渦流檢測-第3章(31節(jié))講解課件

渦流檢測第3章基本原理鋼鐵研究總院范弘渦流檢測3.1渦流檢測基本原理3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化3.1.2.2穿過式線圈檢測金屬棒材3.1.2.3穿過式線圈檢測金屬管材3.1.2.4內(nèi)插式線圈檢測金屬管材3.1.2.5放置式線圈3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析3.1渦流檢測基本原理3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑴渦流渦流檢測基本原理：當載有交變電流的檢測線圈靠近導(dǎo)電試件時，由于激勵線圈磁場的作用，試件中會產(chǎn)生渦流，而渦流的大小、相位及流動形式受到試件導(dǎo)電性能的影響；同時產(chǎn)生的渦流也會形成一個磁場，這個磁場反過來又使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化。通過測定檢測線圈阻抗的變化，就可以判斷出被測試件的性能及有無缺陷等。3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑴渦流3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑵趨膚效應(yīng)與透入深度趨膚效應(yīng)：電流隨著深度的增加而衰減、明顯地集中在導(dǎo)體表面的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。金屬內(nèi)的磁場強度和渦流密度均呈指數(shù)衰減，衰減的快慢程度取決于金屬的電磁特性（

、

）及交變磁場頻率f。為說明趨膚效應(yīng)程度—滲透深度：規(guī)定磁場強度和渦流密度的幅度降至表面值的1／e（約36.7％）處的深度，稱作滲透深度。

－1／

·m；

－H／m；f－Hz；

－m。

3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑵趨膚效應(yīng)與透入深度⑵趨膚效應(yīng)與透入深度對于非鐵磁性材料μ=μrμ0＝μ0＝

4π×10-7H/m（μr＝1）金屬中磁場和渦流的滲透深度與金屬的電導(dǎo)率

、磁導(dǎo)率

及交變磁場的頻率f成反比。電導(dǎo)率

越大趨膚效應(yīng)越強。〔例〕在相同f下，由于

鉛＜

銅＜

銀，所以

鉛＞

銅＞

銀，即銀的趨膚效應(yīng)更明顯。磁導(dǎo)率

越大趨膚效應(yīng)越強。〔例〕在相同f下，由于

鐵＞＞

銅，所以

鐵＜＜

銅。但如將鐵飽和磁化，使

r＝1，而

銅＞

鐵，其滲透深度反而大于銅。頻率f高的滲透深度淺。3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑵趨膚效應(yīng)與透入深度3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑵趨膚效應(yīng)與渦流透入深度在滲透深度以下分布的磁場和渦流較小，并非沒有磁場和渦流存在。在渦流探傷中，金屬表面的渦流密度最大，檢測靈敏度高；深度超過滲透深度，渦流密度衰減至很小，檢測靈敏度低。3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑵趨膚效應(yīng)與渦流透入深度3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑶金屬圓棒中的趨膚效應(yīng)

位于均勻交變磁場H0的金屬圓棒中磁場強度和渦流密度的分布曲線。棒材表面的磁場強度大于中心磁場強度，隨頻率比f／fg

＝2

r2f的變化而改變，f／fg值越大，磁場的趨膚效應(yīng)越明顯。在棒材中心的磁場強度并非為零。圓棒中心處的渦流密度總是為零。磁場強度分布

渦流密度分布

3.1.1渦流及其趨膚效應(yīng)⑶金屬圓棒中的趨膚效應(yīng)磁場強

渦流檢測方法是從檢測線圈的感應(yīng)電壓推斷試件的質(zhì)量情況。因此，首先需要了解檢測線圈中感應(yīng)電壓產(chǎn)生的過程以及感應(yīng)電壓的形式。3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化⑴線圈的阻抗（感應(yīng)電壓）

空心線圈的感應(yīng)電壓假設(shè)檢測線圈的激勵繞組中通有頻率為f的交流電流，產(chǎn)生軸向的交變磁場H0。當檢測線圈中無試件（即空心）時，線圈中的磁感應(yīng)強度為：根據(jù)法拉第定律計算出測量繞組中的感應(yīng)電壓：V0

3.1.2阻抗分析法渦流檢測方法是從檢測線圈的感應(yīng)電壓推斷試件的3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗和歸一化阻抗⑴線圈的阻抗（感應(yīng)電壓）

含有試件的線圈的感應(yīng)電壓

檢測線圈中放入試件后，由于電磁感應(yīng)作用，在試件中的磁場呈衰減分布。這種衰減分布可用一個變化的函數(shù)—有效磁導(dǎo)率

eff—來描述。圓棒中的磁感應(yīng)強度：仿照空心線圈情況，有試件存在時測量繞組中的感應(yīng)電壓：真實磁場強度分布假想物理模型

3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗和歸一化阻抗3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化⑴線圈的阻抗（感應(yīng)電壓）有試件存在時的線圈感應(yīng)電壓與空心時的線圈感應(yīng)電壓具有相似的形式，不同的只是其中增加了一個有效磁導(dǎo)率

eff。有效磁導(dǎo)率

eff是一個復(fù)數(shù)，由實部和虛部組成，其絕對值小于1（︱

eff︱≤1

）。有效磁導(dǎo)率

eff的變量是f／fg，其中：稱為特征頻率。fg的單位是赫茲（Hz）。

—1／

·m，r的—m。特征頻率fg既不是渦流檢測中所能使用的最大或最小檢測頻率，也不是最佳檢測頻率。是用來鑒別特定檢測對象電磁特性的特征值。

3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化3.1.2阻抗分析法頻率比f／fg是有效磁導(dǎo)率

eff的唯一的獨立變量，每賦予f／fg一個值，都可以得到一個對應(yīng)的

eff值。表中列出了對應(yīng)于不同f／fg值的有效磁導(dǎo)率

eff的虛部和實部的數(shù)值。f/

fg

eff實

eff虛01.0000.00010.9800.12220.9260.22330.8530.29840.7740.34550.6990.36960.6360.37770.5810.37680.5360.36990.4990.360100.4680.349150.3700.300200.3180.266500.2010.17801000.1420.1311500.1160.1092000.1000.0954000.0710.06810000.0450.0443.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化⑴線圈的阻抗（感應(yīng)電壓）3.1.2阻抗分析法頻率比f／fg是有效磁導(dǎo)率eff的唯3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化⑴線圈的阻抗（感應(yīng)電壓）實際中，測量繞組直徑D大于圓棒直徑d。測量繞組中感應(yīng)電壓：

稱檢測線圈的填充系數(shù)：等于圓棒截面積與測量繞組截面積之比，表示圓棒填充線圈的程度。（1－

＋

r

eff）項：乘以“空心”線圈電壓V0即得到有圓棒時電壓。當

＝1時：（1－

＋

r

eff）＝

r

eff

，就是圓棒充滿線圈時的情況（圓棒完全充滿線圈是非完全充滿的特殊狀態(tài)）。3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化⑵線圈阻抗（感應(yīng)電壓）的歸一化

計算檢測線圈感應(yīng)電壓的目的：從電壓的情況推斷被檢試件的情況。而對線圈本身的特性不感興趣，分析時予以去除。（1－

＋

r

eff）項包括了對渦流檢測有影響的所有因素：①由被檢試件物理性質(zhì)（

、

r、d）決定的特征頻率fg；②作為檢測條件的檢測頻率f

；③由頻率比f／fg決定的有效磁導(dǎo)率

eff

；④由試樣直徑d和檢測線圈內(nèi)徑D決定的填充系數(shù)

。經(jīng)上述處理后，既保留了被檢對象的所有參數(shù)，又與線圈本身特性的空心線圈電壓V0及決定V0的變量（如線圈直徑D、匝數(shù)N等）無關(guān)。3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化⑵線圈阻抗（感應(yīng)電壓）的歸一化

歸一化處理的阻抗圖的特點:①消除了檢測線圈激勵繞組電阻和電感的影響，具有通用性。②阻抗圖曲線僅與被檢測因素（如

、

r、d等）有關(guān)。③阻抗圖描繪出各因素對阻抗的影響規(guī)律，為渦流檢測選擇檢驗的方法和條件了參考依據(jù)。④阻抗圖形具有統(tǒng)一的形式和可比性。⑤歸一化處理后的線圈阻抗（電壓）變成了無量綱的量。3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化3.1.2阻抗分析法3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化⑶檢測線圈感應(yīng)電壓與阻抗的關(guān)系

歸一化感應(yīng)電壓的數(shù)值和歸一化阻抗的數(shù)值是完全相同的，且它們都等于參數(shù)項（1－

＋

r

eff）。在渦流檢測中，經(jīng)常用到三種平面圖：歸一化阻抗平面圖、歸一化電壓平面圖和有效磁導(dǎo)率平面圖。三者彼此等價，具有上式所示關(guān)系。在特定的

＝1、

r＝1的情況下，有關(guān)系：3.1.2阻抗分析法3.1.2.1線圈的阻抗及其歸一化3.1.2阻抗分析法3.1.2.2穿過式線圈檢測金屬棒材影響線圈阻抗的獨立變量只有兩個：①由試件性質(zhì)（

、

r、d）和檢測頻率f決定的頻率比f／fg；②由試件直徑d和線圈直徑D決定的填充系數(shù)

。⑴非鐵磁性棒材非鐵磁性金屬有

r＝l，此時的歸一化阻抗：電導(dǎo)率

只出現(xiàn)在決定

eff值的變量f／fg內(nèi)，故

和f／fg對Z/Z0具有同等的影響效力。在阻抗圖中

變化與f／fg變化在同一（切線）方向?？梢岳脺u流檢測的方法測定材料的電導(dǎo)率和進行材質(zhì)分選等工作。3.1.2阻抗分析法3.1.2.2穿過式線圈檢測金屬棒材3.1.2阻抗分析法⑴非鐵磁性棒材當棒材直徑d變化時，對線圈阻抗影響是雙重的：

eff的變量f／fg填充系數(shù)

在阻抗圖中直徑變化和電導(dǎo)率變化方向是不同的（虛線方向）。利用相敏技術(shù)可以把電導(dǎo)率變化從直徑變化中分離出來。3.1.2.2穿過式線圈檢測金屬棒材3.1.2阻抗分析法⑴非鐵磁性棒材3.1.2.2穿過式3.1.2阻抗分析法⑵鐵磁性棒材對鐵磁性金屬，由于

r＞＞1，歸一化阻抗：

磁導(dǎo)率變化效應(yīng)發(fā)生在圖中的弦向曲線的方向。它與電導(dǎo)率變化方向不同，具有良好的可分辨性。

在阻抗圖中

r的變化和d的變化在同一方向上。故要區(qū)分相對磁導(dǎo)率變化和直徑變化是不可能的。3.1.2.2穿過式線圈檢測金屬棒材3.1.2阻抗分析法⑵鐵磁性棒材3.1.2.2穿過式3.1.2阻抗分析法3.1.2.3穿過式線圈檢測金屬管材線圈歸一化阻抗：填充系數(shù)：⑴非鐵磁性薄壁管

有效磁導(dǎo)率

eff

基本曲線是一個直徑為1的半圓。特征頻率：圖中弦向分布的曲線表示外徑do變化的效應(yīng)方向。如外徑do不變，則電導(dǎo)率

、內(nèi)徑di

和壁厚W變化的效應(yīng)方向彼此相同，是一族半圓曲線。不同的do（即不同的

）值，對應(yīng)于不同的半圓曲線。最外面的半圓相當于do＝D（即

＝1）的情況。3.1.2阻抗分析法3.1.2.3穿過式線圈檢測金屬管材3.1.2阻抗分析法有效磁導(dǎo)率曲線歸一化阻抗圖3.1.2.3穿過式線圈檢測金屬管材⑴非鐵磁性薄壁管

3.1.2阻抗分析法有效磁導(dǎo)率曲線歸一化阻抗圖3.1.2.3.1.2阻抗分析法3.1.2.3穿過式線圈檢測金屬管材⑵非鐵磁性厚壁管特征頻率（與實心圓棒相同）：內(nèi)徑變化影響：起初假設(shè)是實心圓棒，線圈阻抗值在半圓曲線上。之后設(shè)想沿圓棒軸線鉆一個孔，不斷擴大孔徑di，當壁厚W減小到零時，阻抗落在

＝1（空心圈阻抗）位置上。圖中的實線表示在頻率比f／fg分別為4、9、25、100時，管子從實心變到壁厚為零的阻抗變化。在這些曲線上，

和do保持不變，只有di和W的變化。圖中虛線是連接相同的di/do值而不同的f／fg值的各點而成。它表示了在di、do不變情況下，

（或f）變化引起的阻抗變化方向。3.1.2阻抗分析法3.1.2.3穿過式線圈檢測金屬管材3.1.2阻抗分析法厚壁管特性變化對阻抗影響

有效磁導(dǎo)率曲線

3.1.2.3穿過式線圈檢測金屬管材⑵非鐵磁性厚壁管3.1.2阻抗分析法厚壁管特性變有效磁導(dǎo)率曲線3.1.23.1.2阻抗分析法⑴非鐵磁性薄壁管

與非鐵磁性薄壁管阻抗曲線同。在理想薄壁管情況下，渦流磁場的趨膚效應(yīng)可以忽略。不論對內(nèi)插式線圈還是穿過式線圈，在管子內(nèi)部產(chǎn)生的磁場分布是相同的。⑵非鐵磁性厚壁管

特征頻率：填充系數(shù)：3.1.2.4內(nèi)插式線圈檢測金屬管材3.1.2阻抗分析法⑴非鐵磁性薄壁管3.1.2.4內(nèi)3.1.2.5放置式線圈⑴提離效應(yīng)線圈與工件之間距離變化引起檢測線圈阻抗變化。渦流檢測時，提離效應(yīng)影響很大，可用電學(xué)方法予以抑制；也以利用提離效應(yīng)測量金屬表面涂層或絕緣覆蓋層的厚度。⑵邊緣效應(yīng)當線圈移近工件的邊緣時，渦流流動的路徑發(fā)生畸變，產(chǎn)生“邊緣效應(yīng)”干擾信號。邊緣效應(yīng)信號遠大于超過檢測信號。3.1.2阻抗分析法3.1.2.5放置式線圈3.1.2阻抗分析法3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析

⑴影響線圈阻抗的因素

①與線圈自身有關(guān)的因素：線圈的半徑R、長度l、匝數(shù)N和自感L0。②與試件有關(guān)的因素：電導(dǎo)率

和磁導(dǎo)率

r；試件的形狀和尺寸，如圓棒的直徑d、管子的內(nèi)外徑dido和壁厚W等。③與線圈和試件間相對位置有關(guān)的因素：提離間隙h、填充系數(shù)

。④缺陷：裂紋、折疊和劃道等。⑤與檢測條件有關(guān)的因素：檢測頻率f。3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析

⑵渦流檢測的模型試驗和相似性定律

在很多場合，檢測因素引起的線圈阻抗變化，很難用數(shù)學(xué)計算求取，也不能直接利用實物進行實測來獲取，比如試件內(nèi)部的缺陷。在這種情況下，需采用“模型試驗”研究線圈的阻抗變化特性。模型試驗：用一根充滿水銀的玻璃管，外面繞上線圈，在充滿水銀的玻璃管中放入任何形狀的絕緣片，以模擬各種不連續(xù)性缺陷，測量線圈的感應(yīng)電壓（阻抗）及其變化。3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析

⑵渦流檢測的模型試驗和相似性定律線圈阻抗決定于

和f／fg，原因：線圈阻抗決定于

和

eff

，而

eff僅由f／fg

大小確定。線圈阻抗的相似性定律：對于二個不同的被檢物體，假若各自對應(yīng)的填充系數(shù)

和頻率比f／fg相同，則引起的線圈阻抗相同。阻抗相似條件：相似性定律為模型試驗的合理性提供了理論依據(jù)。

和3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分3.1.2阻抗分析法3.1.2.6相似定律和缺陷的阻抗分析

⑵

渦流檢測的模型試驗和相似性定律

〔舉例〕相似性定律指出，在

相同情況下（如都為試件完全填滿線圈的情況），一根d＝20cm的銅棒（

＝0.6／