 涡流检测原理,归一化后的阻抗平面图,归一化阻抗图特点 1、消除了原边线圈电阻和电感的影响，具有通用性； 2、曲线簇以一系列影响阻抗的因素（如电导率、磁导率等）作参量； 3、形象而定量地表示影响阻抗个因素的效应大小和方向，为涡流检测时选择检验的方法和条件，减少各种效应的干扰提供了参考依据； 4、对于各种类型的工件和检测线圈，有各自对应的阻抗图。,三 涡流检测原理,涡流信号显示图阻抗平面图,三 涡流检测原理,以阻抗R为横坐标，电抗X为纵坐标形成直角坐标系，通过涡流仪器测定检测线圈的电阻抗变化量，可在上述坐标系标记一个点P。 P点是一矢量点，具有一定的幅度和相位。,涡流

50、信号显示图阻抗平面图,三 涡流检测原理,电阻抗变化在阻抗平面图上的表现：由于各种因素造成涡流信号分量阻抗R或电抗X值的变化，阻抗平面图上的涡流检测信号矢量点p将随之发生位移，P点位移后涡流信号的幅度（Z）和相位。,影响涡流信号矢量点P移动的因素,三 涡流检测原理,电导率 磁导率 外形尺寸 热处理状态 检测频率,电导率（）对涡流信号的影响,三 涡流检测原理,当被测物体（简称试件）的电导率发生变化，涡流的流动也相应改变，涡流信号矢量点P在阻抗图上的位置也产生移动。,影响电导率的因素,三 涡流检测原理,.杂质含量：影响材料中原子的排列，引起电阻率增大。 .温度：在一定范围内，材料的电阻随温度的变化而

51、变化。 .冷热加工：材料的冷热加工，可能产生内应力而使材料的阻抗改变。 .合金成分：对于固溶合金，电阻率随着合金成分的增加而增加。 .应力：在弹性范围内，单向拉伸或扭转会提高导体的电阻率。,三 涡流检测原理,三 涡流检测原理,试样几何形状变化与涡流信号,三 涡流检测原理,同样电导率的试件，由于几何形状的变化，如厚薄不一，出现凹坑，或者检测线圈外位于试件的边缘处等，原来涡流的流动就会受到影响，这样便产生涡流信号矢量点的变化。,试样几何形状变化与涡流信号,三 涡流检测原理,几何形状不同将引起涡流信号变化测厚 当检测线圈移动到板状试件的边缘、凹坑、或减薄处时，涡流就会发生畸变“边缘效应”、 棒状、丝

52、状、线状、管状“端头效应”、“端尾效应”。,检测线圈与试样的相对位置 （位移和提离）,三 涡流检测原理,三 涡流检测原理,探头提离与涡流信号 探头从中等电导率的试样提离，在试样与探头间形成不同间隙时，阻抗平面图随着发生变化；,三 涡流检测原理,非（低）电导率覆层与涡流信号 检测中等电导率试样上覆盖低导电层（或非导电层）的厚度。,三 涡流检测原理,高电导率覆层与涡流信号 检测中等电导率试样上覆盖高导电层的厚度。,三 涡流检测原理,磁导率对涡流信号的影响,三 涡流检测原理,磁导率（） 电导率不变而磁导率变化时，同样影响试样中涡流的流动状况，使阻抗平面图中涡流信号矢量点P发生移动,材料的非连续性缺陷

53、,三 涡流检测原理,试样材料的非连续性裂纹、凸或凹、划伤、磨损等。影响涡流的流动，使阻抗平面图中涡流信号矢量点P发生移动。 现场应用因影响涡流信号的因素很多，检测中应设法消除干扰因素形成的信号。 加磁饱和抑制磁导率变化； 探头周围加填充材料或装上缓冲弹簧减少提离（晃动） 选用与被测试件电磁特性和几何特性完全一样的材料做为标定试块或参考试块。,三 涡流检测原理,涡流的趋肤效应和渗透深度 当直流电流通过导线时，横截面上的电流密度是均匀的。 但交变电流通过导线时，表面的电流密度较大，越往中心处越小，尤其是当频率较高时，电流几乎是在导线表面附近的薄层中流动，这种现象称为趋肤效应。 趋肤效应的存在使感生

54、涡流的密度从被检材料或工件的表面到其内部按指数分布规律递减。 在涡流检测中，定义涡流密度衰减到其表面密度值的1e（36.8%）时对应的深度为标准渗透深度，也称趋肤深度，用符号表示,标准渗透深度（）,三 涡流检测原理,涡流在试件内的分布是不均匀的。 涡流的分布随着深度的增加按指数函数方式而衰减，即距离线圈越远，涡流的密度越小。 标准渗透深度指的是涡流密度由表面的 100衰减到 37时的深度。,标准渗透深度（） 分别与、f和r三者和乘积的平方根成反比,三 涡流检测原理,标准渗透深度（）,三 涡流检测原理,相同的试件和探头，激励频率小的，渗透深度较大,三 涡流检测原理,标准渗透深度（） 同样的检测探

55、头，选择同样的激励频率，因样件的材质不同（电导率），涡流的标准渗透深度也不同。,三 涡流检测原理,标准渗透深度（） 同样的检测探头，选择同样的激励频率，因样件的材质不同（磁导率），涡流的标准渗透深度也不同。 铁磁性钢的相对磁导率1，涡流渗透深度很浅；纯铁的磁导率更大，涡流几乎不渗入。,三 涡流检测原理,三 涡流检测原理,不同材料的标准渗透深度与频率关系,相位滞后 涡流检测时，试样不同深处的缺陷将引起涡流信号矢量点P的相位角变化； 涡流信号相位角自试样表面向深处按渗透深度成线性滞后。,三 涡流检测原理,三 涡流检测原理,相位滞后与缺陷深度,填充系数（） 检测线圈（探头）与试样之间的耦合度（间隙）

56、。 填充系数越大，探头与试样吻合越好，电磁感应效率越高，检测灵敏度越高，填充系数最大为1。 填充系数太小间隙太大偏心、提离、干扰。 填充系数太大影响探头运动，易损探头。 通常0.75，要求探头与试件间的相对运动稳定。,三 涡流检测原理,三 涡流检测原理,不同填充系数的阻抗平面图,信噪比（S/N） 检测信号幅度与噪声信号幅度的比值 通常要求信噪比S/N 3：1。 信噪比反映涡流检测系统的灵敏度。 提高信噪比的方法？增益、混频等。,三 涡流检测原理,分辨率 分辨力（或分辨率）指的是涡流系统能区分开两个相邻缺陷的能力。 所能区分的这相邻两个缺陷的距离越小，分辨率越高，反之，分辨率就低。,三 涡流检测

57、原理,影响涡流的因素,三 涡流检测原理,各种参数对涡流强度和渗透的影响,三 涡流检测原理,放置式线圈阻抗分析 影响阻抗变化的主要参数 电导率 提离效应 磁导率 试验频率 工件厚度 探头直径,三 涡流检测原理,三 涡流检测原理,电导率提离效应影响阻抗图,放置式线圈阻抗分析,电导率减小，阻抗值沿着阻抗曲线向上移动 一般来说，小的提离会产生打的阻抗变化，这是由于改变提离时，工件中的磁通密度改变很大引起。,频率和电导率效应在阻抗图上的影响是一致的。频率增加，由于趋肤效应，涡流局限在表面薄层中流动；相反，当频率降低时，渗透深度增加，阻抗值沿曲线向上移动。,三 涡流检测原理,放置式线圈阻抗分析,试验频率影

58、响阻抗图,三 涡流检测原理,放置式线圈阻抗分析,探头在两个频率下对各种检测参数的影响,三 涡流检测原理,放置式线圈阻抗分析,厚度影响阻抗平面图,当工件变薄时，线圈电阻分量增加，电抗分量也增加，阻抗值沿着曲线向上移动。,三 涡流检测原理,放置式线圈阻抗分析,线圈直径对阻抗的影响,线圈直径增加，阻抗值沿着曲线向下移动，类似于频率的增加。 线圈直径增加，增加了工件中的磁通密度，增大了涡流值，类似于电导率的增加。,第四部分 涡流检测设备,涡流检测设备发展 第一代 分立元件，单频，一维显示； 第二代 集成电路，平面阻抗，二维显示； 第三代 多频涡流设备，混频抑制干扰信号； 第四代 数字电子技术、频谱分析

59、技术及图像处理技术有机结合的智能多频涡流仪器； 第五代 DSP技术、阵列技术、网络技术、多信息融合技术等为一体的智能多功能综合型检测仪器。,四 涡流检测设备,涡流传感器 基本结构 激励绕组 检测绕组 支架及外壳 （磁芯） 功能 激励形成涡流 检测所需信号 抑制干扰信号,四 涡流检测设备,涡流传感器 按感应方式分类。检测线圈可分为自感式线圈和互感式线圈,四 涡流检测设备,涡流传感器 按照应用方式不同，检测线圈可分为外通过式线圈、内穿过式线圈和放置式线圈,四 涡流检测设备,涡流传感器 按照比较方式不同，检测线圈可分为绝对式线圈和差动式线圈，而差动式线圈又分自比式和他比式两种,四 涡流检测设备,涡流传感器,四 涡流检测设备,四 涡流检测设备,涡流传感器,信号检出电路,检测仪器的组成及各部分作用,四 涡流检测设备,幅度显示类型检测系统,四 涡流检测设备,阻抗平面分析系统,三 涡流检测设备,涡流仪