涡流检测第三章精.ppt

涡流检测第三章第1页，本讲稿共63页第第3章章 涡流检测涡流检测3.1基本原理基本原理 3.1.1电磁感应及涡流电磁感应及涡流 3.1.1.1电磁感应现象电磁感应现象 3.1.1.2涡流及其集肤效应涡流及其集肤效应3.1.2阻抗分析法阻抗分析法 3.1.2.1线圈的阻抗和归一化阻抗线圈的阻抗和归一化阻抗 3.1.2.2有效磁导率和特征频率有效磁导率和特征频率 3.1.2.3穿过式线圈的阻抗分析穿过式线圈的阻抗分析 3.1.2.4放置式线圈的阻抗分析放置式线圈的阻抗分析第2页，本讲稿共63页 3.1.13.1.1电磁感应及涡流电磁感应及涡流3.1.1.13.1.1.1电磁感应现象电磁感应现象电磁感应现象是指电和磁之间相互感应的现象，包括电感生磁和磁电磁感应现象是指电和磁之间相互感应的现象，包括电感生磁和磁感生电两种情况。感生电两种情况。在任何电磁感应现象中，无论是怎样的闭合路径，只要穿过路径围成的在任何电磁感应现象中，无论是怎样的闭合路径，只要穿过路径围成的面内的磁通量有了变化，就会有感应电动势产生；面内的磁通量有了变化，就会有感应电动势产生；任何不闭合的路径，只要切割磁力线，也会有感应电动势的产生。任何不闭合的路径，只要切割磁力线，也会有感应电动势的产生。感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。闭合回路内的感应电感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。闭合回路内的感应电流所产生的磁场总是组碍引起感生电流的磁通变化，这个电流的流所产生的磁场总是组碍引起感生电流的磁通变化，这个电流的方向就是感应电动势的方向。对于导线切割磁力线时的感应电动方向就是感应电动势的方向。对于导线切割磁力线时的感应电动势方向还可用右手定则来确定。势方向还可用右手定则来确定。第3页，本讲稿共63页一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律指出，通过闭合回路所包括法拉第电磁感应定律指出，通过闭合回路所包括的面积内的磁通量发生变化时，回路中将产生的面积内的磁通量发生变化时，回路中将产生感生电感生电感生电感生电动势动势动势动势。感生电动势。感生电动势E与闭合回路内的磁通量变化率成与闭合回路内的磁通量变化率成正比。正比。式中：式中：N线圈的匝数；线圈的匝数；磁通量的变化率磁通量的变化率“-”表示感生电动势反抗回路中的磁通的变化表示感生电动势反抗回路中的磁通的变化第4页，本讲稿共63页长度为的长导线在均匀的磁场中作切割磁力线运动时，在导体中产生的长度为的长导线在均匀的磁场中作切割磁力线运动时，在导体中产生的感应电动势为：感应电动势为：Ei=Blvsina式中：磁感应强度，单位是式中：磁感应强度，单位是导线长度，单位是导线长度，单位是导线运动的速度，单位是导线运动的速度，单位是导线运动的方向与磁场间的夹角导线运动的方向与磁场间的夹角第5页，本讲稿共63页二、自感二、自感二、自感二、自感自感现象：当线圈中通有随时间变化的交变电流时，其产自感现象：当线圈中通有随时间变化的交变电流时，其产自感现象：当线圈中通有随时间变化的交变电流时，其产自感现象：当线圈中通有随时间变化的交变电流时，其产生的交变磁通量也必将在本线圈中产生感应电动势。生的交变磁通量也必将在本线圈中产生感应电动势。生的交变磁通量也必将在本线圈中产生感应电动势。生的交变磁通量也必将在本线圈中产生感应电动势。当回路磁通量发生变化时，回路中会产生感生电动势。当回路磁通量发生变化时，回路中会产生感生电动势。同样，当回路中通过的电流发生变化时，也会引起回路磁通变同样，当回路中通过的电流发生变化时，也会引起回路磁通变化，从而在回路中产生感生电动势。由于这种感生电动势是自化，从而在回路中产生感生电动势。由于这种感生电动势是自感回路电路引起的，因此称为感回路电路引起的，因此称为自感电动势自感电动势，用，用表示。表示。第6页，本讲稿共63页式中：式中：L自感系数，与线圈尺寸、几何形状、匝数和自感系数，与线圈尺寸、几何形状、匝数和线圈中的媒质分布有关，而与通过线圈的电流无关：线圈中的媒质分布有关，而与通过线圈的电流无关：回路中电流的变化率：回路中电流的变化率：“-”表示自感电动势反抗回路中电路的变化。表示自感电动势反抗回路中电路的变化。三、互感三、互感三、互感三、互感当两个线圈互相靠近时，任何一个线圈的电流当两个线圈互相靠近时，任何一个线圈的电流发生变化，都发生变化，都会引起另一个线圈内、磁通量的变化，会引起另一个线圈内、磁通量的变化，从而在另一个线圈中产生感从而在另一个线圈中产生感生电动势。这种线圈间生电动势。这种线圈间相互激起感生电动势的现象称为相互激起感生电动势的现象称为互感互感互感互感。第7页，本讲稿共63页当线圈当线圈1、2靠近时，线圈靠近时，线圈1中电流中电流变化在线圈变化在线圈2中激起的感生电动势为中激起的感生电动势为，线圈，线圈2中的电流中的电流变化在变化在线圈线圈1中激起的感生电动势为中激起的感生电动势为。式中：式中：M互感系数，与两线圈形状、尺寸、匝数、互感系数，与两线圈形状、尺寸、匝数、周围媒质、材料的磁导率、相对位置等有关。周围媒质、材料的磁导率、相对位置等有关。线圈线圈1中电流的变化率；中电流的变化率；线圈线圈2中电流中电流的变化率；的变化率；表示互感电动势反抗回路中电流的变化。表示互感电动势反抗回路中电流的变化。“”耦合系数耦合系数第8页，本讲稿共63页一、涡流与涡流检测（一、涡流与涡流检测（一、涡流与涡流检测（一、涡流与涡流检测（P23P23）图图图图 涡流检测的原理涡流检测的原理涡流检测的原理涡流检测的原理3.1.1.2 3.1.1.2 涡流及其集肤效应涡流及其集肤效应第9页，本讲稿共63页二、集肤效应与涡流渗入深度二、集肤效应与涡流渗入深度二、集肤效应与涡流渗入深度二、集肤效应与涡流渗入深度直流电通过圆柱体导体时，导体横截面上的电流密度直流电通过圆柱体导体时，导体横截面上的电流密度基本上均匀的。但当交流电通过圆柱体导体时，横截面上的电基本上均匀的。但当交流电通过圆柱体导体时，横截面上的电流密度不在是均匀的了，而是导体表面电流密度大，中心电流流密度不在是均匀的了，而是导体表面电流密度大，中心电流密度小，这种电流主要集中在导体表面的现象称为密度小，这种电流主要集中在导体表面的现象称为趋肤效应趋肤效应趋肤效应趋肤效应或集肤效应或集肤效应或集肤效应或集肤效应。第10页，本讲稿共63页电流密度从表面至中心的电流密度从表面至中心的变化规律变化规律变化规律变化规律为为式中式中 I0 -无限大无限大导体半表面的涡流密度，导体半表面的涡流密度，A Ix -至表面至表面x深处的涡流密度，深处的涡流密度，AX-至表面的距离至表面的距离，mf-电流频率，电流频率，Hz-导体磁导率，导体磁导率，H/m-导体电导率，导体电导率，S/m第11页，本讲稿共63页：标准透入深度（集肤深度）：标准透入深度（集肤深度）：标准透入深度（集肤深度）：标准透入深度（集肤深度）：当涡流密度衰减到其表面值的当涡流密度衰减到其表面值的1/e时的透入深度时的透入深度涡流透入导体的距离称为透入深度涡流透入导体的距离称为透入深度对于非铁磁性材料对于非铁磁性材料=o 410-7 H/m 通常定义通常定义2.6倍的标准透入深度为涡流的有效透入深度。其意义是：将倍的标准透入深度为涡流的有效透入深度。其意义是：将2.6倍倍的标准透入深度范围内的标准透入深度范围内90%的涡流视为对涡流检测线圈产生有效影响，其的涡流视为对涡流检测线圈产生有效影响，其余范围以外的余范围以外的10%的影响忽略不计。的影响忽略不计。第12页，本讲稿共63页第13页，本讲稿共63页一、线圈的阻抗一、线圈的阻抗一、线圈的阻抗一、线圈的阻抗电阻电阻R与电感与电感L串联的电路，如下图串联的电路，如下图(a)图图图图线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量（a)电感电阻串联电路电感电阻串联电路电感电阻串联电路电感电阻串联电路（b）电压向量电压向量电压向量电压向量（c）阻抗向量阻抗向量阻抗向量阻抗向量3.1.23.1.2阻抗分析法阻抗分析法3.1.2.13.1.2.1线圈的阻抗和归一化阻抗线圈的阻抗和归一化阻抗第14页，本讲稿共63页这时这时电感电感电感电感L L两端的电压两端的电压两端的电压两端的电压为为通过电阻通过电阻通过电阻通过电阻R R两端的电流和电压两端的电流和电压两端的电流和电压两端的电流和电压为为第15页，本讲稿共63页式中式中Z线圈的阻抗线圈的阻抗I通过线圈的电流通过线圈的电流超超前前，因此电阻与电感，因此电阻与电感两端的总电压两端的总电压两端的总电压两端的总电压为为的相位关系如图的相位关系如图(b)所示，所示，总比总比与与第16页，本讲稿共63页总电压总电压U与与UR的的相位角相位角相位角相位角为为线圈阻抗向量图如图（线圈阻抗向量图如图（c）所示。易知，）所示。易知，电压三角形与阻抗三角形相似电压三角形与阻抗三角形相似第17页，本讲稿共63页实际应用中，用复数表示实际应用中，用复数表示阻抗阻抗阻抗阻抗。其中其中线圈电阻线圈电阻电流频率电流频率线圈电感线圈电感虚数的单位，虚数的单位，第18页，本讲稿共63页 二、耦合线圈的阻抗二、耦合线圈的阻抗二、耦合线圈的阻抗二、耦合线圈的阻抗第19页，本讲稿共63页按按图示图示中的电流假定方向，可以得回路的中的电流假定方向，可以得回路的复数电压方程复数电压方程复数电压方程复数电压方程解此方程组得：解此方程组得：第20页，本讲稿共63页R1、R2线圈、工件中的电阻；线圈、工件中的电阻；M互感系数；互感系数；线圈线圈输入电压复数值；输入电压复数值；线圈线圈电电流流复数值复数值电流频率。电流频率。第21页，本讲稿共63页折合阻抗折合阻抗视在阻抗视在阻抗第22页，本讲稿共63页设耦合系数设耦合系数则则（1）当工件回路断开时，）当工件回路断开时，得得说明工件回路断开时，检测线圈的说明工件回路断开时，检测线圈的阻抗阻抗Z1仅取决于仅取决于。R1和和说明工件回路短路时，检测线圈的阻抗说明工件回路短路时，检测线圈的阻抗Z1与与R1、和和K有关有关。（2）当工件回路短路时，当工件回路短路时，得得第23页，本讲稿共63页二、阻抗归一化二、阻抗归一化二、阻抗归一化二、阻抗归一化归一化后归一化后,阻抗曲线阻抗曲线仅仅取决仅仅取决于耦合系于耦合系数数,而与原而与原边线圈的边线圈的电阻和激电阻和激励频率无励频率无关关.第24页，本讲稿共63页归一化处理的阻抗平面图的特点归一化处理的阻抗平面图的特点:1、他消除了一次线圈电阻和电感的影响，具有通用性。、他消除了一次线圈电阻和电感的影响，具有通用性。2、阻抗图的曲线以一系列影响阻抗的因素（如电导率、磁导率等）、阻抗图的曲线以一系列影响阻抗的因素（如电导率、磁导率等）作参量。作参量。3、阻抗图定量地表示出各影响阻抗因素的效应大小和方向，为涡流、阻抗图定量地表示出各影响阻抗因素的效应大小和方向，为涡流检测时选择检验的方法和条件，为减少各种效应的干扰提供了参考检测时选择检验的方法和条件，为减少各种效应的干扰提供了参考依据。依据。4、对于各种类型的工件和检测线圈，有各自对应的阻抗图。、对于各种类型的工件和检测线圈，有各自对应的阻抗图。第25页，本讲稿共63页3.1.2.23.1.2.2有效磁导率和特征频率有效磁导率和特征频率有效磁导率和特征频率有效磁导率和特征频率 事事实实上上涡涡流流的的磁磁场场分分布布是是不不均均匀匀的的，这这种种不不均均匀匀的的磁磁场场分分布布给给理理论论计计算算带带来来困困难难，为为了了处处理理方方便便特特引引进进有有效效磁磁导导率率。用用一一个个恒恒定定的的磁磁场场和和变变化化的的磁磁导导率率取取代代事事实实上上变变化化的的磁磁场场和和恒恒定定不不变变的的磁磁导导率，这个引进的磁导率就称为率，这个引进的磁导率就称为有效磁导率有效磁导率有效磁导率有效磁导率。其相关图如下图所示其相关图如下图所示一、有效磁导率一、有效磁导率一、有效磁导率一、有效磁导率 第26页，本讲稿共63页图图图图涡流磁场涡流磁场涡流磁场涡流磁场第27页，本讲稿共63页(a)引进引进前的磁场分布前的磁场分布(b)引进引进后的磁场分布后的磁场分布第28页，本讲稿共63页对于对于磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料，磁导率为，磁导率为式中式中真空磁导率；真空磁导率；相对磁导率相对磁导率；有效磁导率；有效磁导率；对于对于非磁性材料非磁性材料非磁性材料非磁性材料，磁导率为，磁导率为第29页，本讲稿共63页在讨论有效磁导率的计算公式之前先做如下三个假设：在讨论有效磁导率的计算公式之前先做如下三个假设：（1）圆柱体充分长，并完全充满线圈。圆柱体充分长，并完全充满线圈。圆柱体充分长，并完全充满线圈。圆柱体充分长，并完全充满线圈。（2）激励电流为单一的正弦波。激励电流为单一的正弦波。激励电流为单一的正弦波。激励电流为单一的正弦波。（3）试件的电导率、磁导率试件的电导率、磁导率试件的电导率、磁导率试件的电导率、磁导率不变。不变。不变。不变。在在以以上上假假设设条条件件下下，根根据据磁磁通通量量的的概概念念，可可以以得得出出 圆柱体内得圆柱体内得总磁通总磁通总磁通总磁通为为第30页，本讲稿共63页根根据据理理论论麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组可可以以求求出出圆圆柱柱体体内实际的总磁通内实际的总磁通。圆柱体半径；圆柱体半径；式中式中零阶贝塞尔函数，零阶贝塞尔函数，由此导出由此导出有效磁导率有效磁导率有效磁导率有效磁导率。第31页，本讲稿共63页一阶贝塞尔函数一阶贝塞尔函数第32页，本讲稿共63页令令，即，即得得式中式中真空中磁导率，真空中磁导率，相对磁导率，非磁性材料，相对磁导率，非磁性材料，=1；试样的电导率试样的电导率（）(西门子西门子/米米)；实际应用中把函数变量的模等于实际应用中把函数变量的模等于1的频率称为的频率称为特特特特征频率征频率征频率征频率或或界限频率界限频率界限频率界限频率，用，用fgfg表示。表示。二、特征频率二、特征频率二、特征频率二、特征频率 第33页，本讲稿共63页圆柱体的半径（圆柱体的半径（m）；）；特征频率（特征频率（Hz）.，上式变为上式变为以以cm为单位时，为单位时，式中式中圆柱体直径（圆柱体直径（cm）。）。对于非铁磁性材料对于非铁磁性材料第34页，本讲稿共63页对于一般的试件频率，对于一般的试件频率，贝塞尔函数的变量贝塞尔函数的变量贝塞尔函数的变量贝塞尔函数的变量可表示为可表示为以此代入计算以此代入计算有效磁导率有效磁导率有效磁导率有效磁导率的公式得的公式得由由上上式式可可知知，有有效效磁磁导导率率是是一一个个含含有有实实部部和和虚虚部部得得复复数数，它它是是变量的函数，与其他的因素无关。变量的函数，与其他的因素无关。有效磁导率随着有效磁导率随着f/fg的增大，虚部先增大后减小，实部逐的增大，虚部先增大后减小，实部逐渐减小。渐减小。第35页，本讲稿共63页三、涡流相似律三、涡流相似律三、涡流相似律三、涡流相似律由由前前页页的的磁磁导导率率公公式式可可知知，有有效效磁磁导导率率完完全全取取决决于于频频率率比比。而而是是描描述述试试件件内内涡涡流流和和磁磁场场分分布布的的物物理理量量。因因此此试试件件中中涡涡流流和和磁磁场场的的分分布布仅仅是是的的函函数数。对对于于两两个个形形状状相相似似的的不不同同试试件件，如如果果二二者者的的频频率率比比相相同同，那那么么这这两两个个试试件件的的有有效效磁磁导导率率就就相相同同，它它们们的的涡涡流流和和磁磁场场分分布布就就相相似似。这这种种频频率率比比相相同同的的两两试试件件，其其涡涡流流和磁场分布相似的现象称为和磁场分布相似的现象称为涡流检测相似律涡流检测相似律涡流检测相似律涡流检测相似律。第36页，本讲稿共63页由此得由此得两试件涡流分布相似的条件两试件涡流分布相似的条件两试件涡流分布相似的条件两试件涡流分布相似的条件为为或或式中式中、试件试件1、2的检测频率；的检测频率；、试件试件1、2的磁导率；的磁导率；、试件试件1、2的电导率；的电导率；、试件试件1、2的直径。的直径。第37页，本讲稿共63页3.1.2.33.1.2.3穿过式线圈的阻抗分析穿过式线圈的阻抗分析穿过式线圈的阻抗分析穿过式线圈的阻抗分析 一、线圈感应电动势与阻抗一、线圈感应电动势与阻抗一、线圈感应电动势与阻抗一、线圈感应电动势与阻抗第38页，本讲稿共63页穿过式螺线管线圈的磁通量 单位长度螺线管上产生的感应电动势 空载时,螺线管线圈的磁通量 单位长度螺线管上产生的感应电动势 归一化电动势 为线圈的填充系数第39页，本讲稿共63页含导电圆柱体时含导电圆柱体时,单位长度螺线管上产生的阻抗单位长度螺线管上产生的阻抗空载时空载时,单位长度线圈的阻抗单位长度线圈的阻抗归一化阻抗归一化阻抗为线圈的填充系数为线圈的填充系数归一化阻抗归一化阻抗第40页，本讲稿共63页二、含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析二、含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析二、含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析二、含圆柱体穿过式线圈的阻抗分析含导电圆柱体螺线管的归一阻抗和归一电动势都可以表示为下面含导电圆柱体螺线管的归一阻抗和归一电动势都可以表示为下面的特征函数的特征函数影响线圈阻抗的因素是材料自身的性质和线圈与试件的电磁耦合状况，影响线圈阻抗的因素是材料自身的性质和线圈与试件的电磁耦合状况，主要包括：试件的电导率、磁导率、几何尺寸、缺陷及试验频率。主要包括：试件的电导率、磁导率、几何尺寸、缺陷及试验频率。第41页，本讲稿共63页1 1 1 1、电导率的影响、电导率的影响、电导率的影响、电导率的影响试件电导率对线圈阻抗的影响如下图所示。试件电导率对线圈阻抗的影响如下图所示。非铁磁性材料非铁磁性材料1）电导率引起频率比变）电导率引起频率比变化，从而引起有效磁导率化，从而引起有效磁导率变化。变化。2）引起的变化效应处于）引起的变化效应处于阻抗曲线的切线方向。阻抗曲线的切线方向。3）可以利用）可以利用ET的方法进的方法进行材料的电导率测量和材行材料的电导率测量和材质的分选等工作。质的分选等工作。第42页，本讲稿共63页2 2 2 2、磁导率的影响、磁导率的影响、磁导率的影响、磁导率的影响+对于非铁磁性材料，磁导率对于非铁磁性材料，磁导率对阻抗没有影响。对阻抗没有影响。磁导率变化，一方面改变频率比，从磁导率变化，一方面改变频率比，从而改变有效磁导率；另一方面，它还而改变有效磁导率；另一方面，它还改变特性函数中的改变特性函数中的影响效果，在弦向曲线的方向上。影响效果，在弦向曲线的方向上。用相敏技术可以鉴别电导率的变化和用相敏技术可以鉴别电导率的变化和磁导率的变化。频率比小于等于磁导率的变化。频率比小于等于15，具有良好的分辨率。具有良好的分辨率。第43页，本讲稿共63页3 3 3 3、试件的几何尺寸、试件的几何尺寸、试件的几何尺寸、试件的几何尺寸试件半径变化，一方面改变频率比，从而试件半径变化，一方面改变频率比，从而改变有效磁导率；另一方面，它还填充系改变有效磁导率；另一方面，它还填充系数的大小。数的大小。影响效果，在弦向曲线的方向上。影响效果，在弦向曲线的方向上。用相敏技术可以鉴别电导率的变化用相敏技术可以鉴别电导率的变化和半径的变化。频率比大于和半径的变化。频率比大于4，具有，具有良好的分辨率。良好的分辨率。当试件是非铁磁性材料时，半径的增加引当试件是非铁磁性材料时，半径的增加引起有效磁导率的降低，铁磁性材料相反。起有效磁导率的降低，铁磁性材料相反。（磁场增量超过涡流对磁场的削弱量）（磁场增量超过涡流对磁场的削弱量）第44页，本讲稿共63页4 4 4 4、缺陷、缺陷、缺陷、缺陷下图表示下图表示时非磁性材料圆柱体裂纹缺陷时非磁性材料圆柱体裂纹缺陷时非磁性材料圆柱体裂纹缺陷对线圈阻抗的影响。时非磁性材料圆柱体裂纹缺陷对线圈阻抗的影响。实际涡流检测中，频率比实际涡流检测中，频率比在在5150的范围内具有实际的范围内具有实际意义意义皮下裂纹的最佳频率比为皮下裂纹的最佳频率比为420；表面裂纹的最佳频率比为表面裂纹的最佳频率比为1050；所以，裂纹的最佳频率比为所以，裂纹的最佳频率比为1020。铁磁性材料裂纹产生效应，与直径变化和磁导率变化引起的效应不同，铁磁性材料裂纹产生效应，与直径变化和磁导率变化引起的效应不同，有较大的夹角，适当的选择工作频率（频率比小于有较大的夹角，适当的选择工作频率（频率比小于10），可以进行检测。），可以进行检测。第45页，本讲稿共63页5 5 5 5、试验频率、试验频率、试验频率、试验频率试验频率对线圈阻抗的影响如下图所示。试验频率对线圈阻抗的影响如下图所示。非铁磁性材料非铁磁性材料频率引起频率比变化，从频率引起频率比变化，从而引起有效磁导率变化。而引起有效磁导率变化。引起的变化效应处于阻抗引起的变化效应处于阻抗曲线的切线方向，和电导曲线的切线方向，和电导率引起的效应方向在阻抗率引起的效应方向在阻抗图上是一致的。图上是一致的。第46页，本讲稿共63页三、含导电管材的穿过式线圈的阻抗分析三、含导电管材的穿过式线圈的阻抗分析三、含导电管材的穿过式线圈的阻抗分析三、含导电管材的穿过式线圈的阻抗分析设检测线圈的内径为设检测线圈的内径为D，管子外径为，管子外径为d0、外径为外径为di，则对于外通，则对于外通过式线圈，填充系数为：过式线圈，填充系数为：则对于内穿过式线圈，填充系数为：则对于内穿过式线圈，填充系数为：在在涡涡流流检检测测中中，管管形形试试件件的的检检测测有有两两种种方方法法。一一种种是是采采用用外外通通过过式式线线圈圈检检测测试试件件外外表表面面的的缺缺陷陷或或物物性性变变化化。另另一一种种是是采采用内穿过式线圈检测试件内表面的缺陷或物性变化。用内穿过式线圈检测试件内表面的缺陷或物性变化。在在涡涡流流检检测测中中，将将管管材材分分为为两两大大类类：薄薄壁壁管管和和厚厚壁壁管管。薄薄壁管是指管子壁厚较之管径甚小的管子。壁管是指管子壁厚较之管径甚小的管子。第47页，本讲稿共63页1 1 1 1、薄壁管的情况、薄壁管的情况、薄壁管的情况、薄壁管的情况试件的试件的特征频率特征频率特征频率特征频率为为非铁磁性薄壁管有效磁导率曲线非铁磁性薄壁管有效磁导率曲线式中式中试件相对磁导率；试件相对磁导率；试样的电导率（试样的电导率（MS/m)试件内径试件内径(cm)(cm)W W 试件的壁厚试件的壁厚(cm)(cm)影响阻抗的因素影响阻抗的因素:电导率、磁导率、管材外径、管电导率、磁导率、管材外径、管材内径、管材壁厚，材内径、管材壁厚，内外表面缺陷、管材的偏心度、内外表面缺陷、管材的偏心度、试验频率试验频率 采用外通过式线圈对非铁磁性薄壁管进行涡流检测时，影响涡流分采用外通过式线圈对非铁磁性薄壁管进行涡流检测时，影响涡流分布的最重要因素是管的壁厚。布的最重要因素是管的壁厚。第48页，本讲稿共63页电导率、di不变，d0变化时的线圈阻抗平面图线圈直径不变，di/d0为常数时，外通过式线圈填充系数随d0变化，内穿过式线圈填充系数随di变化的阻抗平面图如果外径不变，左图这些曲线可用来表示电导率、内径、壁厚的变化，弦向分布的曲线表示外径变化效应所引起的阻抗改变方向的效果。如果内径不变，外径的变化引起两种效应，一是外径效应的效果，如左图的弦向方向，另一是带来的壁厚改变所引起的效果，是频率比改变，阻抗值到新频率比的位置（如左图）+外壁裂纹引起的阻抗变化效果与内径不变，外径改变所引起的效果相同(右图)+内壁裂纹引起的阻抗变化效果与外径不变，内径改变所引起的效果相同(左图)涡流检测中，有效磁导率曲线虚部分量达到最大值点，为最高灵敏度点。一般在检测薄壁管中的裂纹和测量管子的合金成分或壁厚时，试验频率区频率比为0.4-2.4对应的频率段。第49页，本讲稿共63页2 2 2 2、厚壁管的情况、厚壁管的情况、厚壁管的情况、厚壁管的情况试件的试件的特征频率特征频率特征频率特征频率为为=1，外径为常数，厚壁管特性变，外径为常数，厚壁管特性变化对化对非铁磁性穿过式线圈的阻抗变化非铁磁性穿过式线圈的阻抗变化的影响的影响式中式中试件相对磁导率；试件相对磁导率；试样的电导率（试样的电导率（MS/m)试件内径试件内径(cm)(cm)直径效应和电导率效应之间有较大的夹角。直径效应和电导率效应之间有较大的夹角。管件内外壁裂纹的阻抗曲线间有相移，随着管件内外壁裂纹的阻抗曲线间有相移，随着f/fgf/fg、W/r0(r0W/r0(r0为管的外半径）的增加而增为管的外半径）的增加而增加，同时，那些既不在内壁也不在外壁表面加，同时，那些既不在内壁也不在外壁表面下的裂纹影响略小于同样深度的表面裂纹的下的裂纹影响略小于同样深度的表面裂纹的影响。影响。第50页，本讲稿共63页非铁磁性厚壁管内穿过式线圈的阻抗非铁磁性厚壁管内穿过式线圈的阻抗平面图平面图当管的内径保持不变，而当管的内径保持不变，而管材的电导率或试验频率管材的电导率或试验频率改变时，线圈阻抗沿改变时，线圈阻抗沿f/fgf/fg曲线移动，与内径变化时阻曲线移动，与内径变化时阻抗曲线的移动，两者之间具抗曲线的移动，两者之间具有较大的夹角，容易分离，有较大的夹角，容易分离，因此，利用内穿过式线圈对因此，利用内穿过式线圈对管件内部进行检测，对腐蚀管件内部进行检测，对腐蚀效应有良好的检测结果。效应有良好的检测结果。第51页，本讲稿共63页3.1.2.43.1.2.4放置式穿过式线圈的阻抗分析放置式穿过式线圈的阻抗分析放置式穿过式线圈的阻抗分析放置式穿过式线圈的阻抗分析 一、影响阻抗变化的主要因素一、影响阻抗变化的主要因素一、影响阻抗变化的主要因素一、影响阻抗变化的主要因素根据用处、结构、形状不同，有各自的名称：笔式探头、根据用处、结构、形状不同，有各自的名称：笔式探头、钩式探钩式探头、平探头和孔探头。头、平探头和孔探头。实际的实际的ET中，影响因素：中，影响因素：提离、电导率、磁导率、频率、缺陷、提离、电导率、磁导率、频率、缺陷、工件厚度、线圈的直径工件厚度、线圈的直径。1、提离效应的影响、提离效应的影响提离效应是指应用点式线圈时提离效应是指应用点式线圈时,线圈与工件之间的距离变化线圈与工件之间的距离变化会引起检测线圈阻抗的变化。会引起检测线圈阻抗的变化。原因：由于线圈和工件之间距离的变化会使到达工件的磁力线发生变原因：由于线圈和工件之间距离的变化会使到达工件的磁力线发生变化，改变了工件中的磁通，从而影响到线圈的阻抗。化，改变了工件中的磁通，从而影响到线圈的阻抗。第52页，本讲稿共63页2、边缘效应的影响、边缘效应的影响ET时，提离效应影响很大，多用适当的电学方法予以抑时，提离效应影响很大，多用适当的电学方法予以抑制；但也可以利用它，利用提离效应可以测量金属表面涂层制；但也可以利用它，利用提离效应可以测量金属表面涂层或绝缘覆盖层的厚度。或绝缘覆盖层的厚度。当线圈移近工件的边缘时，涡流流动的路径发生畸变，会产当线圈移近工件的边缘时，涡流流动的路径发生畸变，会产生生“边缘效应边缘效应”干扰信号。干扰信号。干扰信号一般远远超过所要检测的信号，在实际干扰信号一般远远超过所要检测的信号，在实际ET中，利用一些中，利用一些电的或机械的方法来消除边缘效应的干扰电的或机械的方法来消除边缘效应的干扰第53页，本讲稿共63页3、工件电导率、磁导率的影响、工件电导率、磁导率的影响1 1）随着电阻率的增加，阻抗值沿着阻抗曲线）随着电阻率的增加，阻抗值沿着阻抗曲线向上移动。向上移动。2 2）对非铁磁性材料，相对磁导率为）对非铁磁性材料，相对磁导率为1 1，不，不影响阻抗。影响阻抗。3 3）对铁磁性性材料，相对磁导率远远大于）对铁磁性性材料，相对磁导率远远大于1 1，对阻抗影响显著。对阻抗影响显著。对高磁导率的铁磁性材料检测时，由于磁导率不对高磁导率的铁磁性材料检测时，由于磁导率不是一个常数，微小的磁导率都会引起很大的本底是一个常数，微小的磁导率都会引起很大的本底噪声。噪声。消除方法：用直流磁化将被检工件磁化到饱和，消除方法：用直流磁化将被检工件磁化到饱和，是磁导率变小，达到某一常数。是磁导率变小，达到某一常数。第54页，本讲稿共63页4、试验频率的影响、试验频率的影响频率和电导率在阻抗图上的效应是一频率和电导率在阻抗图上的效应是一致的。致的。阻抗图是以阻抗图是以f/fg为参数描绘出来的，为参数描绘出来的，f/fg一般取一般取1040。若若f/fg过小，则电导率变化方向与直过小，则电导率变化方向与直径变化方向的夹角很小，用相位分离径变化方向的夹角很小，用相位分离法难以分离，但也不宜过大。法难以分离，但也不宜过大。频率增大时，由于集肤效应，涡流会频率增大时，由于集肤效应，涡流会局限于表面薄层流动；频率降低时，局限于表面薄层流动；频率降低时，深入深度增大，阻抗值沿曲线向上移深入深度增大，阻抗值沿曲线向上移动。动。第55页，本讲稿共63页5、工件厚度的影响、工件厚度的影响工件变薄时，阻抗值沿工件变薄时，阻抗值沿曲线向上移动。与电阻曲线向上移动。与电阻率增大的效应相似。率增大的效应相似。第56页，本讲稿共63页6、线圈直径的影响、线圈直径的影响线圈直径增加，线圈直径增加，阻抗值沿曲线向阻抗值沿曲线向下移动，与频率下移动，与频率增大的效应相似。增大的效应相似。原因：线圈直径的原因：线圈直径的增加使工件的磁通增加使工件的磁通密度增加了，增大密度增加了，增大了涡流值，这相当了涡流值，这相当于电导率的增大于电导率的增大第57页，本讲稿共63页二、特征参数二、特征参数二、特征参数二、特征参数特征参数是指将频率、线圈直径和工件参数结合在一起得到的一个参数。特征参数是指将频率、线圈直径和工件参数结合在一起得到的一个参数。r线圈的平均半径线圈的平均半径图中，实线表示当提离为图中，实线表示当提离为常数时，常数时，Pc从零增加到无从零增加到无穷大所得到的阻抗曲线。穷大所得到的阻抗曲线。虚线表示当虚线表示当Pc保持不变时，保持不变时，探头从无穷远到和工件接触探头从无穷远到和工件接触所得到的曲线。所得到的曲线。第58页，本讲稿共63页特征参数的用途在于它提供了一个模拟参数，当检测对象不特征参数的用途在于它提供了一个模拟参数，当检测对象不一样时，只要特征参数相同，在归一化阻抗图上就有相同的工作一样时，只要特征参数相同，在归一化阻抗图上就有相同的工作点。点。为了得到高的精度，工作点需选择在阻抗曲线的拐点部为了得到高的精度，工作点需选择在阻抗曲线的拐点部分。因为阻抗曲线和提离效应有较大的相角。分。因为阻抗曲线和提离效应有较大的相角。第59页，本讲稿共63页三、相位三、相位三、相位三、相位相角说明：相角说明：1、0：电感电压和电流之间的相角，：电感电压和电流之间的相角，90度。度。2、1：arctan(L/Rl)，电压矢量和横轴之，电压矢量和横轴之间的夹角。间的夹角。3、1：当探头移过缺陷时，归一化电压量的相位：当探头移过缺陷时，归一化电压量的相位变化。变化。4、2：感应电压和激励电压间的相位。：感应电压和激励电压间的相位。5、2：当探头移过缺陷时，感应电压相位：当探头移过缺陷时，感应电压相位的变化。的变化。6、3：缺陷和提离电压信号之间的相位差，这是：缺陷和提离电压信号之间的相位差，这是一个很重要的参数。一个很重要的参数。7、：涡流的相位滞后，即深度为：涡流的相位滞后，即深度为X处的涡流处的涡流相位和表面涡流相位差。相位和表面涡流相位差。8、许多涡流仪器都有相位旋钮，用它可以许多涡流仪器都有相位旋钮，用它可以将整个阻抗平面进行旋转，通常将提离旋转将整个阻抗平面进行旋转，通常将提离旋转到水平位置。（因为在涡流仪器的显示中，到水平位置。（因为在涡流仪器的显示中，电感和电阻的绝对方向可能是不知道。）电感和电阻的绝对方向可能是不知道。）第60页，本讲稿共63页预祝大家取得好成绩！预祝大家取得好成绩！谢谢！谢谢！第61页，本讲稿共63页图图图图线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量（a)电感电阻串联电路电感电阻串联电路电感电阻串联电路电感电阻串联电路（b）电压向量电压向量电压向量电压向量（c）阻抗向量阻抗向量第62页，本讲稿共63页图图图图线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量线圈等效电路与阻抗向量（a)电感电阻串联电路电感电阻串联电路电感电阻串联电路电感电阻串联电路（b）电压向量电压向量电压向量电压向量（c）阻抗向量阻抗向量第63页，本讲稿共63页