涡流检测2-课件.ppt

1、1 涡流检测的物理基础涡流检测的物理基础2 涡流检测的阻抗分析法涡流检测的阻抗分析法 3 涡流检测的应用涡流检测的应用 1、涡流检测原理？2、什么是交流电流的趋肤效应？3、什么叫涡流检测的标准渗透深度？它的表达式如何表示？4、什么是电导率？、什么是电导率？5、什么叫磁导率？它的表达式如何？复习关键词：涡流关键词：涡流 交流磁场交流磁场 交变磁力交变磁力线线 激励线圈激励线圈 感生出感生出反作用电流。反作用电流。涡流变化涡流变化 反作用电流也变化反作用电流也变化。测定。测定反作用电流反作用电流的变化的变化 测得测得涡流涡流的变化的变化 得到试件的得到试件的信息。信息。f：电流频率，HZr:相对磁

2、导率，无量纲：电导率，s/m什么叫电导率？(1)定义或解释:电阻率的倒数为电导率.简称为：T.D.S。=1/(2)单位:在国际单位制中,电导率的单位是西门子/米(s/m)。(3)电导率的物理意义:是表示物质导电的性能。电导率越大则导电性能越强,反之越小。答：试件的磁性可用磁导率来描述。磁导率亦称“导磁系数”是描述磁性材料导磁能力的物理量，它的表达式为=/,式中：-磁导率；-磁感应强度；-磁场强度，通常使用的是磁介质的相对磁导率r，其定义为磁导率与真空磁导率0之比.涡流检测的物理基础2 如果电荷和电流随时间变化，电场和磁场发生相互作用：电流能够产生磁场，变化的磁场也能在导体中产生感应电动势和电流

3、，这种现象叫做电磁感应。1 电磁感应定律楞次定律闭合回路中产生的感应电流有确定的方向，它总是企图使自己产生的通过回路面积的磁通量，去抵偿或反抗引起感应电流的磁通量的改变。楞次定律只确定了感应电动势和感应电流的方向，并没有确定感应电动势的大小。下法拉第电磁感应定律不论任何原因使穿过线圈的磁通量发生变化时，在线圈里就产生感应电动势，感应电动势的大小和磁通量对时间的变化率的负值成正比。dtdKi如果线圈的电阻为R，则线圈里的感应电流为 dtdRKIi对于有n匝的串联线圈，在线圈中产生的总感应电动势为 dtdkni式中，k比例常数，随单位制不同而异；磁通量（Wb）；t时间（s）；感应电动势（V）。负号

4、表示感应电动势的方向总是企图反抗磁通的变化。2 自感和互感自感：当电流通过回路时，变化的电流所产生的变化磁通也通过闭合回路。这样在回路中就激起感生电动势。这种由于回路中电流产生的磁通量变化，而在自己回路中激起感生电动势的现象称为自感现象，其感生电动势称为自感电动势。dtdILELL自感系数（H）互感：两线圈回路1和回路2，其中分别通以电流I1和I2，则任一回路中电流所产生的磁感应线将通过另一回路所包围的面积。其中任一回路电流发生变化时，其磁通量的变化，在另一回路中会产生感生电动势。两个载流回路相互激起感生电动势的现象称为互感现象。dtdIMdtd1212121dtdIMdtd2121212互感

5、电动势、互感系数（H）12M21M3 涡流检测中的电磁感应交流电路中电压E与电流I之间关系为：ZIE式中，Z线圈阻抗（）E外接电源电压（V）涡流检测的试验基础 将两个线圈固定在一起。在线圈上输入交流电流，在线圈上接一个电压表，同时把这两个线圈放在金属块上面。线圈将激励出一个交变磁场。如果线圈、线圈和金属块靠的很近，以至于线圈所激励的磁场对线圈和金属块都有感应，那么在金属块中就会产生出涡流，而线圈中的电压表也相应地有一个读数。线圈是供激励磁场用的称为激励线圈；而线圈是供测量用的称为测试线圈。结论：结论：F电压表的读数会随金属材料的导电率或导磁率的变化而发生相应的改变。F电压表的读数会随金属材料的

6、尺寸或厚度的变化而发生相应的改变。F电压表的读数会随线圈与金属材料之间的距离的变化而发生相应的改变。涡流检测中的几种效应涡流检测中的几种效应F电压表读数随金属材料导电率或导磁率的变化而发生相应改变的现象，在涡流检测中我们称为导电率效应或导磁率效应。应用这个效应我们就可以用涡流法来测定各种金属材料的导电率或导磁率，也可以应用这个效应来进行金属材料的分选。F电压表读数随金属材料的尺寸或厚度的变化而改变的现象，在涡流检测中我们称为尺寸效应。应用这个效应我们就可以用涡流检测法来测定金属薄板的厚度，以及测定金属棒材的直径。F电压表读数随线圈与金属块之间距离的变化而改变的现象，在涡流检测中我们称为“提离”

7、效应。应用这个效应，我们就可以用涡流检测法来测定金属材料表面上的绝缘层的厚度。F涡流探伤法主要是用于检查金属表面或近表面上的裂纹等缺陷。由于被检零件一旦发生了裂纹等缺陷，那么在零件的缺陷处不仅导电率或磁导率发生了变化，而且零件的尺寸也发生了相应的变化。所以涡流探伤法既应用了导电率或导磁率效应，也应用了尺寸效应。（1 1）、检测线圈的阻抗分析）、检测线圈的阻抗分析 在涡流检测过程中，检测线圈与被检对象之间的在涡流检测过程中，检测线圈与被检对象之间的电磁关系可以用两个线圈的耦合（被检对象相当于次电磁关系可以用两个线圈的耦合（被检对象相当于次级线圈）来类比，为了了解涡流检测中被检对象的某级线圈）来类

8、比，为了了解涡流检测中被检对象的某些性质与检测线圈（相当于初级线圈）电参数之间的些性质与检测线圈（相当于初级线圈）电参数之间的关系，需要对检测线圈进行阻抗分析。关系，需要对检测线圈进行阻抗分析。二、二、涡流检测的阻抗分析法涡流检测的阻抗分析法 在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做【阻抗】。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加。阻抗的单位是欧。线圈自身的阻抗 一个线圈并不是一个纯电感，而是需用电阻、电感、电容组合而成的等效电路来表示。线圈自身的复阻抗：LjRZ（2 2）阻抗概念阻抗概念电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗，用X表示

9、。类似于直流电路中电阻对电流的阻碍作用，在交流电路（如串联RLC电路）中，电容及电感也会对电流起阻碍作用，称作电抗，其计量单位也叫做欧姆。在交流电路分析中，电抗用 X 表示，是复数阻抗的虚数部分，用于表示电感及电容对电流的阻碍作用。电抗随着交流电路频率而变化，并引起电路电流与电压的相位变化。阻抗即电阻与电抗的总合，用数学形式表示为：Z:阻抗，单位为欧姆 R:电阻，单位为欧姆 X:电抗，单位为欧姆 j 是虚数单位（3）电抗XXRZj线圈在磁通发生变化时能产生电动势e，（4）电感L 当线圈当线圈1中的电流变化时所激发的变化磁场，会在它相邻的中的电流变化时所激发的变化磁场，会在它相邻的另一线圈另一线

10、圈2中产生感应电动势；同样，线圈中产生感应电动势；同样，线圈2中上的电流变化时，中上的电流变化时，也会在线圈也会在线圈1中产生感应电动势。这种现象称为互感现象，以互中产生感应电动势。这种现象称为互感现象，以互感系数感系数M表示，简称互感。所产生的感应电动势称为互感电动势。表示，简称互感。所产生的感应电动势称为互感电动势。互感MLiNdtddtdNeiNiL磁通磁通磁链磁链线圈匝数线圈匝数电感电感 （5）涡流阻抗分析法 阻抗分析法是以分析涡流效应引起线圈阻抗的变化及其相位变化之间的密切关系为基础，从而鉴别各影响因素效应的一种分析方法。电压的变化和阻抗的变化之间有着相似的规律。在涡流检测中为了确定

11、受检试件性能影响而产生的涡流的变化，可以用检测线圈的电压效应来测定，也可以用检测线圈的阻抗变化来测定。检测线圈的阻抗：11110jjLRXRZ设通以交变电流的检测线圈（初级线圈）的自身阻抗为Z0当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互耦合时，由于互感的当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互耦合时，由于互感的作用，闭合的次级线圈中会产生感应电流，而这个电流反过来又作用，闭合的次级线圈中会产生感应电流，而这个电流反过来又会影响初级线圈中的电压和电流。这种影响可以用次级线圈电路会影响初级线圈中的电压和电流。这种影响可以用次级线圈电路阻抗通过互感阻抗通过互感M反映到初级线圈电路的等效阻抗反映到初级线圈电路的

12、等效阻抗Ze来体现。来体现。Z0与与Ze之和之和Z称为初级线圈的称为初级线圈的视在阻抗视在阻抗。线圈耦合互感电路 初级线圈次级线圈电阻电抗检测线圈的视在阻抗是自阻抗与反射阻抗之和。检测线圈的视在阻抗是自阻抗与反射阻抗之和。应用视在阻抗的概念，就可认为初级线圈电路中电流和电应用视在阻抗的概念，就可认为初级线圈电路中电流和电压的变化是由于它的视在阻抗的变化引起的，而据此就可以得压的变化是由于它的视在阻抗的变化引起的，而据此就可以得知次级线圈对初级线圈的效应，从而可以推知初级线圈电路中知次级线圈对初级线圈的效应，从而可以推知初级线圈电路中阻抗的变化。阻抗的变化。通过监测初级线圈（检测线圈）视在阻抗的

13、变化通过监测初级线圈（检测线圈）视在阻抗的变化来推断被检对象（次级线圈）的阻抗是否发生改变，来推断被检对象（次级线圈）的阻抗是否发生改变，进而判断其物理或工艺性能的变化及有无缺陷存在是进而判断其物理或工艺性能的变化及有无缺陷存在是涡流检测的目的。涡流检测的目的。)(2RrR11110jjLRXRZZ 若次级线圈开路，即 ，（在涡流检测中，这相当于检测线圈尚未靠近被检对象），则初级线圈的空载阻抗 阻抗平面图：0)(2RrR2122211e1)1(Lj)(LLMKKRXXRRXRZsesss）（若次级线圈的 ，则有K耦合系数在 从 的过程中，视在阻抗Z以视在电阻Rs为横坐标，视在电抗X为纵坐标的阻

14、抗平面图上变化，其轨迹近似为一个半圆，此即初级线圈的阻抗平面图。)(2RrR)0(02从LXRs阻抗归一化阻抗平面图虽然比较直观，但半圆形阻抗平面图虽然比较直观，但半圆形曲线在阻抗平面图上的位置与初级线圈自曲线在阻抗平面图上的位置与初级线圈自身的阻抗以及两个线圈自身的电感和互感身的阻抗以及两个线圈自身的电感和互感有关。另外，半圆的半径不仅受到上述因素有关。另外，半圆的半径不仅受到上述因素的影响，还随频率的不同而变化。这样，的影响，还随频率的不同而变化。这样，如果要对每个阻抗值不同的初级线圈的视在阻抗，或对频率不同的初级线如果要对每个阻抗值不同的初级线圈的视在阻抗，或对频率不同的初级线圈的视在阻

15、抗，或对两线圈间耦合系数不同的初级线圈的视在阻抗作出阻圈的视在阻抗，或对两线圈间耦合系数不同的初级线圈的视在阻抗作出阻抗平面图时，就会得到半径不同、位置不一的许多半圆曲线，抗平面图时，就会得到半径不同、位置不一的许多半圆曲线，这不仅给这不仅给作图带来不便，而且也不便于对不同情况下的曲线进行比较。作图带来不便，而且也不便于对不同情况下的曲线进行比较。为了消除初级线圈阻抗以及激励频率对曲线位置的影响，为了消除初级线圈阻抗以及激励频率对曲线位置的影响，便于对不同情况便于对不同情况下的曲线进行比较，下的曲线进行比较，通常要对阻抗进行归一化处理。通常要对阻抗进行归一化处理。XRs 归一化处理：横坐标：纵

16、坐标：这样就使纵轴与半圆直径重合，上端点为（0,1)，下端点为（0，1-K2）。半圆仅取决于耦合系数K。归一化后的阻抗平面图消除了初级线圈自身阻抗的变化对 Z的影响，在涡流检测中具有通用性。归一化后的阻抗平面图 11sLRR1LXrRRL2211LRRsXXR(6)、有效磁导率和特征频率1）有效磁导率eff进行涡流检测时，检测线圈视在阻抗的变化源于磁场的变化。但分析磁场比较复杂，为简化涡流检测中的阻抗分析问题，德国学者ForsterForster提出了提出了有效磁导率有效磁导率的概念的概念。用通以交变电流的无限长圆筒形线圈内置一外径充满线圈的导电圆柱体来分析。在半径为r、磁导率为、电导率为 的

17、长直圆柱导体上，紧贴密绕一螺线管线圈。在螺线管中通以交变电流，则圆柱导体中会产生一交变磁场，由于趋肤效应，磁场在圆柱导体的横截面上的分布是不均匀的。Forster提出了一个假想模型：圆柱导体的整个截面上有一个恒定不变的均匀磁场（磁场强度恒定），而磁导率却在截面上沿径向变化，它所产生的磁通量等于圆柱导体内真实的物理场所产生的磁通量。这样，就这样，就用一个恒定的磁场和变化着的磁导率替代了实际用一个恒定的磁场和变化着的磁导率替代了实际上变化着的磁场和恒定的磁导率，这个变化着的磁导率便称为上变化着的磁场和恒定的磁导率，这个变化着的磁导率便称为有效磁导率，有效磁导率，用用eff表示，同时推导出它的表达式

18、为表示，同时推导出它的表达式为)j(J)j(Jj201effkrkrkr有效磁导率可以用频率比f/fg作为变量，f为涡流检测的激励频率，fg为特征频率。2）特征频率是工件的固有频率，取决于工件的电磁特性和几何尺寸。涡流检测中，一般来说，试验频率f总是大于材料特征频率fg的。在一定频率比 gff/时，被检测的圆柱体不论直径大小，其涡流密度和场强的几何分布均相似，也就是两个大小不同的被检物体，如果频率比相同，则有效磁导率及圆柱体内的涡流场强和涡流密度的几何分布也相同。这就是涡流试验的相似定律。其相似条件为：2222221111dfdfrr根据相似定律，只要频率比相同，几何相似的不连续性却像，将引起相同的涡流效应和相同的有效磁导率变化。可以通过带有人工缺陷的模拟实验，测量出有效磁导率的变化值与缺陷深度、宽度、以及位置的关系，再利用人工缺陷的模型试验获得裂纹引起线圈参数变化的实验数据，作为实际进行涡流检测的判定缺陷影响的参考依据。