ETII级讲稿2.docx

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ETII级讲稿2

第一章通用知识中的无损检测专业基础知识

2.涡流检测概述Eddycurrenttesting——ET

2.1涡流检测原理（A）

原理概括：

电磁感应

线圈，交流电——交变磁场——导体——涡流，涡流磁场——线圈的电压

导体的缺陷、电磁和几何特性、与线圈的间距——涡流的强度和分布变化——线圈的电压变化

2.2涡流检测发展简史（C）

百年前，电磁学的发展史

1950a，福斯特开创涡流检测理论和探伤仪器

1970a，我国大量应用

现在，国外先进的仪器和成套设备。

国内，多频涡流仪器（厦门），探伤仪器和成套设备（北京上海等）

2.3涡流检测的应用范围

2.3.1涡流检测的应用对象（A）

1．电磁特性

电导率——化学成分、硬度、应力、温度、热处理状态

磁导率——热处理状态、化学成分、应力、温度等。

按牌号分选合金——分钢

2．几何特性

形状尺寸——棒材的直径、管材的壁厚、及薄板材的厚度

3．间隙大小

非金属膜层的厚度，转轴的振动和位移

4．缺陷（综合影响）

表层的不连续性缺陷——折叠、裂纹、凹坑、夹杂物等

2.3.2涡流检测的用途（A）

表2.1

冶金产品的检测

工业装置的检测

生产工艺的监测

测量分选

2.4涡流检测的特点（A）

●优点：

无需耦合剂

速度快（非接触，电信号）

高温下检测

自动化

规则形状、批量型材

●局限性：

导电材料

表层检测

当量比较法（不能对缺陷的类型、形状、尺寸作出准确的定性定量判断）

敏感因素多，信号处理重要

3.涡流检测的物理基础

3.1金属的电磁特性

3.1.1金属的导电性能

⑴金属中的电流（B）

电流:

I=q/t;

直流电:

（强度和方向）；交流电：

（强度和方向随时间作周期性变化）（极性变化）；整流电

欧姆定律：

I=V/R

电流密度:

J（A/m2）

⑵金属的电阻及其导电性能描述（B）

电阻和电阻率，电阻率单位：

m；电导率单位：

1/m

IACS（国际退火铜标准）

表3.1，表3.2

⑶影响金属导电性能的因素（A）

1）温度；

2）合金成分:

纯金属ρ较小，合金ρ变大；

3）强度、硬度和应力：

（冷加工后，强度、硬度↗，导电性能↘；残余应力→导电性能变化）

4）热处理状态：

（冷热剧变热处理→ρ↗；冷加工后退火处理→ρ↘）

3.1.2金属的导磁性能

⑴磁场与金属的磁化（B）

磁场强度H，单位A/m，工程上用奥斯特（Oe）——与介质无关

磁力线（切线方向→磁场方向），（磁力线密→磁场较强，磁力线疏→磁场较弱）

磁感应强度B（磁通密度），单位T，工程上用高斯（Gs）——与介质有关

B＝H

－磁导率，r相对磁导率

＝r0

0－真空磁导率空气磁导率

空气和有色金属，r1；铁磁材料r>>1

表3.4

磁通量＝BS

⑵金属的磁特性（B）

非铁磁性材料：

顺磁质（r>1），抗磁质（r<1）——有色金属，奥氏体不锈钢

铁磁性材料：

黑色金属（铁,钴,镍及其合金），铁素体马氏体不锈钢

图3.3铁磁性金属的磁化特性曲线

o-a-b-m初始磁化曲线

图3.4磁滞回线；剩磁Br，矫顽力Hc

磁性的显现（磁化）――磁畴规则排列

磁性的消失（退磁）――磁畴紊乱分布

磁性的变化――合金元素，冷热加工，居里点

⑶影响金属导磁性能的因素（A）

1）加工：

（冷加工、淬火热处理、掺入微量元素→r↘；退火处理→r↗）

2）温度：

（分子热运动→磁性削弱；居里温度）

3.2电磁感应原理

3.2.1电磁感应的基本定律

1楞次定律（A）

闭合导电回路――回路内的磁通量变化――感应电流――电磁感应。

电流方向判断：

楞次定律

2法拉第定律（B）

感应电流产生的磁场总是阻碍激励磁场磁通量的变化

大小描述：

法拉第定律

3.2.2涡流检测中的电磁感应（A）

导电回路――块状导体，感生电流――涡流

3.2.3线圈的电感（B）

线圈的磁通量φ与I成正比

比例系数L称为自感系数（简称自感），单位是H

线圈的自感由线圈本身的几何参数和匝数决定

自感电动势

3.3正弦交流电及其表示方法

3.3.1正弦交流电的基本概念（B）

正弦交流电的数学表达

图3.9，三个特征量：

频率、幅值和相位

＝2f－角频率，单位：

弧度/秒，f－频率，单位：

Hz；

V或I－幅值，单位：

V或A

－初相位，单位：

弧度或度，1rad=180/3.14＝57.3

t＋―相位

相位的超前或滞后，图3.10

3.3.2正弦交流电路的阻抗（B）

反映某一元件上v和i之间的关系必须的两个量

阻抗：

Z=U/I，相位差：

＝v－i

●纯电阻电路

Z=U/I＝R，阻抗＝电阻，单位

＝v－i＝0v和i相位一致

●纯电感电路

Z=U/I＝L，阻抗＝感抗，单位电感的感抗∝∝f

＝v－i＝/2v相位超前i相位90°

电感元件的电流落后电压/2弧度

●电阻和电感的串联电路

见下节图3.13

3.3.3正弦交流电的矢量表示方法（B）

点与坐标原点的连线＝交流电压的峰值V

连线与横轴之间的夹角＝交流电压的初相位

图3.12：

电压平面图

实轴；虚轴；

电压的实部；电压的虚部

图3.13：

阻抗平面图

阻抗的实部＝电阻，阻抗的虚部＝感抗

3.4涡流的趋肤效应

3.4.1金属平板中的趋肤效应

1趋肤效应（A）

涡流i或磁场H集中于导体表层的现象

原因：

能量衰减

2磁场强度和涡流密度的渗透深度（A）

关系：

磁场强度和涡流密度均呈指数衰减，衰减的快慢程度取决于金属的电磁特性（σ、μ）及交变磁场的频率（f）。

规定：

渗透深度δ=磁场强度H和涡流密度J的幅度降至表面值的1／e（约36.7％）处的深度

计算：

（cm）

σ单位——1／μΩcm；f单位——（Hz）；μr——无量纲

意义：

渗透深度关系到探测灵敏度和探测深度，

通过激励频率控制渗透深度，兼顾表面和内部

3磁场强度和涡流密度的相位滞后（B）

内部比表面涡流相位滞后：

＝－x/

深度x等于渗透深度δ时，相位滞后量为1个弧度或57.3°

根据相位滞后大小可以判断缺陷的深度位置

3.4.2金属圆棒中的趋肤效应

1磁场强度的分布（C）

图3.16

2涡流密度的分布（C）

图3.17

渗透深度和相位滞后近似应用平板的相应公式

3.4.3铁磁性材料磁导率对趋肤效应的影响（B）

铁磁性材料的趋肤效应强烈，渗透深度很小

观察图3.3：

将材料磁化到近饱和状态时，磁导率明显降低，渗透深度大大增加，同时消除了（初始）磁导率不均匀的影响

3.5检测线圈的感应电压

3.5.1空心线圈的感应电压（B）

感应电压正比于线圈参数（匝数等）、激励频率、激励磁场强度

3.5.2含有试件的线圈的感应电压

感应电压正比于线圈参数（匝数等）、激励频率、激励磁场强度有效磁导率

有效磁导率率μeff――假想的磁导率，是一个模小于1的复数。

加入试件后，由于涡流的产生，使感应电压减少

图3.21有效磁导率曲线

试件填充线圈的面积比――填充系数，也会影响感应电压。

＝S试件/S线圈＝（d/D）2

⑴有效磁导率与特征频率（B）

⑵圆棒直径等于测量线圈时的感应电压（C）

⑶圆棒直径小于测量线圈时的感应电压（C）

3.5.3检测线圈感应电压的归一化（B）

归一化：

V/V0

目的：

消除空心线圈的感应电压的影响

归一化结果：

3.5.4检测线圈感应电压与阻抗的关系（C）

归一化电压和归一化阻抗：

当＝1，r＝1时，

归一化电压、归一化阻抗和有效磁导率曲线形状一样，规律相同――阻抗分析

3.6涡流检测的阻抗分析

阻抗分析――研究各种因素对线圈阻抗（感应电压）的影响，反映在阻抗图上，即阻抗点的变化规律（方向，大小）

3.6.1穿过式线圈检测金属棒材的阻抗分析（C）

⑴非铁磁性棒材，r＝1

归一化阻抗图的解释：

横坐标，纵坐标；曲线的形成；阻抗的幅值和相位

阻抗的变化：

变化的大小、方向

空心线圈的阻抗位置

基本影响因素：

试件方面：

σ,μ,d

线圈方面：

f（R0和L0已归一化）

耦合方面：

缺陷是基本因素的综合影响，依靠模型试验得出图线

频率和电导率变化引起的阻抗变化方向：

切向

直径和填充系数变化引起的阻抗变化方向：

弦向

指导意义：

选取适当的工作点，使待测因素和干扰因素的阻抗变化方向差别大，以利于相位鉴别

⑵铁磁性棒材

依靠磁饱和技术变成非铁磁性材料处理

3.6.2穿过式线圈检测金属管材的阻抗分析（C）

⑴非铁磁性薄壁管

线圈的归一化阻抗与棒材的公式具有相同的形式，但有效磁导率不同。

有效磁导率和归一化阻抗曲线为半圆，壁厚是重要影响因素。

特征频率和有效磁导率曲线

⑵非铁磁性厚壁管

非铁磁厚壁管的线圈阻抗曲线介于薄壁管与实心圆棒的阻抗曲线之间

阴影区域表示管子各种特性发生变化时，线圈阻抗的变化范围

特征频率和有效磁导率曲线

3.6.3内插式线圈检测金属管材的阻抗分析（C）

⑴非铁磁性薄壁管

图3.25和图3.26所示的非铁磁性薄壁管的阻抗曲线，也适用于内插式线圈检测薄壁管的情况。

特征频率和有效磁导率曲线

⑵非铁磁性厚壁管

类似圆棒材的情况，将外径替换为内径

填充系数＝S线圈/S试件＝（D线圈/d内径）2

特征频率和有效磁导率曲线

3.6.4点式线圈检测金属板材的阻抗分析

点式线圈和穿过式线圈的阻抗分析差别较大。

略去。

⑴归一化频率（C）

⑵归一化阻抗平面（C）

⑶提离与提离效应（B）

提离与提离效应：

线圈到金属表面的距离也称提离间隙，简称“提离”。

提离引起线圈阻抗变化的效应称为“提离效应”。

点式线圈阻抗受“提离效应”影响很大

提离效应是膜层测厚、位移测量、振动测量的基本原理。