渦流檢測-第3章(3.1節(jié))講解課件

1、3.1.1 渦流及其趨膚效應渦流及其趨膚效應3.1.2 阻抗分析法阻抗分析法 3.1.2.1 線圈的阻抗及其歸一化線圈的阻抗及其歸一化 3.1.2.2 穿過式線圈檢測金屬棒材穿過式線圈檢測金屬棒材 3.1.2.3 穿過式線圈檢測金屬管材穿過式線圈檢測金屬管材 3.1.2.4 內插式線圈檢測金屬管材內插式線圈檢測金屬管材 3.1.2.5 放置式線圈放置式線圈 3.1.2.6 相似定律和缺陷的阻抗分析相似定律和缺陷的阻抗分析 渦流檢測基本原理：當載有交變電流的檢測線圈靠近導電試件時，由于激勵線圈磁場的作用，試件中會產生渦流，而渦流的大小、相位及流動形式受到試件導電性能的影響；同時產生的渦流也會形成

2、一個磁場，這個磁場反過來又使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化。通過測定檢測線圈阻抗的變化，就可以判斷出被測試件的性能及有無缺陷等。趨膚效應趨膚效應：電流隨著深度的增加而衰減、明顯地集中在導體表面的現(xiàn)象稱為趨膚效應。 金屬內的磁場強度和渦流密度均呈指數(shù)衰減，衰減的快慢程度取決于金屬的電磁特性（、 ）及交變磁場頻率f。為說明趨膚效應程度滲透深度滲透深度：規(guī)定磁場強度和渦流密度的幅度降至表面值的1e（約36.7）處的深度，稱作滲透深度。 1m； Hm；fHz；m。 xfxeII0f1對于非鐵磁性材料=r0 0 410-7 H/m （r 1）金屬中磁場和渦流的滲透深度與金屬的電導率、磁導率 及交變磁場的頻率 f

3、 成反比。電導率 越大趨膚效應越強。例在相同 f 下，由于鉛銅銀，所以鉛銅銀，即銀的趨膚效應更明顯。磁導率 越大趨膚效應越強。例在相同 f 下，由于鐵銅，所以鐵銅。但如將鐵飽和磁化，使 r1，而銅鐵，其滲透深度反而大于銅。頻率 f 高的滲透深度淺。 f503在滲透深度以下分布的磁場和渦流較小，并非沒有磁場和渦流存在。 在渦流探傷中，金屬表面的渦流密度最大，檢測靈敏度高；深度超過滲透深度，渦流密度衰減至很小，檢測靈敏度低。 位于均勻交變磁場H0的金屬圓棒中磁場強度和渦流密度的分布曲線。 棒材表面的磁場強度大于中心磁場強度，隨頻率比ffg 2 r2f的變化而改變，ffg值越大，磁場的趨膚效應越明顯

4、。在棒材中心的磁場強度并非為零。圓棒中心處的渦流密度總是為零。 磁場強度分布磁場強度分布 渦流密度分布渦流密度分布 渦流檢測方法是從檢測線圈的感應電壓推斷試件的質量情況。因此，首先需要了解檢測線圈中感應電壓產生的過程以及感應電壓的形式。 空心線圈的感應電壓假設檢測線圈的激勵繞組中通有頻率為f的交流電流，產生軸向的交變磁場H0。當檢測線圈中無試件（即空心）時，線圈中的磁感應強度為：根據(jù)法拉第定律計算出測量繞組中的感應電壓：V0 00HB含有試件的線圈的感應電壓 檢測線圈中放入試件后，由于電磁感應作用，在試件中的磁場呈衰減分布。這種衰減分布可用一個變化的函數(shù)有效磁導率eff來描述。圓棒中的磁感應強

5、度：仿照空心線圈情況，有試件存在時測量繞組中的感應電壓： 真實磁場強度分布真實磁場強度分布00reffHB假想物理模型假想物理模型 0effrVV有試件存在時的線圈感應電壓與空心時的線圈感應電壓具有相似的形式，不同的只是其中增加了一個有效磁導率eff。有效磁導率eff是一個復數(shù)，由實部和虛部組成，其絕對值小于1（ eff1 ）。有效磁導率eff的變量是ffg，其中： 稱為特征頻率。fg的單位是赫茲（Hz）。 1m，r的m。特征頻率fg既不是渦流檢測中所能使用的最大或最小檢測頻率，也不是最佳檢測頻率。是用來鑒別特定檢測對象電磁特性的特征值。 221rfg頻率比ffg是有效磁導率eff的唯一的獨立

6、變量，每賦予ffg一個值，都可以得到一個對應的eff值。表中列出了對應于不同ffg值的有效磁導率eff的虛部和實部的數(shù)值。f / fgeff實eff虛01.0000.00010.9800.12220.9260.22330.8530.29840.7740.34550.6990.36960.6360.37770.5810.37680.5360.36990.4990.360100.4680.349150.3700.300200.3180.266500.2010.17801000.1420.1311500.1160.1092000.1000.0954000.0710.06810000.0450.044

7、實際中，測量繞組直徑D大于圓棒直徑d。測量繞組中感應電壓：稱檢測線圈的填充系數(shù)：等于圓棒截面積與測量繞組截面積之比，表示圓棒填充線圈的程度。（1reff）項：乘以“空心”線圈電壓V0即得到有圓棒時電壓。當1時：（1reff）reff ，就是圓棒充滿線圈時的情況（圓棒完全充滿線圈是非完全充滿的特殊狀態(tài)）。 )1 (effr0VV2)(Dd 計算檢測線圈感應電壓的目的：從電壓的情況推斷被檢試件的情況。而對線圈本身的特性不感興趣，分析時予以去除。（1 reff）項包括了對渦流檢測有影響的所有因素： 由被檢試件物理性質（、 r、d）決定的特征頻率fg； 作為檢測條件的檢測頻率f ； 由頻率比ffg決定

8、的有效磁導率eff ； 由試樣直徑d和檢測線圈內徑D決定的填充系數(shù)。 經上述處理后，既保留了被檢對象的所有參數(shù)，又與線圈本身特性的空心線圈電壓V0及決定V0的變量（如線圈直徑D、匝數(shù)N等）無關。effr01VV 歸一化處理的阻抗圖的特點: 消除了檢測線圈激勵繞組電阻和電感的影響，具有通用性。 阻抗圖曲線僅與被檢測因素（如、 r、d等）有關。 阻抗圖描繪出各因素對阻抗的影響規(guī)律，為渦流檢測選擇檢驗的方法和條件了參考依據(jù)。 阻抗圖形具有統(tǒng)一的形式和可比性。 歸一化處理后的線圈阻抗（電壓）變成了無量綱的量。 歸一化感應電壓的數(shù)值和歸一化阻抗的數(shù)值是完全相同的，且它們都等于參數(shù)項（1reff）。在渦流

9、檢測中，經常用到三種平面圖：歸一化阻抗平面圖、歸一化電壓平面圖和有效磁導率平面圖。三者彼此等價，具有上式所示關系。在特定的1、 r1的情況下，有關系： effr001VVZZeff00VVZZ影響線圈阻抗的獨立變量只有兩個： 由試件性質（、 r、d）和檢測頻率f決定的頻率比ffg； 由試件直徑d和線圈直徑D決定的填充系數(shù)。 非鐵磁性金屬有 rl，此時的歸一化阻抗： 電導率 只出現(xiàn)在決定eff值的變量ffg內，故 和ffg對Z/Z0具有同等的影響效力。在阻抗圖中 變化與ffg變化在同一（切線）方向?？梢岳脺u流檢測的方法測定材料的電導率和進行材質分選等工作。effr01ZZeff01ZZ當棒材直

10、徑d變化時，對線圈阻抗影響是雙重的： eff的變量ffg 填充系數(shù)在阻抗圖中直徑變化和電導率變化方向是不同的（虛線方向）。利用相敏技術可以把電導率變化從直徑變化中分離出來。對鐵磁性金屬，由于r1，歸一化阻抗： 磁導率變化效應發(fā)生在圖中的弦向曲線的方向。它與電導率變化方向不同，具有良好的可分辨性。在阻抗圖中 r 的變化和d的變化在同一方向上。故要區(qū)分相對磁導率變化和直徑變化是不可能的。effr0ZZ線圈歸一化阻抗： 填充系數(shù)： 有效磁導率eff 基本曲線是一個直徑為1的半圓。特征頻率：圖中弦向分布的曲線表示外徑do變化的效應方向。如外徑do不變，則電導率、內徑di 和壁厚W變化的效應方向彼此相同

11、，是一族半圓曲線。不同的do（即不同的）值，對應于不同的半圓曲線。最外面的半圓相當于doD（即1）的情況。 effr01ZZ2o)(DdWdfig66.50有效磁導率曲線有效磁導率曲線歸一化阻抗圖歸一化阻抗圖 特征頻率（與實心圓棒相同 ）： 內徑變化影響：起初假設是實心圓棒，線圈阻抗值在半圓曲線上。之后設想沿圓棒軸線鉆一個孔，不斷擴大孔徑di，當壁厚W減小到零時，阻抗落在1 （空心圈阻抗）位置上。圖中的實線表示在頻率比ffg分別為4、9、25、100時，管子從實心變到壁厚為零的阻抗變化。在這些曲線上， 和do保持不變，只有di和W的變化。圖中虛線是連接相同的di/do值而不同的ffg值的各點而

12、成。它表示了在di、do不變情況下，（或f）變化引起的阻抗變化方向。2og66.50df厚壁管特性變厚壁管特性變化對阻抗影響化對阻抗影響 有效磁導率曲線有效磁導率曲線 非鐵磁性薄壁管非鐵磁性薄壁管 與非鐵磁性薄壁管阻抗曲線同。在理想薄壁管情況下，渦流磁場的趨膚效應可以忽略。不論對內插式線圈還是穿過式線圈，在管子內部產生的磁場分布是相同的。 非鐵磁性厚壁管非鐵磁性厚壁管 特征頻率： 填充系數(shù)： 2ig66.50df2i)(dD3.1.2.4 3.1.2.4 內插式線圈檢測金屬管材內插式線圈檢測金屬管材線圈與工件之間距離變化引起檢測線圈阻抗變化。渦流檢測時，提離效應影響很大，可用電學方法予以抑制；

13、也以利用提離效應測量金屬表面涂層或絕緣覆蓋層的厚度。當線圈移近工件的邊緣時，渦流流動的路徑發(fā)生畸變，產生“邊緣效應”干擾信號。邊緣效應信號遠大于超過檢測信號。 與線圈自身有關的因素：線圈的半徑R、長度l、匝數(shù)N和自感L0。 與試件有關的因素：電導率 和磁導率 r；試件的形狀和尺寸，如圓棒的直徑d、管子的內外徑di do和壁厚W等。 與線圈和試件間相對位置有關的因素：提離間隙h、填充系數(shù) 。 缺陷：裂紋、折疊和劃道等。 與檢測條件有關的因素：檢測頻率f。 在很多場合，檢測因素引起的線圈阻抗變化，很難用數(shù)學計算求取，也不能直接利用實物進行實測來獲取，比如試件內部的缺陷。在這種情況下，需采用“模型試

14、驗”研究線圈的阻抗變化特性。模型試驗：用一根充滿水銀的玻璃管，外面繞上線圈，在充滿水銀的玻璃管中放入任何形狀的絕緣片，以模擬各種不連續(xù)性缺陷，測量線圈的感應電壓（阻抗）及其變化。 線圈阻抗決定于 和ffg，原因：線圈阻抗決定于 和eff ，而eff僅由ffg 大小確定。 線圈阻抗的相似性定律：對于二個不同的被檢物體，假若各自對應的填充系數(shù) 和頻率比ffg相同，則引起的線圈阻抗相同。阻抗相似條件：相似性定律為模型試驗的合理性提供了理論依據(jù)。 2111DdDd2222221111dfdf和 舉例相似性定律指出，在 相同情況下（如都為試件完全填滿線圈的情況），一根d20cm的銅棒（ 0.6cm）在f 9kHz下所顯示的線圈阻抗特性，與一管d50cm的水銀（ 0.01cm）在f 86.4kHz下顯示的結果完全相同，因為兩者的頻率比ffg均為4.3104。 因為模型試驗揭示的是一般情況的實質性規(guī)律，所以人們往往將那些容易在實驗條件下得到的模型試驗的結果加以推廣應用。例如，在檢測線材和小直徑管材時，裂紋對線圈阻抗變化的影響，便可以用截面放大了的帶有人工缺陷的模型實驗來獲得。 缺陷引起的線圈阻抗變化通常以實驗方法得到。對于表面缺陷，可利用實物實測的方法；對于表面下缺陷，需要采用水銀模型試驗方法。 非鐵磁性棒材中裂紋（ffg15時裂紋的位置、深度和形狀對阻抗變化的影響）：圖