15-涡流检测原理解析

由于引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是 线圈中磁场的变化，检测时需要分析和计算工件 被放入检测线圈后磁场的变化，然后得出检测线 圈阻抗的变化，才能对各种因素进行分析。
如将线圈l的阻抗作一复数阻抗平面，即以电阻R 为横轴，以感抗 X为纵轴并以负载 Rr为参变数作 出的轨道曲线，如图a所示
是一个近似半圆 ( 右边 ) ，半圆直径为 k2ω L1 ，线 圈1感抗X从ω L1单调减少到(1-k2)ω L1，而电阻R 由R1，增加到Rl+k2ω L1/2最大值后减小回到R1
由于涡流也有趋肤效应，因此，涡流密度在金 属表面最大，离表面愈远衰减愈大。
不同导电材料 (电导率和磁导率不同 )以及通过 的交变电流的频率不同，电流密度在工件横截面 上的分布也有所不同，它是按指数规律从工件表 面向工件内部衰减的。
电流密度下降到表面电流密度37%的深度，称为 透入深度(δ )。它与激励电流的频率、金属材料 的电导率和磁导率有直接关系，可表示为
首先需要了解两个线圈相距很近而又有互感的情 况，当线圈2不接负载时，线圈1的等效阻抗为线 圈1原有的阻抗Z1不变(Z1=R1+jω L1)
而当线圈 2 的负载短路时，线圈 1 的等效阻抗为 R1+jω L1(1-k2) ， 即 比 线 圈 1 的 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 有 阻 抗 减 小 了 jω L1k2大小(其中k为耦合系数
用这样的阻抗平面来了解线圈阻抗变化要比用 公式直观得多，容易理解。
但是由于不同的线圈阻抗和不同的电流频率有 不同的半圆直径和位置，而且有时线圈阻抗的轨 迹曲线不是半圆，因此要进行相互比较有困难。
为此，用线圈 1 的视在感抗 ω L1 来除纵轴和横轴 的X和R，可以获得归一化阻抗曲线，如图b
这样，半圆直径在纵轴上的位置，上端为(0,1)， 下端为(0,1-k2)，直径为k2，半圆上参变数 Rr，用 归一化频率F来表示，则有 F L2 Rr
在半圆上端 F 等于零，中间 F 等于 1 ，下端 F 为无 穷大。归一化处理后的电阻和电抗都是无因次量， 并且都一定小于 l 。根据这个方法得到的阻抗平 面图的格式是统一的，因而具有通用性。
在涡流检测时，若通以交变电流的线圈中没有 试样，则可以得到空载阻抗 Z0=R0+jω L0 ，若在 线圈中放入试样，线圈阻抗将变为Z1=R1+jω L1 随着材料和工件性质的不同，对检测线圈的影 响也不一样，因而，工件性质的变化可以用检测 线圈阻抗特性的变化来描述。
尤其加热到居里点温度以上的钢材，检测时不 再受磁导率的影响，可以像非磁性金属那样用涡 流法进行探伤、材质检验及棒材直径、管材壁厚、 板材厚度等测量。 涡流检测可以广泛用于各种金属材料工件和少 数非金属材料工件。
与其它无损检测方法相比，涡流检测的主要优、 缺点如下: 优点: A) 对导电材料的表面或近表面的检测，具有良 好的灵敏度 B) 适用范围广，能对导电材料的缺陷和其它因 素的影响提供检测的可能性 C) 在一定条件下可提供裂纹深度的信息
1 f
式中 f-交流电流频率(Hz)，μ -材料磁导率(H/m)， σ -材料电导率[m/(Ω .mm2)] 从上式可知，频率、电导率和磁导率愈大，透 入深度也就愈小。
几种典型材料的透入深度如图 6-1 ，显示导电材 料的透入深度与检测频率的关系
除了透入深度的定义外，它也是交流电流的 相位差为180o的深度。 工件表面的涡流密度最大，它的检测灵敏度 最高，离工件表面愈深，涡流密度愈小，检出 灵敏度愈低。 涡流检测中，要用许多阻抗平面图来描述缺 陷、电导率，磁导率和尺寸变化与线圈阻抗的 关系。
因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，可以得 到被检材料有无缺陷的结论。
涡流检测只适用于导电材料，同时由于涡流是 电磁感应产生的，所以在检测时不必要求线圈与 被检材料紧密接触，从而容易实现自动化检测。
因此，对管、棒、丝材的表面缺陷，涡流检 测法有很高的速度和效率。
涡流及其反作用磁场对金属材料工件的物理和 工艺性能的多种参数有反应，因此是一种多用途 的检测方法。
D) 不需要耦合剂 E) 对管、棒、线材等便于实现高速、高效率的 自动化检测 F) 适用于高温及薄壁管、细线、内孔表面等其 它检测方法比较难以进行的特殊场合下的检测
缺点
A) 限于导电材料
B) 只限于材料表面和近表面的检测
C) 干扰因素多，需要特殊的信号处理
D) 对形状复杂的工件进行全面检测时效率很低
E) 检测时难于判断缺陷的种类和形状
涡流既然是因为线圈中交变电流 ( 又称一次电 流 ) 激励的交变磁场在金属中感应产生的，那么 涡流也是交变的，同样会在周围空间形成交变磁 场并在线圈中感应电动势。
这样，线圈造成的磁场不是由一次电流所产生， 而是一次电流和涡流共同感生的合成磁场。
假定一次电流的振幅不变，线圈和金属工件之 间的距离也保持固定，那么，涡流和涡流磁场的 强度和分布就由金属工件的材质所决定。 也就是说，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。 因此，只要从线圈中检测出有关信息，例如从 电导率的差别就能得到纯金属的杂质含量、时效 铝合金的热处理状态等信息，这是利用涡流方法 检测金属或合金材质的基本原理。
6 涡流检测
6-1 涡流检测基本原理
金属在变动的磁场中或相对于磁场运动时，金 属体内会感生出旋涡状流动的电流，称为涡流。 涡流检测是以电磁感应为基础，它的基本原理 是，当载有交变电流的线圈靠近导电材料时，由 于线圈磁场的作用，材料中会感生出涡流。
涡流的大小、相位及流动形式受到材料导电性 能的影响，而涡流产生的反作用磁场又使检测线 圈的阻抗发生变化。
然而，正是由于对多种试验参数有敏感反应， 也就会给试验结果带来干扰信息，影响检测的正 确进行。
对涡流产生影响的因素有电导率、磁导率、 缺陷、工件形状与尺寸及线圈与工件之间距离等。 因此，涡流检测可以对材料和工件进行电导率 测定、探伤、厚度测量以及尺寸和形状检查等。
表中列举了涡流检测的几种用途
涡流法还可对高温状态下的导电材料进行涡流 检测，如热丝、热线、热管、热板等。