第五章 涡流检测要点.docx
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第五章涡流检测要点
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:
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:
我们称ρ为导体的电导率单位为:
(Ω·mm2/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。
3.冷热加工
材料的冷热加工,可能产生内应力而使原子排列结构变形。
这时,电子受到碰撞次数增加,电阻率也会上升。
4.合金成份
对于固溶合金(杂质在基体金属内均匀分布),一般说来电阻率随着合金成分的增加而增加。
二、材料的磁特性
(一)磁场及其量度
(略)
(二)电流产生的磁场
(略)
(三)材料的磁特性
(略)
(四)影响磁导率的因素
1.化学成份和热处理状态
材料的化学成份和热处理状态不同,表现的磁导率也不同。
如不同含碳量的碳钢,在退火状态比淬火材料磁导率要高,而随着含碳量的提高,相对磁导率也会降低。
2.冷加工
如300系列不锈钢非磁性的奥氏体钢经冷却加工后形成马氏体相,就会增加磁导率。
相反,大多数铁磁材料的导磁率会减小。
3.温度
各种磁性材料的居里点:
铁(769℃)、钴(1118~1124℃)、镍(353~358℃)、钇(16℃)、渗碳体Fe2C(215℃)、硫化铁FeS(320℃)、四氧化三铁Fe3O4(575℃)、三氧化二铁Fe2O3(620℃)、软磁铁氧体(50~600℃)
三、电感感应
(一)电感感应现象
楞次定律:
闭合回路中产生的感应电流有确定的方向,它所产生的磁通总是企图阻碍原来磁通的变化。
(二)电磁感应定律
闭合回路(螺线管回路)中产生的感应电流,是由于这回路中有电动势存在。
法拉第最先确定了这种电动势的大小和磁能量变化间的数量关系。
法拉第根据能量守恒定律推导得出:
式中:
ε-感应电动势
dφ/dt-是磁通随时间的变化量
上式为单匝线圈的回路,对于n匝线圈的回路其电电势为:
在MKS单位制中,各物理量的单位如下:
ε-伏特、n-匝、dφ-韦伯、dt-秒
(三)自感应现象
在任意闭合回路中,当接有线圈和负载时,回路中的电流在空间作一点所产生的磁感应强度,和电流强度成正比,因此,磁通量也和电流成正比。
即有:
φ=L0·I
比例系数L0叫做回路中的自感系数,它与回路的几何形状、大小、匝数及回路中的介质有关。
自感系数的常用单位是享利。
回路中的自感电动势ε0的关系式为:
(四)互感应现象
如果有两个螺线管线圈的闭合回路靠在一起,当第一个通上电流I1,在第二个回路中就会产生感生电流。
如果第二回路的互感系数为L21(享利),在第二回路中产生的感生电动势ε2,则有:
第二节涡流检测的基本原理
一、涡流的产生及其数学表达式
将两上线圈作中安排,当线圈1中通过变化电流时,会在另一个线圈中产生感生电动势。
如果线圈2是闭合的,就会有电流流过。
若用金
属板来取代线圈2,这时金属板的匝数相当于1,电阻为R(电阻很小)的一个线圈,在金属板内同样会产生感生电流。
由于这种电流的形状呈旋涡状,故称为涡流。
涡流现象可用下面的数学等式进行描述:
如果通过探头线圈的电流是正弦电流,则有:
该电流所产生的磁通量φp与线圈的圈数N和电流ip成正比:
φp∝N·ip
如果探头线圈靠近工件,工件中将会产生涡流:
式中:
M-线圈和试件的互感
Zs-试件的阻抗
μs-试件的磁导率
试件当中的电导率、磁导率、缺陷以及厚度等尺寸的变化都会引起Zs的改变,所以通过检测is的变化就可以检测工作的材质、尺寸和完整性。
根据楞次定律,涡流磁场和探头线圈所产生的磁场相反,故总的磁通量为:
式中:
φS是涡流产生的磁通;φP是线圈产生的磁通;φE是在探测试件时线圈中的总的磁通量。
涡流的减少,引起线圈磁通量的减少,就等于线圈阻抗的减少。
二、涡流的基本性质
1.在垂直于磁力线的平面内流动,呈旋涡状,通常涡流的流动路径平行于线圈的线阻,也平行于工作表面(决定于探头线圈的结构)。
涡流仅局限于变化磁场存在的区域。
2.因为感应电动势与磁感应的磁通量的变化速度成正比,所以磁场变化愈快,即交流电流的频率愈高,所产生的涡流愈大。
3.交流电流的频率还决定了涡流在试件中流动的深度。
我们所它叫穿透深度,随着频率的升高,穿透深度减小,涡流的分布均集中在试件的表面。
(产生趋肤效应的原因是:
工件中不同深度流动着的涡流都要产生一个与原磁场相反的磁场,这使得总的磁通量减少并随着深度的增加涡流也大大的消弱。
换句话说,靠近表面的涡流可以看作为对线圈磁场的屏蔽,因而随着深度的增加减弱了磁场并减少了感生电流。
)
4.如果在无限大的平面导体内,涡流密度随着深度的增加呈指数地减小。
三、缺陷信号的接收
缺陷所产生的信号取决于受缺陷影响的电流信号的幅度和相位。
位于表面比较小的缺陷和内部比较大的缺陷可能在线圈阻抗幅度
上产生同样的变化。
但是因为信号随深度变化产生相位滞后,这将是线圈阻抗矢量不同的特征,这一效应能帮助确定缺陷的位置。
对于无限厚的材料:
当X为1mm时:
式中:
X-表示离表面的距离
β-表示表面的涡流信号和表面下的距离X处的涡流信号之间的相位差
当X等于穿透深度δ时,即为1mm时,相位滞后为57°,或者一个弧度。
如果δ穿透深度为以上2倍时(2mm),则反馈信号的涡流相位滞后表面涡流相位.114°。
在有限厚度的试件中,涡流相位滞后和标准相位滞后相比稍小一些。
相位滞后在涡流检测信号分析中起着重要的作用。
(这里的相位滞后不要误解为交流中电压和电流之间的相位角,实际上,感应电流和感应电压随着深度的变化都有相位滞后的问题。
)
第三节 涡流检测设备
一、探头及其阻抗
涡流检测是通过测量涡流在工件中的流动分布来实现的。
涡流的流动和分布是间接地测量探头的阻抗来完成的。
所以,有必要讨论一下探头的基本结构及其阻抗。
简单的涡流探头就是一只线圈,是一个电感和电阻串联的电路,电感表示线圈的电抗部分,而电阻表示线圈中导线及其电缆的电阻。
在涡流检测中,如果探头线圈接近工作之后,探头的电阻分量或抗分量的改变都会改变阻抗矢量端点ρ的位置,ρ点通常称为“工作点”。
2.接触工件后的探头模型
检测探头线圈靠近或放置在工件上时,线圈可以被看成是变压器的初级绕组。
交流在线圈中所产生的磁场在工件中感应出涡流,这时工件的作用正如一个单匝的次级线圈绕组。
涡流产生的磁场将线圈中的磁通φp减弱。
如果工件中有缺陷或者材质、尺寸的变化,会引起Zs改变,可以通过测量探头线圈两端的电压Vp(Vp=TpZp)来“感知”Zs的变化。
根据变压器工作原理,Zp随次极的负载而变化,所以通过测量Zp可以得到次极负载中(即工件)电阻分量Rs和电感分量Ls的变化。
(涡流检测中有时也采用收、发探头,它使用两个线圈。
)
二、涡流检测仪
涡流检测仪的各类仪器电路的组成有所不同,但工作原理基本是相同的。
涡流检测仪的基本原理:
信号发生器产生交变电流供给检测线圈,线圈产生交变磁场并在工件中感生涡流,涡流受到工件性能的影响并反过来使线圈阻抗发生变化,然后通过信号检出电路取出线圈阻抗的变化,其中包括信号放大、信号处理消除干扰,最后显示检测结果。
1.振荡器
振荡器的作用是产生一个交变电流(通常是正弦电流)。
频率一般在1KH至几MHz,固定频率或连续可调。
对于某些特殊应用,也可产生更低或更高的频率,甚至使用脉冲电流激励探头线圈。
(在确定检测频率时,要考虑材质、试样尺寸等因素。
)
2.电桥
电桥的作用是利用电桥的平衡检测功能检测探头阻抗的微小变化(因为探头经过缺陷,有时阻抗的变化还小于1%),从而给放大器提供变化的信息信号。
3.放大器
放大器用于放大微弱的输入信号,提高检测灵敏度。
一个较好的涡流检测仪,放大器增益可达80分贝左右。
4.移相器
将某一个给定的电压矢量旋转一个固定的相角的装置称为移相器,为了选择任意相角,移相器最好能进行360°移相而且保持输出辐度不变。
移相器的作用主要是提供参考相位。
5.相敏检波器
相敏检测器的作用主要是选择控制信号的相位和干扰信号相差90°进行检波,在输出信号中消除干扰信号而保留有用信号(因为干扰信号和有用信号之间存在相位差)。
(一般采用场效应管作为开关元件。
)
6.滤波器
滤波器的作用是选择合适的通过频率来滤掉干扰信号。
如探头和工件之间间隙变化、工件因加工工艺(轧、热处理、校直等)而引起的材质变化都会产生一个低频调幅波,而缺陷一般产生的是时间短的高频调制波。
7.幅度鉴别器
幅度鉴别器的作用是建立一个鉴别电平,这样,在此电平以下的噪声信号均可滤掉,提高信噪比,有利于缺陷信号的观察和分析,提高检测结果判断的准确性。
(因为经过相位分析和频率分析以后除了有用信号外,还伴有被测信号同一数量级的杂波干扰信号,这些杂波的存在会给缺陷信号的观察带来不便。
)
8.显示器
显示器的作用是将处理后的缺陷信号通过电表、显示屏等显示出来,给工作者提供判断缺陷的依据。
9.记录装置
记录装置的作用是将缺陷信号的显示存储或打印记录下来。
(如果是自动化流水线的探伤,至少需要二通道以上的记录仪,才能保证记录的完整性。
)