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1、,蒋 仕 良 中 石 化 天 津 分 公 司 （全国特种设备无损检测考委会考委） TEL：022-63802672,涡流检测基础理论,第2章 涡流检测技术,2.1电磁感应及涡流 2.1.1电磁感应现象 2.1.2涡流及其集肤效应 2.2阻抗分析法 2.2.1线圈的阻抗和归一化阻抗 2.2.2有效磁导率和特征频率 2.2.3穿过式线圈的阻抗分析 2.2.4放置式线圈的阻抗分析,2.1电磁感应及涡流,2.1.1电磁感应现象,电磁感应现象是指电和磁之间相互感应的现象，包括电感生磁和磁感生电两种情况。 在任何电磁感应现象中，无论是怎样的闭合路径，只要穿过路径围成的面内的磁通量有了变化，就会有感应电动势
2、产生； 任何不闭合的路径，只要切割磁力线，也会有感应电动势的产生。 感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。闭合回路内的感应电流所产生的磁场总是组碍引起感生电流的磁通变化，这个电流的方向就是感应电动势的方向。对于导线切割磁力线时的感应电动势方向还可用右手定则来确定。,长度为的长导线在均匀的磁场中作切割磁力线运动时，在导体中产生的感应电动势为： Ei=Blvsina 式中：磁感应强度，单位是 导线长度，单位是 导线运动的速度，单位是 导线运动的方向与磁场间的夹角,二、自感,自感现象：当线圈中通有随时间变化的交变电流时，其产 生的交变磁通量也必将在本线圈中产生感应电动势。,当回路磁通量发生变化时，回
3、路中会产生感生电动势。 同样，当回路中通过的电流发生变化时，也会引起回路磁通变化，从而在回路中产生感生电动势。由于这种感生电动势是自感回路电路引起的，因此称为自感电动势，用 表示。,当线圈1、2靠近时，线圈1中电流 变化在线圈2中激起的感生电动势为 ，线圈2中的电流 变化在线圈1中激起的感生电动势为 。,式中：M互感系数，与两线圈形状、尺寸、匝数、周围媒质、材料的磁导率、相对位置等有关。 线圈1中电流的变化率； 线圈2中电流 的变化率； 表示互感电动势反抗回路中电流的变化。,“”,耦合系数,二、集肤效应与涡流渗入深度,直流电通过圆柱体导体时，导体横截面上的电流密度基本上均匀的。但当交流电通过圆
4、柱体导体时，横截面上的电流密度不在是均匀的了，而是导体表面电流密度大，中心电流密度小，这种电流主要集中在导体表面的现象称为趋肤效应或集肤效应。,电流密度从表面至中心的变化规律为,式中 I0 -无限大导体半表面的涡流密度，A Ix -至表面 x 深处的涡流密度，A X- 至表面的距离 ，m f - 电流频率，Hz -导体磁导率，H/m -导体电导率，S/m,：,标准透入深度（集肤深度）：,当涡流密度衰减到其表面值的1/e时的透入深度,涡流透入导体的距离称为透入深度,对于非铁磁性材料= o 410-7 H/m,通常定义2.6倍的标准透入深度为涡流的有效透入深度。其意义是：将2.6倍的标准透入深度范
5、围内90%的涡流视为对涡流检测线圈产生有效影响，其余范围以外的10%的影响忽略不计。,一、线圈的阻抗,电阻R与电感L串联的电路，如下图 (a),2.2阻抗分析法,2.2.1线圈的阻抗和归一化阻抗,这时电感L两端的电压为,通过电阻R两端的电流和电压为,式中 Z线圈的阻抗 I 通过线圈的电流,，因此电阻与电感两端的总电压为,的相位关系如图(b)所示，,总比,与,二、耦合线圈的阻抗,归一化处理的阻抗平面图的特点: 1、他消除了一次线圈电阻和电感的影响，具有通用性。 2、阻抗图的曲线以一系列影响阻抗的因素（如电导率、磁导率等）作参量。 3、阻抗图定量地表示出各影响阻抗因素的效应大小和方向，为涡流检测时
6、选择检验的方法和条件，为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。,图 涡流磁场,(a)引进 前的磁场分布 (b)引进 后的磁场分布,在讨论有效磁导率的计算公式之前先做如下三个假设： （1） 圆柱体充分长，并完全充满线圈。 （2） 激励电流为单一的正弦波。 （3） 试件的电导率、磁导率不变。,在以上假设条件下，根据磁通量的概念，可以得出 圆柱体内得总磁通为,一阶贝塞尔函数,式中,真空中磁导率，,实际应用中把函数变量的模等于1的频率称为特征频率或界限频率，用fg表示。,二、特征频率,圆柱体的半径（m）；,特征频率（Hz）.,，,上式变为,以cm为单
7、位时，,对于非铁磁性材料,有效磁导率随着f/fg的增大，虚部先增大后减小，实部逐渐减小。,2.2.2穿过式线圈的阻抗分析,一、线圈感应电动势与阻抗,穿过式螺线管线圈的磁通量,单位长度螺线管上产生的感应电动势,空载时,螺线管线圈的磁通量,单位长度螺线管上产生的感应电动势,归一化电动势,为线圈的填充系数,含导电圆柱体时,单位长度螺线管上产生的阻抗,空载时, 单位长度线圈的阻抗,归一化阻抗,为线圈的填充系数,归一化阻抗,二、含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析,含导电圆柱体螺线管的归一阻抗和归一电动势都可以表示为下面的特征函数,影响线圈阻抗的因素是材料自身的性质和线圈与试件的电磁耦合状况，主要包括：试件的电
8、导率、磁导率、几何尺寸、缺陷及试验频率。,2、磁导率的影响,+对于非铁磁性材料，磁导率对阻抗没有影响。,磁导率变化，一方面改变频率比，从而改变有效磁导率；另一方面，它还改变特性函数中的,影响效果，在弦向曲线的方向上。,用相敏技术可以鉴别电导率的变化和磁导率的变化。频率比小于等于15，具有良好的分辨率。,3、试件的几何尺寸,试件半径变化，一方面改变频率比，从而改变有效磁导率；另一方面，它还填充系数的大小。,影响效果，在弦向曲线的方向上。,用相敏技术可以鉴别电导率的变化和半径的变化。频率比大于4，具有良好的分辨率。,当试件是非铁磁性材料时，半径的增加引起有效磁导率的降低，铁磁性材料相反。（磁场增量
9、超过涡流对磁场的削弱量）,4、缺陷,时非磁性材料圆柱体裂纹缺陷对线圈阻抗的影响。,实际涡流检测中，频率比在5150的范围内具有实际意义,皮下裂纹的最佳频率比为420； 表面裂纹的最佳频率比为1050； 所以，裂纹的最佳频率比为1020。,铁磁性材料裂纹产生效应，与直径变化和磁导率变化引起的效应不同，有较大的夹角，适当的选择工作频率（频率比小于10），可以进行检测。,三、含导电管材的穿过式线圈的阻抗分析,2、厚壁管的情况,试件的特征频率为,=1，外径为常数，厚壁管特性变化对非铁磁性穿过式线圈的阻抗变化的影响,式中,试件相对磁导率；,试样的电导率（ MS/m),试件内径(cm),直径效应和电导率效
10、应之间有较大的夹角。,管件内外壁裂纹的阻抗曲线间有相移，随着f/fg、W/r0(r0为管的外半径）的增加而增加，同时，那些既不在内壁也不在外壁表面下的裂纹影响略小于同样深度的表面裂纹的影响。,非铁磁性厚壁管内穿过式线圈的阻抗平面图,当管的内径保持不变，而管材的电导率或试验频率改变时，线圈阻抗沿f/fg曲线移动，与内径变化时阻抗曲线的移动，两者之间具有较大的夹角，容易分离，因此，利用内穿过式线圈对管件内部进行检测，对腐蚀效应有良好的检测结果。,2.2.3放置式穿过式线圈的阻抗分析,一、影响阻抗变化的主要因素,根据用处、结构、形状不同，有各自的名称：笔式探头、钩式探头、平探头和孔探头。,实际的ET
11、中，影响因素：提离、电导率、磁导率、频率、缺陷、工件厚度、线圈的直径。,1、提离效应的影响,提离效应是指应用点式线圈时,线圈与工件之间的距离变化会引起检测线圈阻抗的变化。 原因：由于线圈和工件之间距离的变化会使到达工件的磁力线发生变化，改变了工件中的磁通，从而影响到线圈的阻抗。,2、边缘效应的影响,ET时，提离效应影响很大，多用适当的电学方法予以抑制；但也可以利用它，利用提离效应可以测量金属表面涂层或绝缘覆盖层的厚度。,当线圈移近工件的边缘时，涡流流动的路径发生畸变，会产生“边缘效应”干扰信号。 干扰信号一般远远超过所要检测的信号，在实际ET中，利用一些电的或机械的方法来消除边缘效应的干扰,3
12、、工件电导率、磁导率的影响,1）随着电阻率的增加，阻抗值沿着阻抗曲线向上移动。 2）对非铁磁性材料，相对磁导率为1，不影响阻抗。 3）对铁磁性性材料，相对磁导率远远大于1，对阻抗影响显著。 对高磁导率的铁磁性材料检测时，由于磁导率不是一个常数，微小的磁导率都会引起很大的本底噪声。 消除方法：用直流磁化将被检工件磁化到饱和，是磁导率变小，达到某一常数。,4、试验频率的影响,频率和电导率在阻抗图上的效应是一致的。 阻抗图是以f/fg为参数描绘出来的，f/fg一般取1040。 若f/fg过小，则电导率变化方向与直径变化方向的夹角很小，用相位分离法难以分离，但也不宜过大。 频率增大时，由于集肤效应，涡
13、流会局限于表面薄层流动；频率降低时，深入深度增大，阻抗值沿曲线向上移动。,5、工件厚度的影响,工件变薄时，阻抗值沿 曲线向上移动。与电阻 率增大的效应相似。,6、线圈直径的影响,线圈直径增加，阻抗值沿曲线向下移动，与频率增大的效应相似。 原因：线圈直径的增加使工件的磁通密度增加了，增大了涡流值，这相当于电导率的增大,二、特征参数,特征参数是指将频率、线圈直径和工件参数结合在一起得到的一个参数。,r线圈的平均半径,图中，实线表示当提离为常数时，Pc从零增加到无穷大所得到的阻抗曲线。虚线表示当Pc保持不变时，探头从无穷远到和工件接触所得到的曲线。,特征参数的用途在于它提供了一个模拟参数，当检测对象
14、不一样时，只要特征参数相同，在归一化阻抗图上就有相同的工作点。 为了得到高的精度，工作点需选择在阻抗曲线的拐点部分。因为阻抗曲线和提离效应有较大的相角。,三、相位,相角说明： 1、0：电感电压和电流之间的相角，90度。 2、1：arctan(L/Rl)，电压矢量和横轴之间的夹角。 3、1：当探头移过缺陷时，归一化电压量的相位变化。 4、2：感应电压和激励电压间的相位。 5、2：当探头移过缺陷时，感应电压相位的变化。 6、3：缺陷和提离电压信号之间的相位差，这是一个很重要的参数。 7、：涡流的相位滞后，即深度为X处的涡流相位和表面涡流相位差。 8、许多涡流仪器都有相位旋钮，用它可以将整个阻抗平面进行旋转，通常将提离旋转到水平位置。（因为在涡流仪器的显示中，电感和电阻的绝对方向可能是不知道。）,Back,Back,
