涡流检测课件.ppt
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1、涡流检测涡流检测的物理基础一 涡流检测的原理 当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时,由于线圈磁场的作用,试件会感生出涡流。涡流大小、相位及流动性是受到试件导电性能等的影响,涡流的反作用又使检测线圈的阻抗发生变化。因此通过测定检测线圈阻抗的变化,或线圈上感应电压的变化,就可以得到被检材料有无缺陷。1ppt课件2ppt课件线圈交变电流(一次电流)激励的磁场是交变的,那么涡流也是交变的。这个交变的涡流会在周围空间形成交变磁场并在线圈中感应电动势。线圈中的磁场就是一次电流和涡流共同感生的合成磁场。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。3ppt课件优点:(1)不需耦合剂,与试件可接
2、触也可不接触。(2)对管、棒、线材易于实现自动化。(3)能在高温、高速下进行检测。(4)能进行多种测量,并能对疲劳裂纹监控。(5)工艺简单、操作容易、检测速度快。二 涡流检测的特点4ppt课件缺点:(1)只适合导电材料表面和近表面的检测。(2)难以判断缺陷的种类、形状和大小。(3)干扰因素较多,需要特殊的信号处理技术。(4)对形状复杂的试件难以进行检测。5ppt课件目的目的检测因素检测因素典型应用典型应用探伤探伤试件中的裂纹、腐试件中的裂纹、腐蚀、凹坑、夹杂、蚀、凹坑、夹杂、气泡等气泡等管、棒、线、板材等的探伤;管、棒、线、板材等的探伤;机制件的探伤;机制件的探伤;飞机维护及管道系统的维护检查
3、飞机维护及管道系统的维护检查;疲劳裂纹的监视。疲劳裂纹的监视。材质试验材质试验电导率电导率磁导率磁导率测量金属试件的电磁参数;测量金属试件的电磁参数;金属热处理状态的鉴别;金属热处理状态的鉴别;金属材料的分选;金属材料的分选;金属材料成分含量、杂质含量的金属材料成分含量、杂质含量的鉴别。鉴别。厚度及位移厚度及位移等的测量等的测量提离效应、厚度效提离效应、厚度效应、充填效应等应、充填效应等金属试件上涂、镀等膜层测量;金属试件上涂、镀等膜层测量;板材测厚;板材测厚;位移、振动测量;位移、振动测量;液面位置、压力等的监控;液面位置、压力等的监控;试件尺寸、形状测量等。试件尺寸、形状测量等。6ppt课
4、件主要应用:(1)能检测出材料和构件中的缺陷,例如裂纹、折叠、气孔和夹杂等。(2)能测量材料的电导率、磁导率、检测晶粒度、热处理状况、材料的硬度和尺寸等。(3)金属材料或零件的混料分选。通过检查其成分、组织和物理性能的差异而达到分选的目的。7ppt课件主要应用:(4)测量金属材料上的非金属涂层、铁磁性材料上的非铁磁性材料涂层和镀层的厚度等。(5)在无法进行直接测量的情况下,可用来测量金属箔、板材和管材的厚度,测量管材和棒材的直径等。8ppt课件涡流检测的物理基础 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,这种现象叫做电磁感应
5、。9ppt课件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。10ppt课件11ppt课件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。dtdKi12ppt课件如果线圈的电阻为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
6、(s);感应电动势(V)。负号表示感应电动势的方向总是企图反抗磁通的变化。13ppt课件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)14ppt课件互感: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。15p
7、pt课件dtdIMdtd1212121dtdIMdtd2121212互感电动势、互感系数(H)12M21M16ppt课件3 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)17ppt课件二 涡流如把一块金属导体放在变化着的磁场中,由于金属导体会不断切割磁力线,从而在金属导体中产生感应电动势。同时,在导体内形成一个自成闭合回路,其形状象水中旋涡的电流,这个电流就叫做涡流或涡电流。又叫做付科(Foucault)电流。18ppt课件涡流的产生19ppt课件趋肤效应和渗透深度直流电在导体内流过时,它在导体横截面上的电流密度分布基本上是均匀的。但当交
8、流电在导体中流动时,它在导体横截面上的电流分布很不均匀。表面层电流密度最大。越进入导体中心其电流分布随着距表面的深度增加而衰减,此现象即为交流电的趋肤效应。20ppt课件趋肤效应的大小以渗透深度来描述即电流密度减少到表面电流密度的%371e时的深度。f121渗透深度与频率f的平方根成反比。21ppt课件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。22ppt课件 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
9、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。23ppt课件结论: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。24ppt课件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。25ppt课件F电压表读数随金属材料的
10、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。26ppt课件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”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。27ppt课件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。28ppt课件第三节 涡流阻抗分析法
11、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。29ppt课件一 线圈的阻抗和阻抗归一化1 线圈的阻抗 用检测线圈的阻抗变化来测定受检试件性能影响而产生的涡流的变化。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。30ppt课件线圈的等效电路线圈自身的复阻抗:LjRZ31ppt课件耦合线圈的阻抗111111jXRLjRZ表
12、示检测线圈的自阻抗,即线圈空载阻抗,11LX为空载的感抗。222222jXRLjRZ表示涡流环的自阻抗,22LX为涡流环的感抗。MjjXZM12表示检测线圈与涡流环的耦合阻抗,MXM称为耦合电抗。32ppt课件反射阻抗与视在阻抗11jXRZ反射阻抗:表示被测导体上的涡流场对检测线圈的影响。视在阻抗:jXRZZZ1111检测线圈的视在阻抗是自阻抗与反射阻抗之和。33ppt课件2 阻抗图22122121)21()211()(KXKXXRR视在电抗视在电阻34ppt课件3 阻抗的归一化 经过归一化处理后的电阻和电抗都是无量纲的量,并且都恒小于1。35ppt课件归一化阻抗图的特点:(1)它消除了原边线
13、圈电阻和电感的影响,具有通用性。(2)阻抗图的曲线簇以一系列影响阻抗的因素作为参量。(3)阻抗图形定量地表示出各影响阻抗因素的效应大小和方向。(4)对于各种类型的工件和检测线圈,有各自对应的阻抗图。36ppt课件二 有效磁导率和特征频率eff1 有效磁导率)()(101kajjkajjjkaeff37ppt课件ka)(0kajj)(1kajj)(kaj式中交变磁场H0的角频率;圆柱体试件的磁导率;圆柱体试件的电导率;零阶贝赛尔函数;一阶贝赛尔函数;贝赛尔函数的变量。圆柱体试件的半径;38ppt课件2 特征频率 特征频率是工件的固有特性,取决于工件的电磁特性的几何尺寸。有效磁导率中贝赛尔函数的虚
14、部的模为1对应的频率称为特征频率:221afg电导率(S/m)相对磁导率(H/m)a半径(m)39ppt课件25066dfg 常用工程单位制中,非铁磁性材料的特征频率:电导率,)/(2mmmd直径,cm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。gffka 40ppt课件求特征频率的诺模图41ppt课件在一定频率比 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:2222221111dfdfrr42ppt课件
15、四 复阻抗平面图1 线圈的感应电动势与阻抗螺线管空载时,单位长度上的阻抗为:)(22022020000abnjanjnHIUZeffr单位长度上的归一化阻抗为:effrZZ1043ppt课件2 复阻抗(复电压)平面图11,r时,有effUUZZ00实effiUULL00虚effrUULR0044ppt课件如果通过匝数为N检测线圈(次级线圈)与激励线圈(初级线圈)的磁通相同,则检测线圈的感应电压为:)1(42)1(2000effreffrdHfNUUf激励频率(Hz)n检测线圈匝数d检测线圈直径(cm)0H激励磁场强度(A/m)45ppt课件五 含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析线圈归一化的阻抗(简称
16、线圈阻抗)或复电压可以表示为一个特性函数:effr1特性函数反映了线圈阻抗(或复电压)受试件的影响,因而取决于试件的性质,即包括了试件中各种对线圈阻抗有影响的基本因素。46ppt课件线圈阻抗的主要影响因素:电导率 磁导率 试件的几何尺寸 缺陷 试验频率 47ppt课件 放置式涡流探头根据用途、结构和形状的不同,有各种类型和名称,如大饼式探头、平面探头、弹簧探头、笔式探头等。六 放置式探头阻抗分析1 影响阻抗变化的主要参数工件电导率对阻抗图的影响:随着电阻率的增加,阻抗值沿着阻抗曲线向上移动。48ppt课件提离效应对阻抗图的影响:应用点式线圈检测时,线圈与工件之间的距离变化,会引起检测线圈阻抗变
17、化,这种距离影响称为提离效应。小的提离会产生大的阻抗变化。磁导率对阻抗图的影响:非铁磁性材料相对磁导率接近于1为一常数,不影响阻抗。但铁磁性材料的相对磁导率远大于1,对阻抗影响显著。49ppt课件试验频率对阻抗的影响:频率和电导率效应在阻抗图上的影响是一致的。频率比一般取 40/10gff50ppt课件工件厚度对阻抗图的影响:当工件变薄时,线圈电阻分量增加,电抗分量也增加,阻抗值沿着曲线向上移动。说明任何引起涡流流动电阻增加的因素,将使得阻抗值沿着阻抗曲线向上移动,直到探头阻抗趋向于线圈在空气中的阻抗,即1/0XXL51ppt课件探头直径对阻抗图的影响:线圈直径增加,阻抗值沿着曲线向下移动,类
18、似于频率的增加。这是由于线圈直径增加,增加了工件中的磁通密度,也增大了涡流值,这相当于电阻率的减小。52ppt课件2 实验阻抗图和计算机模拟阻抗图的比较 用计算机模拟计算作出的阻抗图,可通过实验进行校正。实线表示频率不变,探头从不同材料的表面提离到无穷远处所得到的电压轨迹。虚线连接各实线的端点,表示电阻率变化的曲线和前面所述曲线比较相似。53ppt课件3 特征参数 将频率、探头直径和工件参数结合在一起以构成一个特征参数:rrPc2r线圈的平均半径 角频率 相对磁导率 r电导率 54ppt课件4 相位55ppt课件(1)1LLRarctan1电压矢量和横轴之间的夹角。(2)1当探头移过缺陷时,归
19、一化电压量的相位变化。(3)2感应电压和激励电压之间的相位。(4)2当探头移过缺陷时,感应电压的相位变化。(5)3缺陷和提离电压信号之间的相位差。(6)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/x(7)4相位旋钮,可将整个阻抗平面进行旋转。(8)5在电感电压和电流之间的相位,o59056ppt课件第四节 涡流检测设备涡流检测设备的发展:第一代:以分立元件为主构成的涡流仪,它仅显示相关信号的一维信息。第二代:以电脑为主体的、采用涡流阻抗平面分析技术的多功能涡流仪,它能把涡流信号的幅度、相位信息实时显示在屏幕上,并具有分析、储存、打印等功能。57ppt课件第三代:以多频涡流技术为基础
20、的智能化仪器,它除有第二代涡流仪的所有性能外,能在检测过程中抑制某些干扰噪声,提高检测的可靠性并拓宽其应用范围。第四代:数字电子技术、频谱分析技术及图像处理技术有机结合的一种智能多频涡流仪器。58ppt课件一 涡流传感器涡流传感器、涡流探头、涡流检测线圈几种线圈形式的示意图59ppt课件1 基本结构:由激励绕组、检测绕组及其支架和外壳组成。有些还有磁芯、磁饱和器件等。EEC-37RFT60ppt课件F 激励形成涡流的功能,即能在被检工件中建立一个交变电磁场,使工件产生涡流的功能 F 检取所需信号的功能,即检测获取工件质量情况的信号并把信号送给仪器分析评价F 抗干扰的功能,即要求涡流传感器具有抑
21、制各种不需要信号的能力2 功能:61ppt课件3 涡流传感器的分类按检测线圈输出信号的不同分类参量式线圈(自感式线圈):输出的信号是线圈阻抗的变化。变压器式线圈(互感式线圈):输出线圈上的感应电压信号。62ppt课件按检测线圈和工件的相对位置分类外穿过式线圈内通过式线圈放置式(点式)线圈63ppt课件按线圈的绕制方式分类 绝对式:只有一个检测线圈工作的方式。用标准试件放入线圈,调整仪器,使信号输出为零,再将被试工件放入线圈,根据有无输出来判别。优点:对材料性能或形状的突变或缓慢变化均能作出反应;混合信号较易区分出来;能显示缺陷的整个长度。缺点:温度不稳定时易发生漂移;对探头的颤动比差动式敏感。
22、64ppt课件 差动式:使用两个线圈进行反接的方式。差动式按试件的放置形式不同又有标准比较式和自比较式两种。标准比较式自比较式65ppt课件标准比较式采用两个检测线圈反向联接成为差动形式,一个线圈中放置标准试件,另一个线圈中放置被检试件。自比较式是标准比较式的特例,采用同一检测试件的不同部分作为比较标准,故称为自比较式。优点:不会因温度不稳定而引起漂移;对探头颤动的敏感度比绝对式低。缺点:对平缓变化不敏感,即长而平缓的缺陷可能漏检;只能探出长缺陷的终点和始点;可能产生难以解释的信号。66ppt课件二 涡流检测仪器原理框图:67ppt课件1 涡流检测仪器分类涡流导电仪 涡流导电仪是以测试金属及其
23、合金中的电导率为目的的一种涡流仪。68ppt课件 涡流导电仪的灵敏度用电导率的变化引起电桥输出电压的变化来衡量。通常用每单位电导率变化所对应的阻抗变化值来表示测量灵敏度S:ZS为试件电导率的变化量,与其对应的线圈阻抗的变化量为 Z69ppt课件涡流测厚仪试件性能和试验频率一定,通过对阻抗特性变化的测量,便可以得出线圈和试件表面间的间隙大小。这就是利用提离效应测厚的基本原理。涡流测厚法的另一种用途是用于测定金属板的厚度。线圈的视在阻抗要随金属薄板厚度的不同而发生相应的变化。这种现象称为“厚度”效应。70ppt课件国产7503涡流测厚仪技术性能:测量频率:2.5MHz适用范围:铜、铝及其合金测厚范
24、围:0100 ;030测量精度:分度端值的0.3mm71ppt课件功率消耗:1号1.5V干电池8节,可工作150200小时适用温度:10+55外形尺寸:250175135mm3重 量:约4kg72ppt课件工作原理:由振荡器产生的高频电流通过激励线圈L1,并在磁环切缝处产生出泄漏磁场。当磁环靠近非磁性金属材料时,金属中将会感生出涡流。由于涡流的反磁场会使泄漏磁场减弱,而涡流的大小会随绝缘层厚度的不同而发生相应的变化,从而使测试线圈L2的阻抗特性发生变化。73ppt课件这种变化信号通过检波后再由指示器显示出来。把线圈放在空中时,因没有涡流影响指示值最大;当线圈放在金属的表面上时指示值降为最小,因
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