涡流检测第5章 - 涡流检测新技术讲解
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。
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。
涡流检测—涡流检测技术(无损检测课件)
检测线圈的分类
穿过式线圈 检测管材、棒材和线材，用于在线检测
探头式线圈 放在板材、钢锭、棒、管、坯等表面上用，尤其适用于局部检
测，通常线圈中装入磁芯，用来提高检测灵敏度，用于在役检测 内插式线图
管内壁、钻孔。用于材质和加工工艺检查
第3节 涡流检测的基本原理
4. 设备器材
一般的涡流检测仪主要由振荡器、探头、信号输出电 路、放大器、信号处理器、显示器、电源等部分组成
第3节 涡流检测的基本原理
5. 检测技术
缺陷检测即通常所说的涡流探伤。主要影响因素包括工作 频率、电导率、磁导率、边缘效应、提离效应等。
➢ 工作频率是由被检测对象的厚度、所期望的透入深度、要 求达到的灵敏度或分辨率以及其他检测目的所决定的。检 测频率的选择往往是上述因素的一种折衷。在满足检测深 度要求的前提下，检测频率应选的尽可能高，以得到较高 的检测灵敏度。
5. 检测技术
➢ 边缘效应：当检测线圈扫查至接近零件边缘或其上面的孔 洞、台阶时，涡流的流动路径就会发生畸变。这种由于被 检测部位形状突变引起涡流相应变化的现象称为边缘效应。 边缘效应作用范围的大小与被检测材料的导电性、磁导性、
检测线圈的尺寸、结构有关。
5. 检测技术
➢ 提离效应：针对放置式线圈而言，是指随着检测线圈离开 被检测对象表面距离的变化而感应到涡流反作用发生改变 的现象，对于外通式和内穿式线圈而言，表现为棒材外径 和管材内径或外径相对于检测线圈直径的变化而产生的涡 流响应变化的现象。
4. 设备器材
检测仪器的基本组成和原理： 激励单元的信号发生器产生交变电流供给检测线 圈，放大单元将检测线圈拾取的电压信号放大并 传送给处理单元，处理单元抑制或消除干扰信号， 提取有用信号，最终显示单元给出检测结果。
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]
无损检测技术中的涡流检测方法详解
无损检测技术中的涡流检测方法详解无损检测技术是一种用于检测材料或构件内部缺陷或性能状态的技术方法，它可以在不破坏被检测材料的情况下对其进行评估和监测。
涡流检测作为无损检测技术的一种方法，被广泛应用于工业生产、航空、航天、汽车、电力等领域。
本文将对涡流检测方法进行详细解释和阐述。
涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测技术。
其原理是利用交流电源产生的交变电磁场在被测材料中产生涡流，通过对涡流的测量，来判断被测材料的缺陷或性能状态。
涡流检测方法可以检测到多种类型的缺陷，如裂纹、腐蚀、疏松等。
涡流检测方法主要包括以下几个方面：1. 电磁感应原理：涡流检测是基于电磁感应原理的，通过交流电源产生的交变电磁场在被测材料中产生涡流。
当被测材料中存在缺陷时，涡流的路径和强度会发生变化，从而可以判断缺陷的位置和性质。
2. 探头设计：涡流检测中使用的探头通常由线圈和磁芯组成。
线圈通过交流电源激励产生交变磁场，磁芯则用于集中和引导磁场。
探头的设计对于检测效果起着重要的作用，不同类型的缺陷需要不同设计的探头。
3. 缺陷识别：通过分析涡流的强度、相位、频率等参数，可以判断被测材料中的缺陷类型和尺寸。
例如，对于裂纹缺陷，涡流的强度和相位会出现明显的变化。
通过对涡流信号进行数学处理和分析，可以得到准确的缺陷识别结果。
4. 检测技术：涡流检测技术可以分为静态检测和动态检测两种。
静态检测是指将被测材料放置在固定位置，通过探头对其进行检测。
动态检测则是指将探头和被测材料相对运动，通过对运动产生的涡流信号进行检测。
动态检测常用于对大型或复杂构件的检测。
涡流检测方法具有以下优点：1. 非接触性：涡流检测不需要直接接触被测物体，因此不会对被测材料造成损伤或影响其性能。
2. 高灵敏度：涡流检测可以检测到微小尺寸的缺陷，对于裂纹等细小缺陷具有很高的灵敏度。
3. 适用范围广：涡流检测方法适用于多种材料，如金属、合金、陶瓷等。
同时，它可以应用于不同形状和尺寸的材料和构件。
涡流检测优质获奖课件
电导率是物体传导电流旳能力。 电导旳基本单位是西门子（S），原来被称为姆欧，取电阻单位欧姆倒数之意。因为电导池旳几何形状影响电导率值，所以原则旳测量中用单位S/m来表达电导率，以补偿多种电极尺寸造成旳差别。
涡流检测旳应用
检测目旳
影响涡流特征旳原因
用 途
探 伤
缺陷Байду номын сангаас形状、尺寸和位置
导电旳管、棒、线材及零部件旳缺陷检测
材质分选
电导率
材料分选和非磁性材料电导率旳测定
测 厚
检测距离和薄板长度
覆膜和薄板厚度旳测量
尺寸检测
工件旳尺寸和形状
工件尺寸和形状旳控制
物理量测量
工件与检测线圈之间旳距离
1、阻抗平面图
若次级线圈旳 ，则有
K——耦合系数
在 从 旳过程中，视在阻抗Z以视在电阻R为横坐标，视在电抗X为纵坐标旳阻抗平面图上变化，其轨迹近似为一种半圆，此即初级线圈旳阻抗平面图。
这么，就用一种恒定旳磁场和变化着旳磁导率替代了实际上变化着旳磁场和恒定旳磁导率，这个变化着旳磁导率便称为有效磁导率，用μeff表达，同步推导出它旳体现式为
利用柱坐标求解涉及在圆、球与圆柱内旳势场旳物理问题时出现旳一类特殊函数。
2） 特征频率 定义使有效磁导率体现式中贝塞尔函数变量 旳模为1旳频率为涡流检测旳特征频率。体现式为
电阻
电抗
空载阻抗
视在电抗
视在电阻
电容和电感在电路中对交流电引起旳阻碍作用总称为电抗，用X表达。 类似于直流电路中电阻对电流旳阻碍作用，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 表达，是复数阻抗旳虚数部分，用于表达电感及电容对电流旳阻碍作用。电抗伴随交流电路频率而变化，并引起电路电流与电压旳相位变化。 阻抗即电阻与电抗旳总合，用数学形式表达为： 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
涡流检测技术
B l E dl s t ds
31
2.2 涡流检测基础知识
二、麦克斯韦电磁方程组
D l H dl I 0 S t ds B l E dl s t ds
D ds q B ds 0
s s
0
D E r 0 E B H r 0 H J E
2
2
RS RZ R1 X S X Z X1
44
2.3 涡流阻抗分析法
复阻抗平面图
横轴：RS 纵轴：XS R2从∞逐步递减 到零
45
2.3 涡流阻抗分析法
2. 阻抗的归一化
横轴 纵轴
RS R1 L1 XS L1
46
2.3 涡流阻抗分析法
二、有效磁导率和特征频率
1.有效磁导率
8
2.1 涡流检测概述
二、涡流检测原理
9
2.1 涡流检测概述
三、涡流检测方法
激励线圈产生交变磁场
导体中感应出涡流
涡流磁场改变原磁场 线圈电压阻抗变化
间 接 方
法
判断导体的特性
10
2.1 涡流检测概述
1.涡流检测线圈及其分类
◆ 按相对位置分
◆ 按使用方式分 ◆ 按激励源分
◆ 按输出信号分
11
2.1 涡流检测概述
a a
0
0
0
J
J0
0
j kr
2
a
0
0
0
0
0
a
0
0
0
2
1
0
0
48
2.3 涡流阻抗分析法
eff
J1 j ka 2 j ka J 0 j ka
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5.2.3 脉冲涡流检测技术研究的近况 3.1 脉冲涡流特征的研究 在同一材料的圆柱形金属导体直径方向不同位置上 预制了相同尺寸的人工缺陷，利用磁场测量装置测量并记 录了个人工缺陷响应信号的特征值，如表1所列数据。
表1 脉冲涡流对于不同位置缺陷响应的时域和频域特征值[1]
位置/mm 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 峰值/mV 107.43 109.25 107.52 107.29 106.90 周期/μ s 1.54 1.54 1.48 1.49 1.54 F1/Hz 589.85 589.85 589.85 589.85 589.85 F2/Hz 3024 3005 3011 3022 3008 位置/mm 7.0 8.0 10.0 14.0 18.0 峰值/mV 104.23 102.78 103.00 102.38 101.65 周期/μ s 1.58 1.54 1.49 1.54 1.54 F1/Hz 589.85 589.85 589.85 589.85 589.85 F2/Hz 3028 3019 2999 3021 3015
的相关信息，据此可实现脉冲涡流的检测与评价。
图4 脉冲涡流的产生及检测信号的拾取过程
检测信号，即瞬态感应电压Vf的大小可根据法拉第 电磁感应定律计算得出：
Vf
V (r,z,t)drdz .......... .......... .......... .......... .......... ...(1) drdz
5.1.1 远场涡流特点
图5-1 远场涡流检测探头
采用穿过式探头（见图5-1），检测线圈与激励 线圈分开，且二者的距离是所测管道内径的二至三
倍；采用低频涡流技术能穿过管壁；主要用于石油
天然气管道和油井管道等；需要检测的不是线圈的
阻抗变化，通常是测量检测线圈的感应电压与激励
电流之间的相位差；激励信号功率较大，但检测到 的信号却十分微弱（一般为微状）；能以相同的灵
表2 不同重复频率的特征值[1]
第5章 电磁涡流检测新技术
5.1远场涡流新技术
50年代末，远场涡流检测技术首先用于检测 油井的套管。但当时由于人们对远场涡流技术的 认识很有限，且电子技术也不太发达，远场涡流 检测法未能得到充分的发展。直到80年代中期， 随着远场涡流理论的逐步完善和实验验证，远场 技术用于管道（特别是铁磁性管道）检测的优越 性才被人们广泛认识，一些先进的远场涡流检测 系统也开始出现，并在核反应堆压力管、石油及 天然气输送管和城市煤气管道的检测中得到实际 应用。目前认为远场涡流检测是管道在役检测最 有前途的技术。
图5-2 远场涡流检测系统原理框图
1—管外壁检测信号幅值 2—管内壁检测信号幅值 3—管壁内壁检测信号相位曲线 图2-3 检测线圈信号特征
由图可以看出，随两线圈间距的增加，检测
线圈感应电压的幅值开始急剧下降，然后变化趋
于缓慢，而相位存在一个跃变。通常把信号幅值
急剧下降后变化趋缓而相位发生跃变之后的区域
只适用于内穿过式探头。若采用外穿过式探头，灵
敏度将下降。实验表明，采用外穿过式探头，灵敏
度将下降50%左右。
5.1.2 远场涡流检测系统的组成
远场涡流检测设备一般由下列五个部分组成： ①振荡器：作为驱动线圈的激励源，同时提供相位 测量的参考信号。 ②功率放大器：用来提高激励源的功率。 ③探头的驱动定位装置：它包括探头和确定探头轴 向位置的编码和数据计算系统。 ④相位及幅值检测器：通常选用锁相放大器来测量 检测线圈的信号。 ⑤微型计算机：用于储存、处理和显示检测信号和 数据。
敏度检测管壁内外表面的缺陷和管壁变薄情况，而
不受趋肤效应的影响；检测信号与激励信号的相位
差与管壁厚度近似成正比，“提离效应”很小。
采用远场技术进行检测，其灵敏度几乎不随激
励与检测线圈间距离变化而变化，探头的偏摆、倾
斜对结果影响很小。此外，这种检测方法由于采用
很低的频率，检测速度慢，不宜用于短管检测，且
称为远场区；靠近激励线圈信号幅值急剧下降区
域称为近场区；近场区与远场区之间的相位发生
较大跃变的区域称为过渡区域。
5.2脉冲涡流检测技术
涡流检测的有效性和可达性密切依赖于激励信号的 频率。 一般地，频率越高，则涡流趋于被检测对象的表面 分布，对于表面微小缺陷的检出能力越高，但由于随着透 入深度的增大而高频涡流急剧衰减，因此对于表面下具有 一定深度的近表面缺陷则难以产生有效的响应；相反，频 率越低，则涡流在被检测对象表面下的透入深度增大，可 对试件近表面一定深度范围内的缺陷产生响应，但对于表 面缺陷的检测灵敏度随激励信号频率的降低而明显下降。 以降低检测灵敏度来提高涡流检测深度，或以减小涡 流透入深度来提高检测灵敏度，长期以来一直是常规涡流 检测应用中在二者之间权衡取舍的焦点。
5.2.1 前言
宽带脉冲信号可按傅立叶级数变换理论分解为无限多 低、中、高频的正弦波之和； 以重复的宽带脉冲（如方波）代替正弦交变信号进行 激励和检测的脉冲涡流响应信号中包含有被检测对象被检
测对象表面、近表面和表层一定深度范围内的质量信息，
较好地解决了常规涡流所不能兼顾的检测灵敏度和检测深 度的矛盾； 近年来成为国内外涡流检测技术与应用研究中最受关 注的热点领域之一。
p
其中，Vp为理想点线圈的感应电压，其表达式为：
Vp A B ds ( A ) ds dl.......... .......... ..(2) t t t l
图5 脉冲涡流典型时域波形及特征参数
图6 脉冲涡流时域信号在不同频段的功率谱曲线
5.2.2 脉冲涡流检测的基本原理
脉冲涡流通常是以一定占空比的方波作为激励信号施 加于初级线圈，当载有方波电信号的初级线圈接近导电材 料或试件时，在导体中感应产生瞬变的涡流和再生磁场。 瞬时涡流的大小、衰减状况与导体的电磁特性、几何形状 及耦合状况相关，次级线圈（或电磁传感器）接收到的涡
流再生磁场包含有被检测对象导电率、磁导率及形状尺寸