无损检测---涡流阵列检测技术基本原理
涡流检测原理
涡流检测原理
涡流检测是一种非破坏性的测试方法，常用于检测导体中的表面缺陷和材料的导电性能。
它的原理基于一个重要的物理现象，即当导体中的电流受到变化时，会在导体附近产生涡流。
涡流产生的基本原理是法拉第电磁感应定律。
根据这个定律，当导体中通过电流或者导体相对于磁场的运动时，会在导体的表面上产生电位差。
这个电位差会导致电流在导体表面形成一个闭合环路，即涡流。
通过测量涡流的强度和分布情况，可以得出导体表面的不均匀性和缺陷信息。
当涡流在表面遇到缺陷或者不均匀性时，它们会改变涡流的强度和分布情况。
这些变化可以通过传感器检测到，并转化为电信号进行分析和处理。
涡流检测的实施过程通常包括以下步骤：首先，将被测试的导体放置在磁感应装置中，通过施加交变电流或者交变磁场来产生涡流。
接下来，将传感器放置在导体表面，用于测量涡流的强度和分布情况。
通过对传感器信号的分析，可以确定导体表面的缺陷和不均匀性。
涡流检测的优点包括快速、准确、非接触和适用于各种导体。
然而，它也有一些限制，如对导体材料和几何形状的要求，以及无法检测深层缺陷等。
总之，涡流检测利用涡流的产生和变化来检测导体表面的缺陷
和不均匀性。
它是一种非破坏性的测试方法，在工业领域中广泛应用于质量控制和产品检测中。
无损检测专业培训教材-ET涡流检测
远场涡流检测的特点： （1）采用内通过式线圈，检测线圈与激励线圈分开，且两者的距 离是所检测管道内径的二至三倍； （2）采用低频涡流技术能穿透管壁； （3）需要检测的不是线圈阻抗变化，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； （4）能以相同的灵敏度检测管壁内外表面的缺陷和管壁变薄情 况，不受集肤效应的影响； （5）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，探头的偏摆、倾斜对检测结果影响很小。 远场涡流检测技术的应用： 远场涡流检测仪器已经成功应用于石油化工厂、水煤气厂，炼油 厂和电厂等行业中的多种铁磁性和非铁磁性管道的探伤、分析和评 价。如：锅炉水冷壁管、热交换器管、地下管线和铸铁管道等的役 前和在役检测。
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涡流检测的特点
1）适用于各种导电材料的试件探伤 ； 2）可以检出表面和近表面缺陷； 3）探测结果以电信号输出，容易实现自动化检测； 4）采用非接触式检测，检测速度快； 5）对形状复杂的试件很难应用； 6）不能直观显示缺陷形状和性质； 7）检测干扰因素较多，容易引起杂乱信号 ； 8）由于集肤效应，埋藏较深的缺陷无法检出； 9）不能用于不导电的材料。
也变化。测定它的变化，就可以测得涡流的变化，从而得到试件 的信息。涡流的分布及其电流大小由线圈的形状和尺寸，试验频 率，导体的电导率，磁导率，形状和尺寸，导体与线圈间的距离 以及导体表面的缺陷所决定的。因此，根据检测到的试件中的涡 流，就可以取得关于试件材质，缺陷和形状尺寸等信息。 由于激励电流和反作用电流的相位会出现一定差异，这个相位 差随着试件的性质而改变，因此，常通过测量这相位的变化来检 测试件的有关信息。这个相位的变化与线圈阻抗的变化密切相关， 现在，大多数的涡流检测仪器都以阻抗分析法为基础，来鉴别各 种引起涡流变化的因素。 由于涡流具有集肤效应，因此涡流检测只能检测表面和近表面 的缺陷。 由于试件形状的不同、检测部位的不同，所以检测线圈的形状 与接近试件的方式也不尽相同。为了适应各种检测的需要，人们 设计了各种各样的检测线圈和涡流检测仪器。更多资料：无损检测 招聘网 中国无损检测论坛 中国焊接论坛
第3章涡流探伤-精选(公开课件)
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3.1涡流检测简介
3.1.1 涡流检测的基本原理
当载有交变电流的检测线圈靠近导电工件 时，由于线圈磁场的作用，工件中将会感生 出涡流（其大小等参数与工件中的缺陷等有 关），而涡流产生的反作用磁场又将使检测 线圈的阻抗发生变化。因此，在工件形状尺 寸及探测距离等固定的条件下，通过测定探 测线圈阻抗的变化，可以判断被测工件有无 缺陷存在。
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3.2.2.3涡流检测线圈的 阻抗
涡流的大小影响激励线 圈的电流大小。若施加的 交变电压不变，这种影响 可等效于激励线圈的阻抗 发生了变化。
设Z0为没有试件时线圈 的等效阻抗，Zs为有试件 时反射到激励线圈上的附 加阻抗，则线圈的阻抗Z可 表示为：
R0：激励线圈的电阻； X0：激励线圈的电抗； Rs：反射电阻；
号处理器消除各种干扰信号，最后将有用的信号输
入显示器显示检测结果。
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3.3.1.1 振荡器
振荡器的作用是给电桥电路提供电源， 当作为电桥桥臂的检测线圈移动到有缺陷 的部位时，电桥输出信号，信号经放大后 输入检波器进行相位分析，再经滤波和幅 度分析后，送到显示和记录装置。
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3.3.1.2 检出电路
查表得：μeff实=0.9798，μeff虚=0.1216；
当f=1000Hz时,f/fg=10，
查表得：μeff实=0.4678，μeff虚=0.3494
对某非磁性材料进行涡流探伤时，已知ur=1，
f=2kHz，ρ=20x10-8Ω·m，请计算渗透深度值为 多少?（ρ是电阻率） 5mm
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3.1.2涡流检测的特点
3.1.2.1 用途及影响感生涡流的主要因素
无损检测----涡流阵列检测技术典型应用
目录一、涡流阵列检测应用研究二、涡流阵列检测应用案例三、涡流阵列检测应用注意事项一、涡流阵列检测应用研究1.非铁磁性材料、均匀表面 --对比试样ET∝f（σ，μ≈μ0, LF, 均匀性…）均匀表面：结构或材质方面的均匀。
管件、锻件、铸件等ECA显示特点：表面开口缺陷：幅值、相位、C扫显示∝缺陷深度近表面缺陷：幅值、C扫显示∝埋藏深度1.非铁磁性材料、均匀表面--工件对于非铁磁性金属材料的均匀表面，与PT相比，ECA表面条件要求低、检测速度快、缺陷检出率高、绿色环保，优势较为明显。
1.非铁磁性材料、均匀表面--ECA-C扫成像绝对桥式阵列、小的线圈尺寸、多的阵列排数更有利于涡流阵列C扫成像。
均匀表面表面开口缺陷ECA-C扫成像可在一定程度上定性2.非铁磁性材料、非均匀表面--对比试块ET∝f（σ, LF, μ≈μ0, 均匀性…）对接接头：局部表面出现结构或材质不均匀。
2.非铁磁性材料、非均匀表面--模拟试块表面的不均匀性，在一定程度上影响ECA-C成像效果，直观性受到影响。
焊纹也会降低检测灵敏度。
2.非铁磁性材料、非均匀平面--工件3.铁磁性材料、均匀表面--对比试样ET∝f（σ, LF, μ, 均匀性…）管件、锻件、铸件等4.铁磁性材料、非均匀表面--动态提离补偿技术ECA C-scan Image对接接头：局部表面出现结构或材质不均匀。
4.铁磁性材料、非均匀表面--对比试样5.高温奥氏体不锈钢刻槽试板高温检测实验（300℃）6.低温低温情况下，PT无法实施，可考虑ECA。
二、涡流阵列检测典型案例——奥氏体不锈钢对接接头1.表面开口缺陷ECA可以比PT更容易发现缺陷。
2.近表面缺陷ECA可以在一定程度上检出近表面缺陷。
在线不打磨检测--动态提离补偿动态提离补偿技术，实现了碳钢对接接头的在线不打磨表面缺陷检测。
三、涡流阵列检测注意事项a）了解检测对象b）选探头c）选对比试样d）确定灵敏度e）扫查f）数据判读g）验证。
涡流检测相关知识介绍
交变的感生涡流渗入被检材料的深度与其频率的1/2次幂成反比。 常规涡流检测使用的频率较高（几百到几兆赫兹），渗透深度通常 较浅，因此常规涡流检测是一种表面或近表面的无损检测方法。
趋肤效应
h 503
fr
二、 1、对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高； 2、应用范围广，对影响感生涡流特性的各种物理和工艺因
阻抗即电阻与电抗的总合，用数学形式表示为：
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
Z R jX
电感L
线圈在磁通发生变化时能产生电动势e，
线圈匝数
e N d d dt dt
N Li
电感 磁链
磁通
L N
ii
互感M
当线圈1中的电流变化时所激发的变化磁场，会在它相邻的 另一线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中上的电流变化时， 也会在线圈1中产生感应电动势。这种现象称为互感现象，以互 感系数M表示，简称互感。所产生的感应电动势称为互感电动势。
（一） 检测线圈的阻抗
设通以交变电流的检测线圈（初级线圈） 的自身阻抗为Z0
Z0 R1 jX1 R1 jL1
空载阻抗 电阻 电抗
初级线圈
次级线圈
线圈耦合互感电路
当初级线圈与次级线圈（被检对象）相互耦合时，由于互感的
作用，闭合的次级线圈中会产生感应电流，而这个电流反过来又
会影响初级线圈中的电压和电流。这种影响可以用次级线圈电路 阻抗通过互感M反映到初级线圈电路的等效阻抗Ze来体现。Z0与
或对两线圈间耦合系数不同的初级线圈的视在阻抗作出阻抗平面图时，就 会得到半径不同、位置不一的许多半圆曲线， 这不仅给作图带来不便， 而且也不便于对不同情况下的曲线进行比较。为了消除初级线圈阻抗以及 激励频率对曲线位置的影响， 便于对不同情况下的曲线进行比较， 通常 要对阻抗进行归一化处理。
无损检测技术及应用
图2-33
滤波器的设置
2.4.1 标定
(3)滤波器的使用 低通滤波器的主要作用是去除高频干扰噪声。
图2-34
低通滤波器的作用示意图
5.探头驱动参数的设定 6.报警区域的选择
2.4.2 典型工件的涡流检测
表2-2 涡流检测指导书示例
2.4.2 典型工件的涡流检测
表2-2 涡流检测指导书示例
2.4.2 典型工件的涡流检测
书名：无损检测技术及应用 ISBN： 978-7-111-44922-5 作者：杨凤霞 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件
2.1 2.2 2.3 2.4
涡流检测的基本原理 涡流检测方法 涡流检测的基本原理 1)由于导电材料不均匀会导致磁导率、电导率的不同，使涡流
图2-1 涡流检测的基本原理
1)由于导电材料不均匀会导致磁导率、电导率的不同，使涡流 流通路径发生改变，导致涡流的大小、相位发生改变。
2)如果被检测件存在缺陷(如表面裂纹)，则会阻碍涡流流过， 因涡流只能存在于导体材料中，故会导致涡流流通路径的畸变， 最终影响涡流磁场，使得涡流强度降低。
图2-2 涡流的强度随着离线圈距离的增大而减小
2.2.1 涡流响应的主要影响因素
1.检测频率的影响 2.电导率、磁导率的影响 3.边缘效应的影响
图2-12
涡流的边缘效应示意图
2.2.1 涡流响应的主要影响因素
图2-13
非屏蔽探头
2.2.1 涡流响应的主要影响因素
图2-14
屏蔽探头
4.提离效应的影响
2.2.1 涡流响应的主要影响因素
图2-15
图2-18
异形探头
2.3.1 探头
2)可以根据检测对象和检测要求的不同进行相应设计和制作。 3)受温度影响较小，适用于高温条件下的检测。 3.探头的分类 (1)按感应方式分类 按照感应方式不同，探头可分为发射接收一 体式探头和发射接收分离式探头。 1)发射接收一体式探头，如图2-19所示。 2)发射接收分离式探头，如图2-20所示。
涡流检测技术概述
涡流检测技术概述涡流技术由于具有的很多优点而被广泛应用。
首先，它是非接触检测，而且能穿透非导体的覆盖层，这就使得在检测时不需要做特殊的表面处理，因此缩短了检测周期，降低了成本。
同时，涡流检测的灵敏度非常高。
涡流检测按激励方式和检测原理的不同可以分为单频涡流、多频涡流、脉冲涡流、远场涡流等，下面对这些技术的发展简要的加以介绍。
传统的涡流采用单频激励的方式，主要来对表面及近表面的缺陷进行检测，根据被测材料及缺陷深度的不同，激励频率的范围从几赫兹到几兆赫兹不等，为 了得到良好的检测信号，激励线圈必须在缺陷的附近感应出最大的涡流，感应电 流的大小和激励频率、电导率、磁导率、激励线圈的尺寸和形状以及激励电流的 大小有关,通过测量阻抗或电压的变化来实现对缺陷的检测。
然而，由于其它参数也很敏感，这就影响了对缺陷的检测。
为了克服单频涡流的缺点，1970 年美国人 Libby 提出了多频涡流的技术（Multi-frequency Eddy Current, MFEC），多频涡流是同时用几个频率信号激励探头，较单频激励法可获取更多的信号，这样就可以抑制实际检测中的许多干扰因素，如热交换管管道中的支撑板、管板、凹痕、沉积物、表面锈斑和管子冷加工产生的干扰噪声，汽轮机大轴中心孔、叶片表面腐蚀坑、氧化层等引起的电磁噪声，以及探头晃动提离噪声等。
理论与实践表明，被测工件的缺陷和上述干扰因素对不同频率的激励信号各有不同的反应，可反应出不同的涡流阻抗平面。
利用这一原理，用两个（或多个）不同频率的正弦波同时激励探头，然后由两个（或多个）通道分别进行检波、放大和旋转等处理，此后，通过多个混合单元的综合运算，就可以有效的去除信号干扰，准确的获取缺陷信号。
但是，多频涡流只能提供有限的检测数据，很难以可视化的方式实现对缺陷的成像检测。
70 年代中后期，脉冲涡流技术（Pulsed Eddy Current, PEC）在世界范围内得到广泛的研究，PEC最早由密苏里大学的Waidelich在20世纪50年代初进行研究，脉冲涡流的激励电流为一个脉冲，通常为具有一定占空比的方波，施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播，根据电磁感应原理，此脉冲涡流又会感应出一个快速衰减的磁场，随着感生磁场的衰减，检测线圈上就会感应出随时间变化的电压，由于脉冲包含很宽的频谱，感应的电压信号中就包含重要的深度信息。
涡流无损检测
1无损检测(Nondestructive Testing, NDT)是一门涉及多学科的综合性应用技术，它以不损害被检对象的内部结构和使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检验和测试，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，进而评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能【1-6]。
无损检测技术是现代工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平，其重要性己得到世界范围内广泛公认。
无损检测技术的应用范围十分广泛，遍布工业发展的各个领域，在机械、建筑、冶金、电力、石油、造船、汽车、宇航、核能、铁路等行业中被普遍采用，成为不可或缺的质量保证手段，其在产品设计、生产和使用的各个环节中己被卓有成效的运用[4,7-16]。
2以德国科学家伦琴1895年发现X射线为标志，无损检测作为应用型技术学科己有一百多年的历史[l7]0 1900年，法国海关开始应用X射线检验物品;1922年，美国建立了世界第一个工业射线实验室，用X射线检查铸件质量，以后在军事工业和机械制造业等领域得到了广泛应用，射线检测技术至今仍然是许多工业产品质量控制的重要手段。
1912年，超声波检测技术最早在航海中用于探查海面上的冰山;1929年，将其应用于产品缺陷的检测，目前仍是锅炉压力容器、铁轨等重要机械产品的主要检测手段。
1930年后，开始采用磁粉检测方法来检测车辆的曲柄等关键部件，以后在钢结构上广泛应用磁粉探伤方法，使磁粉检测得以普及到各种铁磁性材料的表面检测。
毛细管现象是土壤水分蒸发的一种常见现象，随着工业化大生产的出现，将“毛细管现象”成功地应用于金属和非金属材料开口缺陷的检测，其灵敏度与磁粉检测相当，它的最大好处是可以检测非铁磁性物质。
经典的电磁感应定律和涡流趋肤效应的发现，促进了现代导电材料涡流检测方法的产生。
1935年，第一台涡流探测仪器研究成功。
到了二十世纪中期，建立了以射线检测(Radiographic Testing, RT、超声检测(Ultrasonic Testing, UT、磁粉检测(Magnetic Testing, MT、渗透检测(Penetrant Testing, PT)和涡流检测(Eddy Current Test, ECT五大常规检测技术为代表的无损检测体系【‘“]。
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目录
一、什么是涡流阵列检测技术？
二、涡流检测基础知识
三、涡流阵列检测技术工作原理
四、涡流阵列检测技术特点
五、涡流阵列检测技术的国内外现状
一、什么是涡流阵列检测技术？
“涡流阵列”，又叫”阵列涡流”，英文名称“Eddy Current Array（简称ECA）”。
JB/T 11780-2014 无损检测仪器涡流阵列检测仪性能和检验
阵列涡流检测
具有按一定方式排布、且独立工作的多个检测线圈，能够一次性完成大面积扫查及成像的涡流检测技术。
C扫相关显示与缺陷形状像不像？
并能形成直观性C扫图
二、涡流检测基础知识
1. ET工作原理—电磁感应
①激励，悬空（电0→磁0 ）
空载阻抗 Z=Z0
M—互感系数～提离
R2—电涡流短路环负载～路径几何尺寸，σ2
L2—电涡流短路环自感系数～路径几何尺寸，μ2
2.影响放置式线圈阻抗的因素
a）提离
b）边缘效应
c）电导率
d）磁导率
e）工件几何尺寸
f）缺陷
g）表面状况
h）检测频率
影响阻抗变化的因素太多，限制了涡流探伤的应用！
3.放置式涡流探头的分类
4. 绝对式探头和差分式探头的对比
绝对式
信号来自1个感应线圈；
每个缺陷产生1个闭路（半8字）；
对于小缺陷、长缺陷和渐变缺陷敏感；
可用于测量材料性能差异.
可能需要参考线圈执行系统平衡；
对提离非常敏感。
差分式
信号来自2个感应线圈的减法。
.
每个缺陷产生2个闭路（8字）
对小缺陷特别敏感，但渐变缺陷不敏感；
对于小缺陷具有更好的信噪比；
对于提离不太敏感。
检测前，应该根据用途、被检工件状况等确定探头的工作模式和信号响应模式！
5. 常规涡流检测技术的特点
优点
■适用于各种导电材质的试件探伤；
■可以检出表面和近表面缺陷；
■检测结果以电信号输出，容易实现自动化；
■由于采用非接触式检测，所以检测速度快；
■无需耦合剂，环保。
缺点
■不能检测非导电材料；
■形状复杂的工件很难检测；
■各种干扰检测的因素较多，容易引起杂乱信号；
■无法检出埋藏较深的缺陷；
■一次覆盖范围小，检测效率低；
■检测结果不直观，不能显示缺陷图形，无法缺陷定性。
ECA
三、涡流阵列技术工作原理
1.涡流阵列工作原理
多个涡流线圈按照一定的物理构造方式排布组成阵列，按照特定的工作模式、信号响应方式组成若干个阵列元；阵列元是代表涡流检测工作模式、信号响应方式且能独立工作的最小单元（可视为“放置式涡流探头”），每个阵列元都含有发射线圈和接收线圈（包括自发自收线圈）；为避免阵列元之间的相互串扰，通常会采用多路切换技术分时、分批激活阵列元；编码器触发仪器将阵列元的涡流检测数据及其位置数据保存；这些数据经过软
件处理，形成直观的C扫图。
1.多路切换技术
目的：避免串扰；
特点：切换速度非常快，不会影响检测。
2.C扫图
颜色—检测数据电压数值；
上下顺序—阵列元位置；
左右顺序—扫查路径；
四、涡流阵列技术的特点
·常规涡流检测技术
通过检测线圈的阻抗变化评价工件是否缺陷的无损检测技术。
缺点：
一次性扫查范围窄;
检测结果不直观。
·涡流阵列检测技术
采用多路器分时激励多个按一定方式排布的、且独立工作的阵列元，能够一次完成大面积扫查及C扫显示的
涡流检测技术。
·优点
一次性扫查范围宽;
检测结果直观（有时可判断大小和形状）。
涡流阵列技术既继承了常规涡流检测技术所有优点，又弥补了其部分缺点。
优点
■适用于各种导电材质的工件检测；
■可以检出表面和近表面缺陷；
■由于采用非接触式检测，表面要求低；
■无需耦合剂，环保；
■一次性覆盖范围大，检测效率高；
■检测结果较为直观，可在一定程度上对缺陷定位、定量、定性；
缺点
■不能检测非导电材料；
■形状复杂的工件很难检测；
■各种干扰检测的因素较多，容易引起杂乱信号；
■无法检出埋藏较深的缺陷。
五、涡流阵列检测技术的国内外现状
◆ASTM E2884-2013e1 Standard Guide for Eddy Current Testing of Electrically Conducting Materials
Using Conformable Sensor Arrays
◆ASTM E3052-2016 Standard Practice for Examination of Carbon Steel Welds Using Eddy Current Array
◆ASME BPVC Section V-2019
MANDATORY APPENDIX IX EDDY CURRENT ARRAY EXAMINATION OF FERROMAGNETIC AND NONFERROMAGNETIC MATERIALS FOR THE DETECTION OF SURFACE-BREAKING FLAWS
MANDATORY APPENDIX X EDDY CURRENT ARRAY EXAMINATION OF FERROMAGNETIC AND NONFERROMAGNETIC WELDS FOR THE DETECTION OF SURFACE-BREAKING FLAWS
◆GBT 34362-2017 无损检测适形阵列涡流检测导则。