涡流检测技术

2 1 1 1 1 2
55
2.3 涡流阻抗分析法
五、含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析
Z 1 r eff Z0
1.电导率
2.磁导率
3.几何尺寸 4.频率
56
2.3 涡流阻抗分析法
5.缺陷
57
2.3 涡流阻抗分析法
58
7
2.1 涡流检测概述
一、发展历程
1824年 加贝 涡流存在 1831年 法拉第 电磁感应现象
1873年 麦克斯韦方程 电磁场理论
1879年 休斯 首次应用判断不同金属和合金 1926年 涡流测厚仪
1935年 涡流探伤仪
1942年 自动化检测 50年代 福斯特 阻抗分析法 理论和实践的完善
60年代 我国开始研究，主要应用于航天等领域
B S
B H
16
2.2 涡流检测基础知识
2.物质的导磁性能 磁导率：真空磁导率µ 0、相对磁导率µ r
按µ r值的不同，磁介质分为三类：
µ r >1：顺磁质，氧、铝、钨、铂、铬等。
µ r <1：抗磁质，氮、水、铜、银、金等。
µ r>>1：铁磁质，铁、钴、镍等。
17
2.2 涡流检测基础知识
涡流检测技术
1
什么是涡流
将导体放入变化的 磁场中时，由于在变化 的磁场周围存在着涡旋 的感生电场，感生电场 作用在导体内的自由电 荷上，使电荷运动，形 成涡流。
dB 0 dt
I涡
2
涡流的应用
(1)工频感应炉的应用
在冶金工业中，某些熔化 活泼的稀有金属在高温下容易 氧化，将其放在真空环境中的 坩埚中，坩埚外绕着通有交流 电的线圈，对金属加热，防止 氧化。
透入半无限大导体的涡流密度与透入深度的关系
40
2.2 涡流检测基础知识
五、导电长圆柱体中的电磁场
41
2.2 涡流检测基础知识
42
2.3 涡流阻抗分析法
一、线圈的阻抗和阻抗归一化
1. 线圈的阻抗
Z R jL
43
2.3 涡流阻抗分析法
XM RZ 2 R2 2 R2 X 2 XM XZ 2 X2 2 R2 X 2
B dS 0
S
29
2.2 涡流检测基础知识
4.电的高斯定理： 通过任意一个闭合曲面S的电位移矢量等于该面 所包围的所有电荷电量的代数和。
D dS q
S
30
2.2 涡流检测基础知识
5.法拉第电磁感应定律： 当通过一导体回路所包围的面积的磁通量发生 变化时，在回路中就会产生感生电动势和感生电流， 描述该感生电动势和磁场变化之间的关系即为法拉 第电磁感应定律。
2.涡流检测显示方式
3.涡流检测应用范围
探伤 材质检测 几何尺寸参量
12
2.1 涡流检测概述
四、涡流检测特点
优点： 表面检测灵敏度高 无耦合，非接触 速度快，易于自动化 可测参量多，应用面广 可用于高温检测以及异型或小零件检测 结果便于记录和分析 无污染
13
2.1 涡流检测概述
缺点： 只能用于导电材料检测 对深层缺陷不敏感 区分不同参量的影响困难 难于进行定量分析
53
2.3 涡流阻抗分析法
1, r 1
U i L eff real U 0 L0 Ur R eff imag U 0 L0
54
2.3 涡流阻抗分析法
四、涡流实验相似律及模型实验
f f g 2fa2
f a f 2 2 2a2
5
涡流的应用
(4)电度表记录电量
电度表记录用电量， 就是利用通有交流电的 铁心产生交变的磁场， 在缝隙处铝盘上产生涡 流，涡流的磁场与电磁 铁的磁场作用，表盘受 到一转动力矩，使表盘 转动。
o
o’
6
涡流的危害
由于涡电流在导体中产生热效 应，在制造变压器时，就不能把铁 心制成实心的，这样在变压器工作 时在铁心中产生较大的涡流，使铁 心发热，造成漆包线绝缘性能下降， 引发事故。 因此在制作变压器铁心时，用 多片硅钢片叠合而成，使导体横截 面减小，涡流也较小。
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


j ka ja 2 j 2fa 2
49
2.3 涡流阻抗分析法
2.特征频率
j ka 2fa 2 1
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
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
BS eff H0 S a2 eff H0
47
2.3 涡流阻抗分析法
Bds H dr j ka J j kr 2rH dr J j ka 2H rJ j kr dr J j ka J j ka a 2H j ka J j ka
0 Idl r0 B 2 4 r l
24
2.2 涡流检测基础知识
◆ 载流无限长直导线的磁场
0 I B 2R
25
2.2 涡流检测基础知识
◆ 载流圆线圈轴线的磁场
B
2R x
2

0 IR
2 2 32
26

2.2 涡流检测基础知识
◆ 载流螺线管的磁场
B
0 nI
2
cos 1 cos 2
1 j
36
2.2 涡流检测基础知识
37
2.2 涡流检测基础知识
涡流的趋肤效应和透入深度
当直流电流通过导线时，横截面上的电流密度是均匀的。 但交变电流通过导线时，导线周围变化的磁场也会在导线中产 生感应电流，从而会使沿导线截面的电流分布不均匀，表面的 电流密度较大，越往中心处越小，尤其是当频率较高时，电流 几乎是在导线表面附近的薄层中流动，这种现象称为趋肤效应。
3.铁磁质
◆ 技术磁化的过程
B
BS
H
初始磁化区 急剧磁化区 旋转磁化区 饱和磁化区
18
2.2 涡流检测基础知识
◆ 磁滞回线
B
Br
BS Hc H
Hc
19
2.2 涡流检测基础知识
软磁材料
纯铁，硅钢，坡莫合金 (Fe，Ni)，铁氧体等。
B
Hc
Hc
H
r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。 饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线 的面积窄而长，损耗小。 作变压器，还用于继电器、电机、以及各种高 频电磁元件的磁芯、磁棒。
32
2.2 涡流检测基础知识
三、电磁渗透方程
H j H
2


E j E
2


J j J
2
33


2.2 涡流检测基础知识
四、半无限平面导体中的电磁场
34
2.2 涡流检测基础知识 2 d HZ 2 j H Z K HZ 2 dx
K 1 j j 2
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
B
HC
HC H
22
2.2 涡流检测基础知识
◆ 磁导率曲线
B, r
B~H
r ~ H
H
23
2.2 涡流检测基础知识
2.2.1 电磁现象基本规律
一、几个基本规律
1.毕奥－萨伐尔定律：
载流导线在真空中某点产生的磁感应强度为导
线的每个电流元产生的磁感应强度的矢量和。
0 Idl r0 dB 4 r 2
线圈空载时：
0 0 H0b
2
0 jn0 H0b
2
51
2.3 涡流阻抗分析法
归一化感应电动势：
2
jn 0 r eff H 0a 0 2 0 jn 0 H 0b r eff a a 1 2 2 b b
2 2
jn H b
20
2.2 涡流检测基础知识
B
硬磁材料
钨钢，碳钢， 铝镍钴合金
HC
HC
H
矫顽力(Hc)大（>102A/m)，剩磁Br大。 磁滞回线的面积大，损耗大。 永久磁铁，还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机 中的永久磁铁，永磁扬声器。
21
2.2 涡流检测基础知识
矩磁材料
锰镁铁氧体 锂锰铁氧体 Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩 形。用于记忆元件，当+脉冲产 生H>HC使磁芯呈+B态，则–脉 冲产生H< – HC使磁芯呈– B态， 可做为二进制的两个态。
0
2
a
2

填充系数：
a b
2
2
1 r eff 0
Z 1 r eff Z0
52
2.3 涡流阻抗分析法
2.复阻抗平面图
Z R jL,U U r jUi
U i L 1 r eff real U 0 L0 Ur R r eff imag U 0 L0
抽真空
3
涡流的应用
(2)用涡流加热金属电极
在制造电子管、显像 管或激光管时，在做好后 要抽气封口，但管子里金 属电极上吸附的气体不易 很快放出，必须加热到高 温才能放出而被抽走,利 用涡流加热的方法，一边 加热，一边抽气，然后封 口。
抽真空
显像管 接高频发生器
4
涡流的应用
(3)电磁炉
在市面上出售的一种加 热炊具----电磁炉。这种电磁 炉加热时炉体本身并不发热， 在炉内有一线圈，当接通交 流电时，在炉体周围产生交 变的磁场，当金属容器放在 炉上时，在容器上产生涡流， 使容器发热，达到加热食物 的目的。
趋肤效应的存在使感生涡流的密度从被检材料或工件的表 面到其内部按指数分布规律递减。 在涡流检测中，定义涡流 密度衰减到其表面密度值的 1 ／ e （ 36.8% ）时对应的深度为标 准透入深度，也称趋肤深度，用符号δ 表示，其数学表达式为

1 πf
38
几种不同材料的标准透入深度与频率的关系
39
Kx
H Z c1e H Z c1e
c2e
Kx
c2 0
Kx
H 0Z e
1 j x 2
35
2.2 涡流检测基础知识
J y J0 ye
令
1 j x 2
x
2
且

2
1
1 j
1 f
渗透深度
H Z H 0Z e J y J 0 ye
fg 1 2a
2
5066 fg 2 d
ka f fg
50
2.3 涡流阻抗分析法
三、复阻抗平面图
1.线圈的感应电动势与阻抗
0 r eff H0a2 0 H0 b2 a2


jn0 r eff H0a2 jn0 H0 b2 a2
检测复杂形状零件效率低
检测结果不直观
14
2.2 涡流检测基础知识
2.2.1金属材料的电磁特性
一、金属材料的导电性能
l R S

1
影响因素包括：

温度：固态、液态
应力：拉伸、扭转、压应力 形变：范性形变
热处理：退火、淬火
成分：固溶体
15
2.2 涡流检测基础知识
二、金属材料的导磁性能 1.几个基本概念 磁场强度H:作用于单位磁极的磁力大小 磁通Φ ：穿过某一空间的磁力线 磁感应强度Β ：穿过单位面积的磁通量
27
2.2 涡流检测基础知识
2.安培环路定理： 在稳恒电流的磁场中，磁感应强度B沿任何闭合 回路L的线积分，等于穿过这回路的所有电流强度代 数和的µ 0倍。
B dl I 0
L
28
2.2 涡流检测基础知识
3.磁的高斯定理： 从一个闭合面S的某处穿进的磁感应线必定要从 另一处穿出，所以通过任意闭合面Swenku.baidu.com的磁通量恒等 于0。