第四單元渦流檢測模塊一渦流檢測的物理基礎主要

內(nèi)容材料的導電性及磁特性一有效磁導率和特征頻率四電磁感應及渦流二渦流檢測線圈的阻抗分析三概述

渦流檢測（ET）利用電磁感應原理，通過測定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化（大小、分布）來無損地評定導電材料及其工件的某些性能，或發(fā)現(xiàn)表面或近表面缺陷的無損檢測方法。

ET有以下優(yōu)點：1.檢測速度快，易于實現(xiàn)現(xiàn)代化的自動檢測。2.對工件表面或近表面的缺陷，有很高的檢出靈敏度,且在一定的范圍內(nèi)具有良好的線性指示，可對大小不同的缺陷進行評價，所以可以用作質(zhì)量管理與控制。3.由于檢査時不需接觸工件又不用耦合介質(zhì)，所以可在高溫狀態(tài)下進行檢測。由于探頭可伸入到遠處作業(yè)，所以可對工件的狹窄區(qū)域、深孔壁(包括管壁)等進行檢測。檢測時,線圈不需接觸工件,也無需耦合介質(zhì),所以檢測速度快。對管、棒材檢測,一般每分鐘可檢查幾十米;線材每分鐘可檢查幾百米甚至更多。易于實現(xiàn)現(xiàn)代化的自動檢測,特別適合在線普查。4.能測量金屬覆蓋層或非金屬涂層的厚度。5.除了能進行導電金屬材料的檢測外，還可以檢驗能感生渦流的非金屬材料，如石墨等。6.由于檢測信號為電信號，所以可對檢測結(jié)果進行數(shù)字化處理，并將處理后的結(jié)果進行存儲、再進行數(shù)據(jù)比較和處理。ET局限性：1.渦流檢測的對象必須是導電材料，且由于電磁感應的原因，只適用于檢測金屬表面缺陷，不適用于檢測金屬材料深層的內(nèi)部缺陷。2.金屬表面感應的渦流的滲透深度隨頻率而異，渦流滲透深度增加，但表面渦流密度下降，檢測靈敏度降低。3.采用穿過式線圈進行渦流檢測時，獲得的信息是整個圓環(huán)上影響因素的累積結(jié)果，對缺陷所處圓周上的具體位置無法判定。

4.旋轉(zhuǎn)探頭式渦流檢測方法可準確探出缺陷位置，靈敏度和分辨率也很高，但檢測區(qū)域狹小，在檢驗材料需作全面掃査時，檢驗速度較慢。一、材料的導電性及磁特性導體（一）金屬的導電性半導體絕緣體1.物體如金、銀、銅、鋁、鐵等金屬如橡膠、陶瓷、云母、塑料、竹木等如硅、鍺等2.歐母定律

I—電流，A;

U—電壓，V;

R—電阻，歐姆Ω。

對于導電材料，電阻（R）與導體長度（L）成正比，與導體的橫截面積（S）成反比。（二）材料的磁特性抗磁性材料順磁性材料鐵磁性材料根據(jù)物質(zhì)磁化后對磁場的影響使磁場減弱的物質(zhì)使磁場略有增強的物質(zhì)使磁場劇烈增加的物質(zhì)1.磁化：物質(zhì)在外加磁場的作用下，感應出磁場的物理過程。2.磁導率：

物質(zhì)磁化的難易程度可用磁導率μ

表示，它反映了物質(zhì)被磁化的能力。3.鐵磁性材料的磁化：磁化過程：（1）初始階段o~a

；（2）急劇磁化階段a~b

；（3）近飽和磁化階段b~m

；（4）飽和磁化階段m點之后

；（一）電磁感應現(xiàn)象二、電磁感應及渦流1.法拉第電磁感應定律

當穿過閉合導電回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中就產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應現(xiàn)象，回路中所產(chǎn)生的電流為感應電流。

對于由N匝線圈組成的回路，穿過每匝線圈的磁通量相同時，則回路產(chǎn)生的感應電動勢為N倍每圈產(chǎn)生的電動勢。

感應電動勢的方向，可用楞次定律來確定，即感應電動勢在回路中引起的電流，力圖阻礙原磁通的改變。2.自感與互感（1）自感：當線圈中通有隨時間變化的交變電流時，其所產(chǎn)生的交變磁通量也隨時間變化，從而使線圈本身產(chǎn)生感應電動勢，這一現(xiàn)象稱為自感。所產(chǎn)生的自感電動勢為：

I—電流，A;

t—時間，s;

L—自感系數(shù)，歐姆Ω。L—自感系數(shù)，和線圈的匝數(shù)平方成正比，與磁阻成反比，與通過線圈的電流無關。（2）互感：當通有電流I1和I2的兩個線圈相互接近時，由線圈1中電流I1所引起的變化的磁場在通過線圈2時，會在線圈2中產(chǎn)生感應電動勢，同樣，線圈2中的電流所引起的變化的磁場在通過線圈1時也會產(chǎn)生感應電動勢。

M21

—線圈1對線圈2的互感系數(shù)，H;

M12

—線圈2對線圈1的互感系數(shù)，H;

M21

=M12

式中下標的第一個數(shù)字表示感應出電動勢的線圈，第二個數(shù)字表示引起感應的線圈。互感電動勢

（二）渦流定義：由于電磁感應，當導體處在變化的磁場中或相對于磁場運動時，其內(nèi)部會感應出電流，這些電流在導體內(nèi)部自成閉合回路，呈漩渦狀流動，稱為渦流。1.集膚效應（1）直流電橫截面電流密度均勻無集膚效應（2）交流電導線周圍磁場變化導體中產(chǎn)生感應電流使沿導線截面的電流分布不均表面電流密度最大，中心最小集膚效應2.渦流透入深度定義：渦流透入導體的距離稱為透入深度。當渦流密度衰減到其表面值1/e時的透入深度稱為標準透入深度，又稱集膚深度。

標準透入深度與材料的磁導率、頻率、電導率有很大關系有效透入深度：工程中，通常定義2.6倍的標準透入深度稱渦流的有效透入深度。因為在2.6倍透入深度處，渦流密度一般已經(jīng)衰減了約90%，這90%的渦流對渦流檢測線圈產(chǎn)生有效影響，而在2.6倍標準透入深度以外的10%的渦流對線圈產(chǎn)生的效應可忽略不計。表面渦流密度為1三、渦流檢測線圈的阻抗分析一個線圈可以用一個由電阻、電感和電容串聯(lián)的電路表示，如忽略電容，線圈的復阻抗為：（一）單線圈的阻抗

在渦流檢測中，當試驗線圈遠離試件或任何其他導電材料或磁性材料時，其阻抗稱為空線圈阻抗。（二）耦合線圈的阻抗當兩個線圈（一次線圈和二次線圈）相耦合且原線圈通以交變電流時，由于電磁感應作用，在二次線圈中會產(chǎn)生感應電流，這個感應電流反過又會影響一次線圈中的電流和電壓，這種影響可以用將二次線圈電路的阻抗通過互感反折到一次線圈電路作為折合阻抗來體現(xiàn)。1.折合阻抗將次級線圈的折合阻抗與初級線圈自身的阻抗的和稱為初級線圈的視在阻抗Zs，即R1

、X1

—一次線圈的電阻和感抗;

RS

、XS

—二次線圈的電阻和感抗;2.視在阻抗應用視在阻抗的概念，就可認為初級線圈電路中電流和電壓的變化是由于它的視在阻抗的變化引起的，而據(jù)此就可以得知次級線圈對初級線圈的效應，從而可以推知次級線圈電路中阻抗的變化。（1）一次線圈視在電阻R和視在感抗X隨R2由∞至0變化的規(guī)律如右圖。說明工件回路斷開時，檢測線圈的阻抗Z1僅取決于

說明工件回路短路時，檢測線圈的阻抗Z1與R1、和K有關。設耦合系數(shù)則（2）歸一化處理為了消除初級線圈阻抗以及激勵頻率對曲線位置的影響，

便于對不同情況下的曲線進行比較，

通常要對阻抗進行歸一化處理。

縱坐標：橫坐標：歸一化處理的阻抗平面圖的特點:(1)他消除了一次線圈電阻和電感的影響，具有通用性。(2)阻抗圖的曲線以一系列影響阻抗的因素（如電導率、磁導率等）作參量。(3)阻抗圖定量地表示出各影響阻抗因素的效應大小和方向，為渦流檢測時選擇檢驗的方法和條件，為減少各種效應的干擾提供了參考依據(jù)。(4)對于各種類型的工件和檢測線圈，有各自對應的阻抗圖。三、有效磁導率和特征頻率（一）有效磁導率Forster提出了一個假想模型：圓柱導體的整個截面上有一個恒定不變的均勻磁場（磁場強度恒定），而磁導率卻在截面上沿徑向變化，它所產(chǎn)生的磁通量等于圓柱導體內(nèi)真實的物理場所產(chǎn)生的磁通量。進行渦流檢測時，檢測線圈視在阻抗的變化源于磁場的變化。但分析磁場比較復雜，為簡化渦流檢測中的阻抗分析問題，德國學者Forster提出了有效磁導率的概念。對于磁性材料，磁導率為

對于非磁性材料，磁導率為

有效磁導率：為簡化阻抗分析，假定磁場不變磁導率變化，稱為有效磁導率，事實上磁導率不變磁場變化。例如：無限長螺線管，內(nèi)置導電圓柱體，非鐵磁性材料時：（二）特征頻率（1）宗量貝塞爾函數(shù)的虛宗量為：（2）特征頻率Forster把有效磁導率μeff

表達式中貝塞爾函數(shù)的虛宗量的模為1時對應的頻率定義為特征頻率（界限頻率）。用fg表示，它是工件的固有特性，取決于工件自身的電磁特性和幾何尺寸。1）鐵磁性材料μr——相對磁導率。μ0——真空磁導率，μ0=4π×10-7H/cm。2）非鐵磁性材料μ0——真空磁導率，μ0=4π×10-7H/cm。在大多數(shù)電磁場問題中，關于動態(tài)磁場與感應電流交互作用的分析都涉及到很復雜的數(shù)學方法。對于帶無限長導電圓棒的穿過式線圈，其宗量A可表示為：

課本內(nèi)容補充：宗量為了便于穿過式線圈的渦流檢測分析，可以選擇試驗頻率f使宗量A等于1，此時的頻率為特征頻率（fg）：

試驗頻率比特征頻率特征頻率是工件的固有特性，取決于工件的電磁特性和幾何尺寸。課本內(nèi)容補充：特征頻率