涡流检测原理课件.ppt
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- 涡流 检测 原理 课件
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1、6 涡流检测涡流检测6-1 涡流检测基本原理涡流检测基本原理 金属在变动的磁场中或相对于磁场运动时,金金属在变动的磁场中或相对于磁场运动时,金属体内会感生出旋涡状流动的电流,称为涡流。属体内会感生出旋涡状流动的电流,称为涡流。涡流检测是以电磁感应为基础,它的基本原理涡流检测是以电磁感应为基础,它的基本原理是,当载有交变电流的线圈靠近导电材料时,由是,当载有交变电流的线圈靠近导电材料时,由于线圈磁场的作用,材料中会感生出涡流。于线圈磁场的作用,材料中会感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到材料导电性涡流的大小、相位及流动形式受到材料导电性能的影响,而涡流产生的反作用磁场又使检测线能的影响,而
2、涡流产生的反作用磁场又使检测线圈的阻抗发生变化。圈的阻抗发生变化。因此,通过测定检测线圈阻抗的变化,可以得因此,通过测定检测线圈阻抗的变化,可以得到被检材料有无缺陷的结论。到被检材料有无缺陷的结论。涡流检测只适用于导电材料,同时由于涡流是涡流检测只适用于导电材料,同时由于涡流是电磁感应产生的,所以在检测时不必要求线圈与电磁感应产生的,所以在检测时不必要求线圈与被检材料紧密接触,从而容易实现自动化检测。被检材料紧密接触,从而容易实现自动化检测。因此,对管、棒、丝材的表面缺陷,涡流检因此,对管、棒、丝材的表面缺陷,涡流检测法有很高的速度和效率。测法有很高的速度和效率。涡流及其反作用磁场对金属材料工
3、件的物理和涡流及其反作用磁场对金属材料工件的物理和工艺性能的多种参数有反应,因此是一种多用途工艺性能的多种参数有反应,因此是一种多用途的检测方法。的检测方法。然而,正是由于对多种试验参数有敏感反应,然而,正是由于对多种试验参数有敏感反应,也就会给试验结果带来干扰信息,影响检测的正也就会给试验结果带来干扰信息,影响检测的正确进行。确进行。对涡流产生影响的因素有电导率、磁导率、对涡流产生影响的因素有电导率、磁导率、缺陷、工件形状与尺寸及线圈与工件之间距离等。缺陷、工件形状与尺寸及线圈与工件之间距离等。因此,涡流检测可以对材料和工件进行电导率因此,涡流检测可以对材料和工件进行电导率测定、探伤、厚度测
4、量以及尺寸和形状检查等。测定、探伤、厚度测量以及尺寸和形状检查等。表中列举了涡流检测的几种用途表中列举了涡流检测的几种用途 涡流法还可对高温状态下的导电材料进行涡流涡流法还可对高温状态下的导电材料进行涡流检测,如热丝、热线、热管、热板等。检测,如热丝、热线、热管、热板等。尤其加热到居里点温度以上的钢材,检测时不尤其加热到居里点温度以上的钢材,检测时不再受磁导率的影响,可以像非磁性金属那样用涡再受磁导率的影响,可以像非磁性金属那样用涡流法进行探伤、材质检验及棒材直径、管材壁厚、流法进行探伤、材质检验及棒材直径、管材壁厚、板材厚度等测量。板材厚度等测量。涡流检测可以广泛用于各种金属材料工件和少涡流
5、检测可以广泛用于各种金属材料工件和少数非金属材料工件。数非金属材料工件。与其它无损检测方法相比,涡流检测的主要优、与其它无损检测方法相比,涡流检测的主要优、缺点如下缺点如下:优点优点:A)对导电材料的表面或近表面的检测,具有良对导电材料的表面或近表面的检测,具有良好的灵敏度好的灵敏度 B)适用范围广,能对导电材料的缺陷和其它因适用范围广,能对导电材料的缺陷和其它因素的影响提供检测的可能性素的影响提供检测的可能性 C)在一定条件下可提供裂纹深度的信息在一定条件下可提供裂纹深度的信息 D)不需要耦合剂不需要耦合剂 E)对管、棒、线材等便于实现高速、高效率的对管、棒、线材等便于实现高速、高效率的自动
6、化检测自动化检测 F)适用于高温及薄壁管、细线、内孔表面等其适用于高温及薄壁管、细线、内孔表面等其它检测方法比较难以进行的特殊场合下的检测它检测方法比较难以进行的特殊场合下的检测缺点缺点 A)限于导电材料限于导电材料 B)只限于材料表面和近表面的检测只限于材料表面和近表面的检测 C)干扰因素多,需要特殊的信号处理干扰因素多,需要特殊的信号处理 D)对形状复杂的工件进行全面检测时效率很低对形状复杂的工件进行全面检测时效率很低 E)检测时难于判断缺陷的种类和形状检测时难于判断缺陷的种类和形状 涡流既然是因为线圈中交变电流涡流既然是因为线圈中交变电流(又称一次电又称一次电流流)激励的交变磁场在金属中
7、感应产生的,那么激励的交变磁场在金属中感应产生的,那么涡流也是交变的,同样会在周围空间形成交变磁涡流也是交变的,同样会在周围空间形成交变磁场并在线圈中感应电动势。场并在线圈中感应电动势。这样,线圈造成的磁场不是由一次电流所产生,这样,线圈造成的磁场不是由一次电流所产生,而是一次电流和涡流共同感生的合成磁场。而是一次电流和涡流共同感生的合成磁场。假定一次电流的振幅不变,线圈和金属工件之假定一次电流的振幅不变,线圈和金属工件之间的距离也保持固定,那么,涡流和涡流磁场的间的距离也保持固定,那么,涡流和涡流磁场的强度和分布就由金属工件的材质所决定。强度和分布就由金属工件的材质所决定。也就是说,合成磁场
8、中包含了金属工件的电导也就是说,合成磁场中包含了金属工件的电导率、磁导率、裂纹缺陷等信息。率、磁导率、裂纹缺陷等信息。因此,只要从线圈中检测出有关信息,例如从因此,只要从线圈中检测出有关信息,例如从电导率的差别就能得到纯金属的杂质含量、时效电导率的差别就能得到纯金属的杂质含量、时效铝合金的热处理状态等信息,这是利用涡流方法铝合金的热处理状态等信息,这是利用涡流方法检测金属或合金材质的基本原理。检测金属或合金材质的基本原理。由于涡流也有趋肤效应,因此,涡流密度在金由于涡流也有趋肤效应,因此,涡流密度在金属表面最大,离表面愈远衰减愈大。属表面最大,离表面愈远衰减愈大。不同导电材料不同导电材料(电导
9、率和磁导率不同电导率和磁导率不同)以及通过以及通过的交变电流的频率不同,电流密度在工件横截面的交变电流的频率不同,电流密度在工件横截面上的分布也有所不同,它是按指数规律从工件表上的分布也有所不同,它是按指数规律从工件表面向工件内部衰减的。面向工件内部衰减的。电流密度下降到表面电流密度电流密度下降到表面电流密度37%的深度,称为的深度,称为透入深度透入深度()。它与激励电流的频率、金属材料。它与激励电流的频率、金属材料的电导率和磁导率有直接关系,可表示为的电导率和磁导率有直接关系,可表示为式中式中 f-交流电流频率交流电流频率(Hz),-材料磁导率材料磁导率(H/m),-材料电导率材料电导率m/
10、(.mm2)从上式可知,频率、电导率和磁导率愈大,透从上式可知,频率、电导率和磁导率愈大,透入深度也就愈小。入深度也就愈小。f1几种典型材料的透入深度如图几种典型材料的透入深度如图6-1,显示导电材,显示导电材料的透入深度与检测频率的关系料的透入深度与检测频率的关系 除了透入深度的定义外,它也是交流电流的除了透入深度的定义外,它也是交流电流的相位差为相位差为180o的深度。的深度。工件表面的涡流密度最大,它的检测灵敏度工件表面的涡流密度最大,它的检测灵敏度最高,离工件表面愈深,涡流密度愈小,检出最高,离工件表面愈深,涡流密度愈小,检出灵敏度愈低。灵敏度愈低。涡流检测中,要用许多阻抗平面图来描述
11、缺涡流检测中,要用许多阻抗平面图来描述缺陷、电导率,磁导率和尺寸变化与线圈阻抗的陷、电导率,磁导率和尺寸变化与线圈阻抗的关系。关系。首先需要了解两个线圈相距很近而又有互感的情首先需要了解两个线圈相距很近而又有互感的情况,当线圈况,当线圈2不接负载时,线圈不接负载时,线圈1的等效阻抗为线的等效阻抗为线圈圈1原有的阻抗原有的阻抗Z1不变不变(Z1=R1+jL1)而当线圈而当线圈2的负载短路时,线圈的负载短路时,线圈1的等效阻抗为的等效阻抗为R1+jL1(1-k2),即比线圈,即比线圈1的原有阻抗减小了的原有阻抗减小了jL1k2大小大小(其中其中k为耦合系数为耦合系数如将线圈如将线圈l的阻抗作一复数
12、阻抗平面,即以电阻的阻抗作一复数阻抗平面,即以电阻R为横轴,以感抗为横轴,以感抗X为纵轴并以负载为纵轴并以负载Rr为参变数作为参变数作出的轨道曲线,如图出的轨道曲线,如图a所示所示是一个近似半圆是一个近似半圆(右边右边),半圆直径为,半圆直径为k2L1,线,线圈圈1感抗感抗X从从L1单调减少到单调减少到(1-k2)L1,而电阻,而电阻R由由R1,增加到,增加到Rl+k2L1/2最大值后减小回到最大值后减小回到R1 用这样的阻抗平面来了解线圈阻抗变化要比用用这样的阻抗平面来了解线圈阻抗变化要比用公式直观得多,容易理解。公式直观得多,容易理解。但是由于不同的线圈阻抗和不同的电流频率有但是由于不同的
13、线圈阻抗和不同的电流频率有不同的半圆直径和位置,而且有时线圈阻抗的轨不同的半圆直径和位置,而且有时线圈阻抗的轨迹曲线不是半圆,因此要进行相互比较有困难。迹曲线不是半圆,因此要进行相互比较有困难。为此,用线圈为此,用线圈1的视在感抗的视在感抗L1来除纵轴和横轴来除纵轴和横轴的的X和和R,可以获得归一化阻抗曲线,如图,可以获得归一化阻抗曲线,如图b这样,半圆直径在纵轴上的位置,上端为这样,半圆直径在纵轴上的位置,上端为(0,1),下端为下端为(0,1-k2),直径为,直径为k2,半圆上参变数,半圆上参变数Rr,用,用归一化频率归一化频率F来表示,则有来表示,则有rRLF2在半圆上端在半圆上端F等于
14、零,中间等于零,中间F等于等于1,下端,下端F为无为无穷大。归一化处理后的电阻和电抗都是无因次量,穷大。归一化处理后的电阻和电抗都是无因次量,并且都一定小于并且都一定小于l。根据这个方法得到的阻抗平。根据这个方法得到的阻抗平面图的格式是统一的,因而具有通用性。面图的格式是统一的,因而具有通用性。在涡流检测时,若通以交变电流的线圈中没有在涡流检测时,若通以交变电流的线圈中没有试样,则可以得到空载阻抗试样,则可以得到空载阻抗Z0=R0+jL0,若在,若在线圈中放入试样,线圈阻抗将变为线圈中放入试样,线圈阻抗将变为Z1=R1+jL1 随着材料和工件性质的不同,对检测线圈的影随着材料和工件性质的不同,
15、对检测线圈的影响也不一样,因而,工件性质的变化可以用检测响也不一样,因而,工件性质的变化可以用检测线圈阻抗特性的变化来描述。线圈阻抗特性的变化来描述。由于引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是由于引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是线圈中磁场的变化,检测时需要分析和计算工件线圈中磁场的变化,检测时需要分析和计算工件被放入检测线圈后磁场的变化,然后得出检测线被放入检测线圈后磁场的变化,然后得出检测线圈阻抗的变化,才能对各种因素进行分析。圈阻抗的变化,才能对各种因素进行分析。这样做比较复杂,德国福斯特这样做比较复杂,德国福斯特(Forstcr)提出有提出有效磁导率的概念,使涡流检测中的阻抗分析问题效
16、磁导率的概念,使涡流检测中的阻抗分析问题大大简化。大大简化。福斯特在分析线圈阻抗的变动时,提出一个福斯特在分析线圈阻抗的变动时,提出一个模型,当放在通有交变电流的无限长圆筒形线圈模型,当放在通有交变电流的无限长圆筒形线圈中的导电圆柱体时,圆柱体的整个截面上有一个中的导电圆柱体时,圆柱体的整个截面上有一个恒定磁场。恒定磁场。而磁导率却在截面上沿半径方向变化,并使这而磁导率却在截面上沿半径方向变化,并使这种情况下所产生的磁通量等于真实情况下圆柱体种情况下所产生的磁通量等于真实情况下圆柱体内的磁通量。内的磁通量。用事实上变化着的磁场强度和恒定不变的磁导率,用事实上变化着的磁场强度和恒定不变的磁导率,
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