第五章渦流檢測(共12頁)

1、第五章 渦流(wli)檢測渦流是當(dāng)金屬導(dǎo)體處在變化著的磁場中或在磁場中運動時，由于(yuy)電磁感應(yīng)作用而在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的旋渦狀流動電流。(我們在實踐中會遇到一些渦流現(xiàn)象，如金屬存在(cnzi)電阻，當(dāng)電流流過金屬導(dǎo)體內(nèi)時會產(chǎn)生焦耳熱。工業(yè)上利用這種熱效應(yīng)制動了高頻感應(yīng)電爐來冶煉金屬。這種電爐的爐壁上繞有線圈，當(dāng)線圈接通高頻大功率電源時，爐體內(nèi)隨之產(chǎn)生很強(qiáng)的高頻交變磁場。在爐體放置一定數(shù)量的金屬，金屬中便產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流致使金屬被加熱至熔化。)渦流檢測具有以下特點：由于檢測是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的，探頭線圈不需接觸工件，因此檢測速度快。（對管、棒材。每分鐘可檢測幾十米，線材可檢測幾百米實）易于實現(xiàn)

2、自動化檢測。對工件表面和近表面的缺陷，有較高的檢測靈敏度。能在高溫狀態(tài)下，對管、棒、線材和壞料等進(jìn)行檢測。渦流檢測技術(shù)是一種多用途的檢測技術(shù)，除探傷外，還能測量工件、涂層的厚度、間隙以及工件的機(jī)械和冶金性能等。能提供缺陷的信息。實驗結(jié)果可與檢測過程同時得到，記錄可長時期保存。由于感生渦流滲入工件的深度與頻率的平方根成反比（感生渦流具有趨膚效應(yīng)）。這個深度不大，因此，渦流檢測目前只能檢測表面及近表面的缺陷。另外，因為影響渦流檢測的因素如導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率、缺陷、工件形狀和尺寸以及探頭線圈與工件之間的距離等，要取得所希望得到的檢測參數(shù)，需要較復(fù)雜的信息處理技術(shù)。還有渦流檢測對復(fù)雜表面的檢測效率低。第一

3、節(jié)渦流(wli)檢測的物理基礎(chǔ)一、材料(cilio)的導(dǎo)電性(一)材料(cilio)的導(dǎo)電率根據(jù)歐姆定律，沿一段導(dǎo)體流動的電流強(qiáng)度與其兩端的電位差成正比。即：根據(jù)一定材料的導(dǎo)體，它的電阻與導(dǎo)體長度(L)成正比，與導(dǎo)體的截面積(S)成反比。即：我們稱為導(dǎo)體的電導(dǎo)率單位為：(mm2/m)或(cm)(二)影響電導(dǎo)率的因素1雜質(zhì)含量如果在導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，雜質(zhì)會影響原子的排列，引起電阻率的增加。2溫度隨著導(dǎo)體的溫度升高，導(dǎo)體內(nèi)的原子熱振動加劇，自由電子的碰撞機(jī)會增加，電阻率隨之增加。3冷熱加工材料的冷熱加工(ji gng)，可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使原子排列結(jié)構(gòu)變形。這時，電子受到碰撞次數(shù)增加，電阻率也會上升。

4、4合金(hjn)成份對于固溶合金(hjn)(雜質(zhì)在基體金屬內(nèi)均勻分布)，一般說來電阻率隨著合金成分的增加而增加。二、材料的磁特性(一)磁場及其量度(略)(二)電流產(chǎn)生的磁場(略)(三)材料的磁特性(略)(四)影響磁導(dǎo)率的因素1化學(xué)成份和熱處理狀態(tài)材料的化學(xué)成份和熱處理狀態(tài)不同，表現(xiàn)的磁導(dǎo)率也不同。如不同含碳量的碳鋼，在退火狀態(tài)比淬火材料磁導(dǎo)率要高，而隨著含碳量的提高，相對磁導(dǎo)率也會降低。2冷加工如300系列不銹鋼非磁性的奧氏體鋼經(jīng)冷卻加工后形成馬氏體相，就會增加磁導(dǎo)率。相反，大多數(shù)鐵磁材料的導(dǎo)磁率會減小。3溫度各種磁性材料的居里點：鐵(769)、鈷(11181124)、鎳(353358)、釔(

5、16)、滲碳體Fe2C(215)、硫化鐵FeS(320)、四氧化(ynghu)三鐵Fe3O4(575)、三氧化二鐵Fe2O3(620)、軟磁鐵氧體(50600) 三、電感(din n)感應(yīng)(一)電感(din n)感應(yīng)現(xiàn)象楞次定律：閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流有確定的方向，它所產(chǎn)生的磁通總是企圖阻礙原來磁通的變化。(二)電磁感應(yīng)定律閉合回路(螺線管回路)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，是由于這回路中有電動勢存在。法拉第最先確定了這種電動勢的大小和磁能量變化間的數(shù)量關(guān)系。法拉第根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)得出：式中：感應(yīng)電動勢d/dt是磁通隨時間的變化量上式為單匝線圈的回路，對于n匝線圈的回路其電電勢為：在MKS單位制中，

6、各物理量的單位如下：伏特、n匝、d韋伯、dt秒(三)自感應(yīng)現(xiàn)象在任意閉合回路中，當(dāng)接有線圈和負(fù)載時，回路中的電流(dinli)在空間作一點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，和電流強(qiáng)度成正比，因此，磁通量也和電流成正比。即有：=L0I比例(bl)系數(shù)L0叫做回路(hul)中的自感系數(shù)，它與回路的幾何形狀、大小、匝數(shù)及回路中的介質(zhì)有關(guān)。自感系數(shù)的常用單位是享利。回路中的自感電動勢0的關(guān)系式為：(四)互感應(yīng)現(xiàn)象如果有兩個螺線管線圈的閉合回路靠在一起，當(dāng)?shù)谝粋€通上電流I1，在第二個回路中就會產(chǎn)生感生電流。如果第二回路的互感系數(shù)為L21(享利)，在第二回路中產(chǎn)生的感生電動勢2，則有：第二節(jié) 渦流檢測的基本原理一、渦流

7、的產(chǎn)生及其數(shù)學(xué)表達(dá)式將兩上線圈作中安排，當(dāng)線圈1中通過變化電流時，會在另一個線圈中產(chǎn)生感生電動勢。如果線圈2是閉合的，就會有電流流過。若用金屬板來取代線圈2，這時金屬板的匝數(shù)相當(dāng)于1，電阻(dinz)為R(電阻很小)的一個線圈，在金屬板內(nèi)同樣會產(chǎn)生感生電流。由于這種電流的形狀呈旋渦狀，故稱為渦流。渦流現(xiàn)象可用下面的數(shù)學(xué)(shxu)等式進(jìn)行描述：如果通過探頭線圈的電流(dinli)是正弦電流，則有：該電流所產(chǎn)生的磁通量p與線圈的圈數(shù)N和電流ip成正比：pNip如果探頭線圈靠近工件，工件中將會產(chǎn)生渦流：式中：M線圈和試件的互感Zs試件的阻抗s試件的磁導(dǎo)率試件當(dāng)中的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、缺陷以及厚度等尺寸

8、的變化都會引起Zs的改變，所以通過檢測is的變化就可以檢測工作的材質(zhì)、尺寸和完整性。根據(jù)楞次定律，渦流磁場和探頭線圈所產(chǎn)生的磁場相反，故總的磁通量為：式中：S是渦流(wli)產(chǎn)生的磁通；P是線圈(xinqun)產(chǎn)生的磁通；E是在探測(tnc)試件時線圈中的總的磁通量。渦流的減少，引起線圈磁通量的減少，就等于線圈阻抗的減少。二、渦流的基本性質(zhì)1在垂直于磁力線的平面內(nèi)流動，呈旋渦狀，通常渦流的流動路徑平行于線圈的線阻，也平行于工作表面（決定于探頭線圈的結(jié)構(gòu)）。渦流僅局限于變化磁場存在的區(qū)域。2因為感應(yīng)電動勢與磁感應(yīng)的磁通量的變化速度成正比，所以磁場變化愈快，即交流電流的頻率愈高，所產(chǎn)生的渦流愈大。

9、3交流電流的頻率還決定了渦流在試件中流動的深度。我們所它叫穿透深度，隨著頻率的升高，穿透深度減小，渦流的分布均集中在試件的表面。（產(chǎn)生趨膚效應(yīng)的原因是：工件中不同深度流動著的渦流都要產(chǎn)生一個與原磁場相反的磁場，這使得總的磁通量減少并隨著深度的增加渦流也大大的消弱。換句話說，靠近表面的渦流可以看作為對線圈磁場的屏蔽，因而隨著深度的增加減弱了磁場并減少了感生電流。）4如果在無限大的平面導(dǎo)體內(nèi)，渦流密度隨著深度的增加呈指數(shù)地減小。三、缺陷(quxin)信號的接收缺陷所產(chǎn)生的信號(xnho)取決于受缺陷影響的電流信號的幅度和相位。位于表面比較小的缺陷和內(nèi)部比較大的缺陷可能在線圈阻抗幅度上產(chǎn)生同樣(tn

10、gyng)的變化。但是因為信號隨深度變化產(chǎn)生相位滯后，這將是線圈阻抗矢量不同的特征，這一效應(yīng)能幫助確定缺陷的位置。對于無限厚的材料：當(dāng)X為1mm時：式中：X表示離表面的距離表示表面的渦流信號和表面下的距離X處的渦流信號之間的相位差當(dāng)X等于穿透深度時，即為1mm時，相位滯后為57，或者一個弧度。如果穿透深度為以上2倍時（2mm），則反饋信號的渦流相位滯后表面渦流相位.114。在有限厚度的試件中，渦流相位滯后和標(biāo)準(zhǔn)相位滯后相比稍小一些。相位滯后在渦流檢測信號分析中起著重要的作用。（這里的相位滯后不要誤解為交流中電壓和電流之間的相位角，實際上，感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓隨著深度的變化(binhu)都有相位滯

11、后的問題。）第三節(jié)渦流檢測(jin c)設(shè)備一、探頭(tn tu)及其阻抗渦流檢測是通過測量渦流在工件中的流動分布來實現(xiàn)的。渦流的流動和分布是間接地測量探頭的阻抗來完成的。所以，有必要討論一下探頭的基本結(jié)構(gòu)及其阻抗。簡單的渦流探頭就是一只線圈，是一個電感和電阻串聯(lián)的電路，電感表示線圈的電抗部分，而電阻表示線圈中導(dǎo)線及其電纜的電阻。在渦流檢測中，如果探頭線圈接近工作之后，探頭的電阻分量或抗分量的改變都會改變阻抗矢量端點的位置，點通常稱為“工作點”。2接觸工件后的探頭模型檢測探頭線圈靠近或放置在工件上時，線圈可以被看成是變壓器的初級繞組。交流在線圈中所產(chǎn)生的磁場在工件中感應(yīng)出渦流，這時工件的作用正

12、如一個單匝的次級線圈繞組。渦流產(chǎn)生的磁場將線圈中的磁通p減弱。如果工件中有缺陷(quxin)或者材質(zhì)、尺寸的變化，會引起Zs改變，可以通過測量探頭線圈兩端的電壓Vp(Vp=TpZp)來“感知(gnzh)”Zs的變化。根據(jù)變壓器工作原理，Zp隨次極的負(fù)載而變化，所以(suy)通過測量Zp可以得到次極負(fù)載中（即工件）電阻分量Rs和電感分量Ls的變化。（渦流檢測中有時也采用收、發(fā)探頭，它使用兩個線圈。）二、渦流檢測儀渦流檢測儀的各類儀器電路的組成有所不同，但工作原理基本是相同的。渦流檢測儀的基本原理：信號發(fā)生器產(chǎn)生交變電流供給檢測線圈，線圈產(chǎn)生交變磁場并在工件中感生渦流，渦流受到工件性能的影響并反過

13、來使線圈阻抗發(fā)生變化，然后通過信號檢出電路取出線圈阻抗的變化，其中包括信號放大、信號處理消除干擾，最后顯示檢測結(jié)果。1振蕩器振蕩器的作用是產(chǎn)生一個交變電流(dinli)(通常是正弦電流)。頻率一般在1KH至幾MHz，固定頻率或連續(xù)可調(diào)。對于某些特殊應(yīng)用，也可產(chǎn)生更低或更高的頻率，甚至使用脈沖電流激勵探頭線圈。(在確定檢測頻率時，要考慮材質(zhì)、試樣尺寸(ch cun)等因素。)2電橋(din qio)電橋的作用是利用電橋的平衡檢測功能檢測探頭阻抗的微小變化(因為探頭經(jīng)過缺陷，有時阻抗的變化還小于1%)，從而給放大器提供變化的信息信號。3放大器放大器用于放大微弱的輸入信號，提高檢測靈敏度。一個較好的

14、渦流檢測儀，放大器增益可達(dá)80分貝左右。4移相器將某一個給定的電壓矢量旋轉(zhuǎn)一個固定的相角的裝置稱為移相器，為了選擇任意相角，移相器最好能進(jìn)行360移相而且保持輸出輻度不變。移相器的作用主要是提供參考相位。5相敏檢波器相敏檢測器的作用主要是選擇控制信號的相位和干擾信號相差90進(jìn)行檢波，在輸出信號中消除干擾信號而保留有用信號(因為干擾信號和有用信號之間存在相位差)。(一般采用場效應(yīng)管作為開關(guān)元件。)6濾波器濾波器的作用是選擇合適的通過頻率來濾掉干擾信號。如探頭和工件之間間隙變化、工件因加工工藝(軋、熱處理、校直等)而引起的材質(zhì)變化都會產(chǎn)生一個(y )低頻調(diào)幅波，而缺陷一般產(chǎn)生的是時間短的高頻調(diào)制波。7幅度(fd)鑒別器幅度鑒別器的作用是建立一個鑒別電平，這樣，在此電平以下的噪聲信號均可濾掉，提高(t go)信噪比，有利于缺陷信號的觀察和分析，提高檢測結(jié)果判斷的準(zhǔn)確性。(因為經(jīng)過相位分析和頻率分析以后除了有用信號外，還伴有被測信號同一數(shù)量級的雜波干擾信號，這些雜波的存在會給缺陷信號的觀察帶來不便。)8顯示器顯示器的作用是將處理后的缺陷信號通過電表、顯示屏等顯示出來，給工作者提供判斷缺陷的依據(jù)。9記錄裝置記錄裝置的作用是將缺陷信號的顯示存儲或打印記錄下來。(如