NDT涡流检测整理解析.docx

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NDT涡流检测整理解析

无损检测方法概述

1.超声检测

设备：

超神探伤仪、探头、耦合剂及标准试块等

用途：

检测锻件裂纹、分层、夹杂，焊缝中的裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透，型材的裂纹、分层、夹杂、折叠，铸件中的缩孔、气泡、热裂、冷裂、疏松、夹渣等缺陷及厚度测定。

优点：

对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果；易于携带；穿透力强

局限性：

为耦合传感器，要求被检表面光滑；难于探测出细小裂纹；要有参考标准，为解释信号，要求检验人员有较高的素质；不适用于形状复杂或表面粗糙的工作

2.声发射检测

设备：

声发射传感器、放大电路、信号处理器电路及声发射信号分析系统

用途：

检测构件的动态裂纹、裂纹萌生及裂纹生长率等

优点：

实时并连续监控探测，可以遥控，装置较轻便

局限性：

传感器与试件耦合应良好，试件必须处于应力状态，延性材料产生低幅值声发射，噪声不得进入探测系统，设备贵，人员素质要求高

3.噪声检测

设备：

声级计、频率分析仪、噪声分析仪

用途：

检测设备内部结构的磨损、撞击、疲劳等缺陷，寻找噪声源（故障源）

优点：

仪器轻便，检测分析速度快，可靠性高

局限性：

仪器较贵，对人员素质要求较高

4.激光检测

设备：

激光全息摄影机

用途：

检测微小变形、夹板蜂窝结构的胶结质量、充气轮胎缺陷、材料裂纹、高速物理过程中等离子体诊断和高速碰撞等

优点：

检测灵敏度高、面积大、不受材料限制、结果便于保存

局限性：

仅适用于近表面缺陷检测

5.微波检测

设备：

微博计算机断层成像机（微波CT机）

用途：

检测复合材料、非金属制品、火箭壳体、航空部件、轮胎等；还可测量厚度、密度、湿度等物理参数

优点：

非接触测量，检测速度快，可实现自动化

局限性：

不能用来检测金属导体内部缺陷，一般不适用于检测小于1mm的缺陷，空间分辨率比较低

6.光纤检测

设备：

光纤内窥镜、光纤裂纹检测仪

用途：

检测锅炉、泵体、铸件、炮筒、压力容器、火箭壳体、管道内表面的缺陷及焊缝质量和疲劳裂纹等

优点：

灵敏度高，绝缘好，抗腐蚀，不受电磁干扰

局限性：

价格较贵，不能检测结构内部缺陷

7.涡流检测

设备：

涡流探伤仪和标准试块

用途：

检测导电材料表面和近表面的裂纹、夹杂、折叠、凹坑、疏松等缺陷，并能确定缺陷位置和相对尺寸

优点：

经济、简便，可自动对准工件探伤，不需耦合，探头不接触试件

局限性：

仅限于导体材料，穿透浅，要有参考标准，难以判断缺陷种类，不适用于非导电材料

8.X射线检测

设备：

X射线源（机）和电源，要有和使用Y射线源相同的设备

用途：

检测焊缝未焊透、气孔、夹渣，铸件中的缩孔、气孔、疏松、热裂等，并能确定缺陷的位置、大小及种类

优点：

功率可调，照相质量比Y射线高，可永久记录

局限性：

X射线设备一次投资大，不易携带，有放射危险，要有高素质的操作和评定人员，较难发现焊缝裂纹和未熔合缺陷，不适用于锻件和型材

9.Y射线检测

设备：

Y射线探伤仪，底片夹、胶片，射线铅屏蔽，胶片处理设备，底片观察光源，曝光设备以及辐射监控设备等

用途：

检测焊接不连续性（包括裂纹、气孔、未熔合、未焊透及夹渣）以及腐蚀和装配缺陷。

最宜检查厚壁体积型缺陷

优点：

获得永久记录，可供日后再次检查，Y源可以定位在诸如钢管和压力容器之类的物体内

局限性：

不安全，要保护被照射的设备，要控制检验源的曝光能级和剂量，对易损耗的辐射源必须定期更换，Y源输出能量（波长）不能调节，成本高，要有素质高的操作和评片人员

10.磁粉检测

设备：

磁头，轭铁，线圈，电源及磁粉。

某些应用中要有专用设备和紫外光源

用途：

检测铁磁性材料和工件表面或近表面的裂纹、折叠、夹层、夹渣等，并能确定缺陷的位置、大小和形状

优点：

简单、操作方便，速度快，灵敏度高

局限性：

限于铁磁材料，探伤前必须清洁工件，涂层太厚会引起假显示。

某些应用要求探伤后给工件退磁，难以确定缺陷深度，不适用于非铁磁性材料

11.渗透检测

设备：

荧光或着色渗透液，显像液，清洗剂（溶剂、乳化剂）及清洁装置。

如果用荧光着色，则需紫外光源

用途：

能检测金属和非金属材料的裂纹、折叠、疏松、针孔等缺陷的位置、大小和形状

优点：

对所有的材料都适用；设备轻便，投资相对较少；探伤简便，结果易解释

局限性：

涂料、污垢及涂覆层金属等表面层会掩盖缺陷，孔隙表面的漏洞也能引起假显示；探伤前后必须清洁工件；难以确定缺陷的深度；不适用于疏松的多孔性材料

12.目视检测

设备：

放大镜、彩色增强器、直尺、千分卡尺、光学比较仪及光源等

用途：

检测表面缺陷、焊接外观和尺寸

优点：

经济、方便、设备少，检验员只需稍加培训

局限性：

只能检查外部（表面）损伤，要求检验员视力好

13.工业CT检测

设备：

工业CT机

用途：

缺陷检测，尺寸测量，装配结构分析，密度分布表征

优点：

能给出检测试件断层扫描图像和空间位置、尺寸、形状、成像直观；分辨率高；不受试件几何结构限制

局限性：

设备成本高

涡流检测

1.涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法。

当试件被放在通有交变电流的激励线圈或其附近时，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈旋涡状流动的电流（涡流），这涡流会转而产生一与激励磁场方向相反的磁场使线圈中的原磁场有部分减小，从而引起线圈阻抗的变化。

由于涡流的大小既取决于激励条件，如线圈的形状和尺寸、交变电流的频率、线圈与试件的相对位置等，也取决于与时间有关的一些参量，如试件材料的电导率、铁磁体试件的磁导率、试件的冶金变量（化学成分、热处理状态等）、试件表面和金表面处缺陷的有无、及试件的形状和尺寸等；因此，在一些参量可保持不变的情况下，通过对激励线圈阻抗变化的测量，或通过对另一附加的可感受磁场变化的专用检测线圈电参量变化的测量，就可对另一些量作出检测。

2.金属物理特性

1.导电性σ：

电导率为电阻率的倒数，单位为西门子/米S/m。

IACS单位（国际退火铜标准）表示，规定退火工业纯铜（在温度为20摄氏度时，电阻率为10724*10e-8Ω.m）的电导率为100%IACS其他金属的电导率σx:

σx（%IACS）=[

]*100

2.磁特性

物质在外磁场的作用下感生处磁场的物理过程称为磁化

物质磁性的大小可用磁导率u表示：

u=

（B磁感应强度，H磁场强度）

相对磁导率

=

（

自由空间的磁导率，

=4π*

H/m

3.电磁感应

电磁感应：

当穿过闭合导电回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中就产生电流，这种现象叫做电磁感应现象，回路中所产生的电流为感应电流，回路中产生的感应电动势

则等于所包围面积中磁通量Φ随时间变化的负值：

=-

（N匝线圈：

=-

）

自感应：

线圈中电流发生变化时，相应通过线圈的磁通量也随着变化，回路中便会有感应电动势产生，这种现象叫自感现象。

自感电动势：

互感：

如果两个线圈靠近，线圈中分别通过电流

和

，根据电磁感应定律，线圈1中电流

的变化在线圈2中产生感应电动势

；同样线圈2中电流

的变化会在线圈1中产生感应电动势

。

这种两个线圈相互激起感应电动势的现象称为互感现象

M：

线圈的互感H

两个线圈耦合时，用耦合系数k表示它们之间的耦合程度

4.影响线圈阻抗的因素

1.工件电导率

对阻抗图的影响

电导率不同获得信号也不同，线圈阻抗变化如图实线所示

2.提离效应对阻抗的影响

线圈与工件之间的距离变化会引起检测线圈阻抗变化，这种距离影响称为提离效应。

涡流检测中提离效应影响很大，必须用适当的电子学方法予以抑制

3.磁导率对阻抗图影响

非铁磁性材料相对磁导率约为1，为一常数，因此不影响阻抗。

然而磁性材料的相对磁导率远大于1，对阻抗影响显著。

高磁导率材料检测时，磁导率不是常数，微小的磁导率变化都会引起很大的本底噪音，为消除磁导率的影响，需用直流磁化将被检区磁化到饱和，从而使磁导率变小，达到某一常数，大大减少了磁导率变化的影响

4.试验频率对阻抗图影响

频率和电导率效应在阻抗图上的影响是一致的。

一般，阻抗图都是以频率比

（f试验频率，

特征频率取决于工件尺寸和电磁特性）为参数描绘出来的。

一般取下列范围：

10<

<40，选得过小，则导电率变化方向与直径变化方向的夹角很小，采用相位分离法难以分离；也不宜选得过高

5.裂纹对阻抗图的影响

5.趋肤效应

与交流电一样，涡流在被检验工件流过时，分布是不均匀的，涡流密集于靠近线圈工件表面，随着离开表面深度的增加，涡流也逐渐减小，这种效应称为趋肤效应。

电流密度J减小到

（导体表面的电流密度）的

（即37%）时的深度叫趋肤深度d，其表达式

（

电导率，S/m）

在表面下3d处涡流密度仅为表面涡流密度的5%，因此将3d作为涡流探伤的实际深度极限

6.涡流检测中线圈的阻抗分析

1.线圈的阻抗和归一化

单线圈的阻抗和归一化：

涡流检测单个线圈一般忽略线圈匝间的分布电容而用电阻与电感的串联电路来表示

当单一频率的交流电流（

）流经上述串联的纯电阻和纯电感时，在串联元件两端的总电压由克希荷夫电压定律可得：

或者以相量表示为：

串联电路的交流阻抗可用总电压对电流大小之比给出为：

交流阻抗的实部是电阻，虚部是感抗，因为相量形成一个直角三角形，这些阻抗值得关系是：

此图称为电压平面图，亦称复阻抗平面图。

涡流检测中当实验线圈远离试件时，其阻抗称空线圈阻抗，提供了一个用于其他阻抗的比较参数。

设空线圈电阻值为

，自感值为

，则空线圈阻抗

可表示为：

因大多数涡流线圈为能产生合适的外部磁化场和限制热损耗，线圈绕有很多匝，空线圈的感抗

较之空线圈的电阻

要大，因此可近似：

空线圈阻抗这一近似值在涡流线圈的阻抗测量及其相应的复阻抗平面图中被用作归一化参量。

耦合线圈阻抗和归一化：

当两个线圈（原线圈和副线圈）相耦合且在原线圈通以交变电流时，由于互感作用两线圈之间的电流与电压会互有影响，可用将副线圈电路的阻抗通过互感反折到原线圈电路作为折合阻抗来体现，其等效电路如上图所示，对于原线圈，将自身阻抗和折合阻抗相加得到视在阻抗（Z）：

Z=R+jX

（

互感抗）

这样，根据原线圈电路中视在阻抗的变化就可以知道副线圈对原线圈的效应，从而推知副线圈电路的阻抗变化。

原线圈视在电阻R和视在感抗X随

由∞至0而变化的规律如下图所示，是一条半径为

的半圆形曲线；

。

左图比较直观，但为了消除原线圈电阻

及频率对曲线位置的影响以便就不同情况下的曲线进行比较，通常进行归一化处理，即横轴以

纵轴以

来表示，这里

、

分别为原线圈在空线圈无耦合作用情况下

和

值，右图为归一化处理后的耦合线圈阻抗（复）平面图。

在涡流检测中，在载流检测线圈（原线圈）的作用下，试件中由于电磁感应而感生的涡流宛若在多层密叠在一起的线圈中流动的电流，这就可以把被检测的金属试件看作一个和检测线圈交连的副线圈。

因此，从电路的角度看，涡流检测类似于电感耦合电路的情况，上述的耦合线圈阻抗分析完全能类比用于涡流检测线圈阻抗的分析。

此外，载流检测线圈移近导电的试件时，由于涡流场的反作用线圈感抗被减小，而由于涡流在试件中流动所引起的热电损耗，视在电阻是增大了，线圈电阻的变化可给出为

是线圈绕组在空气中的电阻，如前所述，从涡流测量的角度看，在说明试件性能时重要性甚小，在考虑由于涡流效应而引起的电阻变化时，

常被略去。

7.涡流检测原理和方法

1.涡流检验原理

涡流检验是以电磁感应为基础的，涡流检验的原理类似于两个线圈的耦合（工件相当于一个线圈），当通以交变电流的检测线圈中没有工件时，可得到空载阻抗

。

当线圈靠近工件后，工件受感生涡流的影响，如下图所示，线圈的阻抗变为

，在表示检验线圈的阻抗平面图上可得到两点。

这样，根据检测线圈特性的变化，便可推知金属工件对磁场影响的原因。

由于金属工件的影响而使视在阻抗从

点，其位移（包括大小和方向）取决于工件状况和仪器特性。

工件的状况主要是指：

电导率

，工件的形状和尺寸，磁导率

和工件中存在的缺陷。

仪器的主要特性包括：

检测线圈中交流磁场的频率，检测线圈的尺寸和形状，及检测线圈与工件的间距。

2.放置式线圈又称点式线圈或探头。

在探伤时，把线圈置于被检工件表面进行检验。

这种体积小，线圈内部一般带有磁芯，因而具有磁场聚焦的性质，灵敏度高。

它适用于各种板材、带材和大直径管材、棒材的表面检测，还能对形状复杂的工件某一区域作局部检测。

3.检测线圈的使用方式

进行涡流检测，必须在被检试件上及其周围建立一个交变磁场，因此需要有一个激励线圈。

同时，为了测量检测受试件性能影响的涡流磁场，还要有一个测量线圈。

它们可以分别是两个线圈，也可以是一个线圈同时承担激励和检测两项任务。

一般在不需要区分线圈功能的时候，可把激励线圈和测量线圈统称为检测线圈。

只有一个测量线圈工作的方式称绝对式，使用两个线圈进行反接的方式称差动式。

差动式按试件的放置形式不同又可分为标准比较式和自比较式两种。

（1）绝对式如图（a）所示，直接测量线圈阻抗的变化，在检测时可以先用标准试件放入线圈，调整仪器，使信号输出为零，再将被试工件放入线圈，这时，若仍无输出，表示试件和标准试件的有关参数相同。

若有输出，则根据检测目的不同，分别判断引起线圈阻抗变化的原因是裂纹还是其它因素。

这种工作方式可以用于材质的分选和测厚，又可进行探伤，是许多涡流仪广泛采用的一种工作方式。

（2）标准比较式典型的差动式涡流检测，采用二个检测线圈反向联接成为差动形式。

如图（b）所示，一个线圈中放着一个与被测试件具有相同材质、形状、尺寸的质量好的（标准的）试件，而另一个线圈中放置被检验试件。

由于这两个线圈接成差动形式，当被检验试件质量不同于标准试件（如存在裂纹）时，检测线圈就有信号输出，因而实现对试件（裂纹）的检测。

（3）自比较式是标准比较式的特例。

采用同一被检试件的不同部分作为比较标准，故称为自比较式。

如图（c）所示，两个相邻安置的线圈，同时对同一试样的相邻部位进行检测时，该检测部位的物理性能及几何参数变化通常是比较小的，对线圈阻抗影响也就比较微弱。

如果将两个线圈差动联接，这种微小变化的影响便几乎被抵消掉，而裂纹的存在会使经过裂纹处的线圈感应输出急剧变化的信号。