涡流检测基础1五
现代无损检测技术第5章：涡流检测技术
12×2—103—4—5—6—2×图1 涡流渗透深度与激励频率的关系图2 藕合线圈的互感电路a) 藕合线圈电路b)互感作用电路c) 藕合线圈等效感电路折合阻抗与一次线圈本身的阻抗之和称为图3 交流电路中电压和阻抗平面图线圈等效电路b)电压向量图c)阻抗向量图图4图5 阻抗平面图a)线圈阻抗平面b)归一化阻抗曲线图5 福斯特的假想物理模型表2 不同频率f/fg 的有效磁导率μeff的值表中：f为涡流检测的激励频率，也称之为工作频率，fg 为特征频率。
f/fg为频率比，它是涡流检测中的一个重要参数。
因此归一化电压为：数所决定，即：a)绝对式2－检测线圈3－管材在裂纹)时。
检测线圈就有信号输出，来实现检测目的。
标准的比较式1－参考线圈2－检测线圈4－棒材线圈感应输出急剧变化的信号。
c)自比较式1－参考线圈2－检测线圈3邻桥臂上。
用于管子检测的探头线圈在交流桥路中的位置电桥个参考线圈。
绝对式探头1 2线圈2 3－软定心导板4－接插件5探伤的材料进行检测。
差动式探头1 2线圈2 3－软定心导板4－接插件5－外壳二. 涡流检测的频率选择用于非铁磁性圆柱形棒料的检测频率选择图图中：IACS 为国际退火铜标准图的使用方法如下：1) 在A 线上取棒料电导率σ；2) 在B 线上取棒料直径d ；3) 将这两点间的连线延长使之与C 线相交；4) C 线上的交点垂直向上画直线，与所需的kr 值所对应的水平线相交得到一点；5) 根据交点在频率图(斜线)中的位置，即可读出所需的工作频率。
只要适当调节控制信号OT的相位，使θ2＝90º，那么，干扰信号的输出为零，而总的信号输出(OC＝OAcosθ1仅与缺陷信号有关，消除了不平衡电桥法工作原理在涡流检测中用作参考标准的人工缺陷的种类和形状检测线圈的阻抗特性表面探头以50Hz的频率检测厚铝板缺陷绝对式探头检测阻抗图b)差动式探头检测阻抗图1、2－裂纹3－表层下洞穴时处理，并将结果在CRT上进行实时显示。
涡流传感器频率范围
涡流传感器频率范围摘要：一、涡流传感器的概述二、涡流传感器的工作原理三、涡流传感器的频率范围四、不同频率范围的涡流传感器的应用五、涡流传感器频率范围的选择正文：一、涡流传感器的概述涡流传感器是一种常用的位移测量传感器，主要通过感应线圈产生的涡流来检测金属物体的位移。
涡流传感器具有响应速度快、精度高、抗干扰能力强等优点，因此在工业生产中得到了广泛的应用。
二、涡流传感器的工作原理涡流传感器主要由感应线圈、信号处理电路和输出接口等部分组成。
当金属物体靠近感应线圈时，会在线圈中产生涡流。
涡流的变化会引起线圈的电阻变化，从而产生电压信号。
信号处理电路将这个电压信号进行放大、滤波等处理后，输出一个与金属物体位移量相关的标准信号。
三、涡流传感器的频率范围涡流传感器的频率范围通常分为三个档位：低频、中频和高频。
不同频率范围的涡流传感器具有不同的特性和适用场景。
1.低频涡流传感器：其工作频率范围一般为1-1000Hz，具有响应速度快、抗干扰能力强等特点。
低频涡流传感器主要应用于金属物体的连续位移测量，如轧钢、纺织等领域。
2.中频涡流传感器：其工作频率范围一般为1000-10000Hz，具有测量精度高、可靠性好等特点。
中频涡流传感器主要应用于金属物体的精确位移测量，如数控机床、汽车制造等领域。
3.高频涡流传感器：其工作频率范围一般为10000-100000Hz，具有测量范围广、抗干扰能力强等特点。
高频涡流传感器主要应用于高速移动金属物体的测量，如航空航天、高速列车等领域。
四、不同频率范围的涡流传感器的应用不同频率范围的涡流传感器适用于不同的应用场景。
在选择涡流传感器时，需要根据实际测量需求来选择合适的频率范围。
例如，对于连续位移测量的场合，可以选择低频涡流传感器；对于精确位移测量的场合，可以选择中频涡流传感器；对于高速移动物体的测量场合，可以选择高频涡流传感器。
五、涡流传感器频率范围的选择在实际应用中，选择涡流传感器的频率范围需要考虑以下几个因素：1.测量对象：根据被测物体的性质，如金属材质、形状、尺寸等，选择合适的涡流传感器。
第五章 涡流检测
第五章涡流检测涡流是当金属导体处在变化着的磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应作用而在金属导体内产生的旋涡状流动电流。
(我们在实践中会遇到一些涡流现象，如金属存在电阻，当电流流过金属导体内时会产生焦耳热。
工业上利用这种热效应制动了高频感应电炉来冶炼金属。
这种电炉的炉壁上绕有线圈，当线圈接通高频大功率电源时，炉体内随之产生很强的高频交变磁场。
在炉体放置一定数量的金属，金属中便产生强大的涡流致使金属被加热至熔化。
) 涡流检测具有以下特点：①由于检测是以电磁感应为基础的，探头线圈不需接触工件，因此检测速度快。
（对管、棒材。
每分钟可检测几十米，线材可检测几百米实）易于实现自动化检测。
②对工件表面和近表面的缺陷，有较高的检测灵敏度。
③能在高温状态下，对管、棒、线材和坏料等进行检测。
④涡流检测技术是一种多用途的检测技术，除探伤外，还能测量工件、涂层的厚度、间隙以及工件的机械和冶金性能等。
⑤能提供缺陷的信息。
⑥实验结果可与检测过程同时得到，记录可长时期保存。
由于感生涡流渗入工件的深度与频率的平方根成反比（感生涡流具有趋肤效应）。
这个深度不大，因此，涡流检测目前只能检测表面及近表面的缺陷。
另外，因为影响涡流检测的因素如导电率、磁导率、缺陷、工件形状和尺寸以及探头线圈与工件之间的距离等，要取得所希望得到的检测参数，需要较复杂的信息处理技术。
还有涡流检测对复杂表面的检测效率低。
第一节 涡流检测的物理基础一、材料的导电性(一)材料的导电率根据欧姆定律，沿一段导体流动的电流强度与其两端的电位差成正比。
即：RU I = 根据一定材料的导体，它的电阻与导体长度(L)成正比，与导体的截面积(S)成反比。
即：SL R ρ= 我们称ρ为导体的电导率单位为：(Ω·mm 2/m)或(μ·Ω·cm)(二)影响电导率的因素1．杂质含量如果在导体中掺入杂质，杂质会影响原子的排列，引起电阻率的增加。
2．温度随着导体的温度升高，导体内的原子热振动加剧，自由电子的碰撞机会增加，电阻率随之增加。
第5讲第五章磁力探伤与涡流探伤
第五章 磁力探伤与涡流探伤
四、涡流探伤 1. 涡流的产生 在图中, 若给 线圈通以变化的交流电, 根据 电磁感应原理, 穿过金属块中 若干个同心圆截面的磁通量将 发生变化, 因而会在金属块内 感应出交流电。由于这种电流 的回路在金属块内呈旋涡形状 , 故称为涡流。 涡流的大小影响着激励线圈中 的电流。 涡流的大小和分布决定于激励 线圈的形状和尺寸、交流电频 率、金属块的电导率、磁导率 、金属块与线圈的距离、金属
第五章 磁力探伤与涡流探伤
六、涡流探伤技术 探伤前的准备: 选择检验方法及设备；对被探件进行 预处理；根据相应的技术条件或标准来制备对比试样 ；对探伤装置进行预运行；调整传送装置。 确定探伤规范:1)选择探伤频率; 2)确定工件的传送速 度; 3)调整磁饱和程度; 4)相位的调整; 5)滤波器频 率的确定; 6)幅度鉴别器的调整; 7)平衡电路的调定 ; 8)灵敏度的调定。 探伤 探伤结果分析 (5)消磁 (6)结果评定 (7)编写探伤报告
UWE磁粉探伤系统, 工件超过 900mm长的新型磁粉探伤机。产 生旋转磁场, 一次过程检测出 任何方向的裂纹；自动周期设 定夹紧、喷淋、充磁和退磁。
UWS系统特别适用 于长工件的裂纹检 查，例如: 大型涡 轮机的叶片探伤( 大约3米长)
第五章 磁力探伤与涡流探伤
4. 磁粉探伤检验程序 根据被探件的材料、形状、尺寸及需检查缺陷的性质、 部位、方向和形状等的不同，所采用的磁粉探伤方法也 不尽相同，但其探伤步骤大体如下: 探伤前的准备 校验探伤设备的灵敏度，除去被探件表 面的油污、铁锈、氧化皮等。 磁化 确定探伤方法 对高碳钢或经热理(淬火、回火、渗碳、 渗氮)的结构钢零件用剩磁法探伤；对低碳钢、软钢用 连续法； 确定磁化方法。 确定磁化电流种类 一般直流电结合干磁粉、交流电结 合湿磁粉效果较好。
五大常规探伤方法概述及其特点
五大常规探伤方法概述及其特点工业无损探伤的方法很多，目前国内外最常用的探伤方法有五种，即人们常称的五大常规探伤方法。
本文将首先介绍五大常规探伤方法及其特点，并结合汽车维修中的特定条件和需求，选出更适合于汽车维修的探伤方法。
一、五大常规探伤方法概述五大常规方法是指射线探伤法、超声波探伤法、磁粉探伤法、涡流探伤法和渗透探伤法。
1、射线探伤方法射线探伤是利用射线的穿透性和直线性来探伤的方法。
这些射线虽然不会像可见光那样凭肉眼就能直接察知，但它可使照相底片感光，也可用特殊的接收器来接收。
常用于探伤的射线有x光和同位素发出的γ射线，分别称为x光探伤和γ射线探伤。
当这些射线穿过物质时，该物质的密度越大，射线强度减弱得越多，即射线能穿透过该物质的强度就越校此时，若用照相底片接收，则底片的感光量就小；若用仪器来接收，获得的信号就弱。
因此，用射线来照射待探伤的零部件时，若其内部有气孔、夹渣等缺陷，射线穿过有缺陷的路径比没有缺陷的路径所透过的物质密度要小得多，其强度就减弱得少些，即透过的强度就大些，若用底片接收，则感光量就大些，就可以从底片上反映出缺陷垂直于射线方向的平面投影；若用其它接收器也同样可以用仪表来反映缺陷垂直于射线方向的平面投影和射线的透过量。
由此可见，一般情况下，射线探伤是不易发现裂纹的，或者说，射线探伤对裂纹是不敏感的。
因此，射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感。
即射线探伤适宜用于体积型缺陷探伤，而不适宜面积型缺陷探伤。
2、超声波探伤方法人们的耳朵能直接接收到的声波的频率范围通常是20Hz到20kHz，即音频。
频率低于20Hz的称为次声波，高于20kHz的称为超声波。
工业上常用数兆赫兹超声波来探伤。
超声波频率高，则传播的直线性强，又易于在固体中传播，并且遇到两种不同介质形成的界面时易于反射，这样就可以用它来探伤。
通常用超声波探头与待探工件表面良好的接触，探头则可有效地向工件发射超声波，并能接收界面反射来的超声波，同时转换成电信号，再传输给仪器进行处理。
第五章--电涡流式传感器
（2）调幅式电路 调幅式是以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头 与被测导体之间的关系。图3-42是高频调幅式电路。
Ui R
U0
晶振
Ii L x
高频放大
幅值检波
U0
低频放大
U0
C0
图3-42 高频调幅式测量转换电路
石英晶体振荡器通过耦合电阻R，向由探头线 圈和一个微调电容C0组成的并联谐振回路提 供一个稳幅的高频激励信号，相当于一个恒 流源。测量时，先调节C0，使LC0的谐振频率 等于石英晶体振荡器的频率f0，此时谐振回路 的Q值和阻抗Z也最大，恒定电流Ii在LC0并联 谐振回路上的压降U0也最大。
TTL电平
L0 L LC x0 x 振 C0 荡 L
器
f 0 f
高 频 放 大 器
U 0 U
限 幅 器 鉴 频 器
功 率 放 大 器
计算机计数 定时器 显示器 记录仪
图3-43调频式测量转换电路原理图
TTL电平
L0 L LC x0 x 振 C0 荡 L
器
f 0 f
由于存在集肤效应，电涡流方法只能检测导 体表面的各种物理参量。改变频率f，可控制 检测深度。激励源频率一般为100kHz~1MHz. 为了使电涡流深入金属导体深处，或对距离 较远的金属体进行检测，可采用十几千赫甚 至几百赫兹的低频激励频率。
第五章_涡流检测
Depth Depth
Standard Depth of
Penetration
(Skin Depth)
Eddy Current Density
High Frequency High Conductivity High Permeability
1/e or 37 % of surface density
非磁性导电基体上非导体覆盖层.镀层厚度的测量.振幅 灵敏性涡流法
用电磁(涡流)法测定电导率的标准实施规程 ASTM 有色金属的电磁(涡流)分类标准规程 ASTM 用涡流仪器测量铝阳极镀层及其它非磁性基底金属绝
缘镀层的厚度标准试验方法 ASTM
涡流检测的基本过程
熟悉要检测缺陷的类型，位置，方向 选择合适的探头类型，适应工件的形状，缺陷对涡流有影响 选择合适的线圈激励频率，对表面缺陷检测，可以使用较高的激励频
率得到高分辨率和高灵敏度，对近表面缺陷，使用较低的激励频率得 到较大的穿透深度，但灵敏度会降低。铁磁材料或者高导电率材料需 要更低的激励频率。 制作参考试样，材料与工件基本一致。人工缺陷类似于待测缺陷 选择和安装仪器和探头 通过试样调节仪器到能方便识别缺陷的信号 放置探头到被测工件表面，仪器设置零点 扫查整个待测表面，扫查过程中要保证探头的稳定，因为探头的抖动 将会影响信号的质量。在自动扫查系统中需要相应的夹具 记录分析数据
壳牌公司开发部向Maclean购买了该专利权， 在探头的研制中获得了很大的成功，并用来检 测井下套管。20世纪60年代初期，壳牌公司应 用远场涡流检测技术来检测管线，检测设备包 括信号功率源、信号测量、信号记录和处理， 做成管内能通过的形式，像活塞一样，加动力 之后即可在管线内运动，取名“智能猪”（见 图3）。此装置于1961年5月9日第一次试用，一 次可以检测80公里或更长的管线。[3]
电涡流传感器位移特性实验报告
电涡流传感器位移特性实验实验报告专业：机械工程班级：机械7班学号： ********** 姓名：***2015年11月20日一．前言长度是测量中最常见的物理量之一，我们经常要通过判断物体的位移量来判断物体的状态变化。
除此之外，不少非位移变化量也是通过传感器内部器件相对位移来测量计算得出的。
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。
在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。
按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。
模拟式又可分为物性型和结构型两种。
常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。
数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。
这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。
作为一种非接触的线性化计量工具，它能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。
在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。
如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。
因此我们需要来了解电涡流传感器的相关特性。
二．实验目的了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
三．电涡流传感器的工作原理电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图1所示。
根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz ～2MHz ）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z 发生变化。
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检测线圈的阻抗图
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阻抗归一化：横坐标(R-R1)/ωL1；纵 坐标X/ωL1 (归一化)阻抗图：半圆；线圈自身阻 抗 (0,1) 应用条件：厚度小的导体（相当于渗 透深度，可用涡流环等效）
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3.3.2 有效磁导率和特征频率
有效磁导率 在半径为r、磁导率为μ、电导率为σ的长直圆柱 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。于是人们提出了一个假 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，而磁导率却在截面上沿径向变 化，它所产生的磁通等于圆柱导体内真实的物 理场所产生的磁通。
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这样，就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
磁导率便称为有效磁导率，用μeff表示，同时推导出它 的表达式为
eff
J1 ( jkr) 2 jkr J 0 ( jkr)
2πf
。
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其中， k
有效磁导率
有效磁导率μeff：由导体电磁特性引起的、 由ka决定的无量纲变量，是一个复数，其 模小于1。 可以计算出μeff关于 ka 或 f/fg 的数据表（表 3-2），便于使用。
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频率比
f/fg =2πfμσa2 = (ka)2
有效磁导率是ka的函数，也 是f/fg的函数，图3-19 应用：根据试件特性计算特 征频率，查技术资料选取最 佳频率比，由此计算激励频 率 激励频率是涡流检测最重要 的仪器参数
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习题3.2
321. 对于渗透深度的计算公式，若采用工程 单位： (1/*cm) , (mm)，公式中的常数 为何值？ 322. 关于特征频率的计算公式，试证明采用 单位 (1/*cm) , d(mm)或 (m/*mm2) , (cm)，公式不变。 323. 对于大平面导体，在2倍渗透深度处， 涡流磁场幅度衰减多少？相位滞后多少？
③ ④
⑤
较难实现的场合；
⑥ ⑦
对复杂的零件进行全面检测时，效率相对较低； 工业探伤中，难以区分缺陷的种类和形状。
3
3.2.1 电磁感应
1.电磁感应定律(楞次定律、法拉第电 磁感应定律) 2.自感和互感
3.涡流检测中的电磁感应
4
3.2.2 涡流
涡电流；涡流 如图所示，假如把一块金 属导体放在变化着的磁场 之中，由于金属导体将会 不断地切割磁力线，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的， 其形状很像水中旋涡的电 流。这个电流就叫做涡流 或涡电流。
3.1 涡流检测概述
1、定义 涡流检测就是利用电磁感应原理，使导电 的试件（导体）在交变磁场作用下产生涡 电流（简称涡流），通过测量涡流的变化 量，来进行试件的探伤、材质的检验和形 状尺寸的测试等。
1
3.1 涡流检测概述
2、涡流的产生
如图1所示，使线圈1与线圈2相靠近，把线圈1接在交流电源上，通 以交流电，在线圈2上就会感应产生交流电。这是由于线圈1通过交 流电时，能产生随时间而变化的磁力线，这些磁力线穿过线圈2， 使它感应产生交流电。如果使用金属板代替线圈2，同样也可以使 金属板导体产生交流电，如图2所示。
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3.2.3 趋肤效应和渗透深度
代入0=4*10-7 H/m，得 =503/(fr)1/2 (m) 工程单位： (1/cm) , (mm)，系数50.3 适用条件：大平面导体 渗透深度与激励频率的关系：如下图所示
渗 透 深 度 /in
频率/Hz
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3.3 涡流阻抗分析法
1—缺陷；2—线圈；3—涡流
5
3.2.3 趋肤效应和渗透深度
趋肤效应：涡流集中在导体表面的现象 影响因素：电流的频率；电导率；磁导率 渗透深度 ：涡流密度或磁场强度衰减至 表面数值1/e（37％）时的深度。 =1/(f )1/2；f (Hz)， （磁导率H/m）， μσ)1/2a，包括电磁特性、几何尺寸、 激励频率 定义：使ka ＝1的频率为特征频率fg 由μσωa2＝1 得 fg=1/(2πμσa2) 特征频率：由试件电磁特性和尺寸决定的、 具有频率单位的物理量，可以认为是试件 参数(μσa) 如何关联仪器参数( f ) ？
图1 电磁感应现象
图2 涡流的产生
2
3.1 涡流检测概述
3、主要特点
① ②
对导电材料表面或者近表面缺陷检测灵敏度较高； 应用范围广，对影响感生电流的各种物理和工艺因素均可检 测； 一定条件下，能反应有关裂纹深度的信息； 不需要耦合剂，易实现棒材、管材、线材高速、高效的自动 化检测； 可以在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其他检测方法
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 3.3.1 线圈的阻抗 3.3.2 有效磁导率和特征频率 3.3.3 涡流检测相似律 3.3.4 复阻抗平面图 3.3.5 穿过式线圈的阻抗分析 8
3.3.1 线圈的阻抗
线圈自身的阻抗(R1+jωL1)，等效电路 耦合线圈，等效电路 反射阻抗：副边对原边的作用 视在阻抗(R+jX)：自身阻抗+反射阻抗 阻抗图：横轴视在电阻；纵轴视在电抗