《无损检测（第2版）》 课件第三章 涡流检测

无损检测（第2版）

第三章涡流检测无损检测(第2版)教学课件第一节涡流检测的物理基础一、原理概述涡流检测是电磁检测方法之一，它是利用电磁感应来检测和表征导电材料表面和近表面的缺陷，可应用于导电的管、棒、线材及零部件探伤。涡流检测时，线圈中通入交变电流产生变化的一次磁场；当线圈靠近导电试件时，磁场进入试件内部，根据法拉第电磁感应定律，试件内部产生感应电流，这个电流在垂直于磁场方向的平面内呈漩涡状流动，称为涡流；涡流会产生一个与一次磁场相对的二次磁场，试件的特性发生变化时，所引起的二次磁场也会发生变化，通过测量出二次磁场的变化可以获取试件状况信息。

（1）激励频率一定的条件下，保持线圈与金属板距离δ恒定，对不同的材料，由于磁导率μ和电导率σ的改变将引起阻抗Z的变化，据此可以实现材质评定。（2）检测材质固定时，线圈与金属板距离δ变化会引起阻抗Z的变化，可以实现位移测量。（3）当金属试件存在缺陷时，涡流路径增加，二次磁场Hs的大小空间分布随之改变，线圈阻抗Z发生变化。一、原理概述

二、趋肤效应趋肤深度是涡流检测时需要考虑的重要参量，渗透深度达到2δ时，涡流衰减到13.5%，达到3δ时，涡流仅有5%了，3δ一般可作为涡流检测的极限深度。(a)趋肤效应(a)渗透深度二、趋肤效应对于深埋缺陷，需要较低的频率，或者采用适当的方法改变材料的特性参数，如对于铁磁性材料，可采用磁饱和技术将材料磁化到饱和，降低材料的磁导率，提高涡流渗透深度。不同材料和频率的涡流渗透深度二、趋肤效应对于表面裂纹缺陷，采用较高的工作频率，使感应涡流集中在试件表面附近，提高对表面缺陷的检测灵敏度。优势：1、无需耦合介质，检测传感器与被测试件可非接触，检测速度快，易于实现大批量自动化检测。2、可用于高温检测，不受油泥等非导电性材料影响，适用于核电站、油气管道、航空航天、汽车等行业的恶劣环境检测。3、涡流检测技术可用于探伤和测量材料性能和试件尺寸。4、对表面和近表面缺陷有很高的灵敏度，可用于疲劳等表面缺陷检测。5、可以嵌入机械化测试系统，对多种材料进行分类，监测使用中的材料和设备的恶化情况，并验证工艺质量。三、涡流检测特点不足：1、其检测对象必须是导电材料。2、涡流检测受趋肤效应影响，只能检测表面和近表面缺陷，对内部缺陷无能为力。3、由于涡流检测的核心是电导率和磁导率，因而对检测试件的材料组织一致性和均匀度要求高。4、易于检测试件中涡流流动的横向不连续性，然而对于平行于感应涡流的不连续性则不敏感，因此对平行于表面的夹杂等缺陷检测能力有限。三、涡流检测特点

(a)实际涡流线圈(b)涡流线圈集总参数模型阻抗分析法是以分析涡流效应引起线圈阻抗变化及其相位变化之间的密切关系为基础，其实质上是根据信号有不同相位延迟的原理来区别试件中的不连续性，从而获取被检材料特性信息，实现缺陷检测和表征。第二节涡流检测的阻抗分析法

(a)线圈耦合等效变压器模型(b)等效电路(c)二次线圈折合到一次线圈的等效电路一、线圈阻抗

通过引入视在阻抗，可以得到线圈中输入交变电流时，由于被测试件状况引起的输入电压变化，分析该输入电压变化可以获知被测试件的状况信息。一、线圈阻抗（一）阻抗平面图的绘制方法

初级线圈的视在阻抗二、阻抗平面图以电阻为横坐标，以感抗为纵坐标绘制涡流检测线圈视在阻抗平面图。

在线圈接近试件的过程中，一方面，试件中的涡流增加，涡流损耗也随之增加，次级线圈的等效电阻增大，线圈的视在电阻增加，阻抗平面图上阻抗点向右移动。另一方面，线圈与试件的耦合逐渐增强，互感增强，次级线圈的折合电阻和电抗增大，但由于折合电抗与空线圈电抗方向相反，因此检测线圈的视在电阻增大，视在电抗减小，阻抗平面图上的阻抗点向左下移动。最终形成一条从A点到B点的半圆形轨迹，即检测线圈的阻抗平面图。初级线圈的视在阻抗（一）阻抗平面图的绘制方法二、阻抗平面图将空线圈阻抗作为一个归一化参数，将空气中的电阻R1从检测信号中消去，同时电抗对空线圈电抗作归一化，得到归一化阻抗平面图。归一化阻抗平面图具有通用性，可以表征由于电导率、磁导率、提离、频率等变化引起被测试件的阻抗变化。实际检测中，不同的检测试件和检测线圈各自对应的阻抗图不同。归一化阻抗图归一化阻抗图二、阻抗平面图1、非铁磁性材料线圈接近无缺陷的试件时，线圈的阻抗点由图中的A点变化到B点。当试件中存在缺陷或杂质时，涡流流动被阻断，检测线圈和试件的互感减弱，视在电抗的变化量增大，而视在电阻的变化量减小，线圈阻抗点由B点变化到C点。（二）缺陷的阻抗平面图二、阻抗平面图2、铁磁性材料空气中线圈阻抗点位于A点，由于铁磁材料磁导率大，当线圈靠近铁磁性材料时，视在电阻和电抗都增大，阻抗点向右上方移动到D点。当试件中存在缺陷或杂质时，试件中的涡流也会被阻断，导致涡流产生的二次磁场减弱，使得视在电抗和电阻的变化量都减小，线圈阻抗点移动到E点。（二）缺陷的阻抗平面图二、阻抗平面图由于缺陷引起的阻抗变化很小，易受周围环境影响，因此如何精确获取阻抗变化对涡流检测有重要意义，其关键在于获取线圈靠近试件后的磁场变化。目前可通过建立线圈和试件电磁场模型，然而求解麦克斯韦电磁场方程获取试件电磁场变化的计算方法较为复杂，福斯特提出有效磁导率概念和涡流检测相似性规律，简化了涡流检测的电磁场分析。（一）有效磁导率和特征频率三、基于有效磁导率法的阻抗分析1.理想情况下的计算结果以密绕在实心圆柱体的检测线圈为例，假设实心圆柱体为无限长各向同性材料，端头效应忽略不计，且圆柱体充满整个检测线圈；激励电流为单一频率正弦波，不考虑试件非线性引起的谐波效应。根据自感定义，在保持线圈匝数不变的情况，导体内任何变化导致线圈中通过的磁通量变化，都可引起线圈阻抗变化。因此，在保持通过检测线圈总磁通量不变的情况下，可用一个恒定磁场H0和变化的磁导率代替实际试件中变化的磁场Hi和恒定的磁导率。该变化的磁导率称为有效磁导率，用μeff表示，是一个复数。(b)福斯特的假想模型(a)检测线圈有圆柱体试件时磁场强度的实际分布1.理想情况下的计算结果（一）有效磁导率和特征频率

1.理想情况下的计算结果（一）有效磁导率和特征频率由有效磁导率的定义可知，只要有效磁导率相同，则试件内的涡流和磁场强度分布相同。由于有效磁导率是一个完全取决于频率比的参数，因此只要频率比相同，两个不同试件中的涡流密度和磁场分布就相同。

涡流相似定律（一）有效磁导率和特征频率

2.一般情况的修正（一）有效磁导率和特征频率

影响线圈阻抗的因素：（二）棒材阻抗分析圆柱体直径的改变会影响到特征频率和频率比，从而对有效磁导率产生直接影响。当直径变大时，一方面，特征频率减小，频率比变大，阻抗点沿曲线向下移动；另一方面，检测线圈与圆柱体之间的填充系数变大，阻抗点向下移动。因此，圆柱体直径增大的综合作用的结果使得线圈阻抗沿图中虚线方向运动，从而使得直径阻抗变化线与不同填充系数轨迹线呈大角度交叉。非铁磁性材料不同填充系数下的线圈阻抗平面图3、圆柱体的直径影响线圈阻抗的因素：

铁磁性材料不同填充系数下的线圈阻抗平面图4、相对磁导率影响线圈阻抗的因素：

含有缺陷的非铁磁性导电圆柱体的线圈阻抗平面图5、缺陷影响线圈阻抗的因素：厚壁管的线圈阻抗曲线在复平面上位于圆柱体和薄壁管曲线之间，其阴影区域代表管材特性变化时，线圈阻抗变化范围。管材本身对线圈阻抗产生的影响除电导率、磁导率外，管道内直径、外直径、壁厚变化、内外表面缺陷及管材的偏心度也会对阻抗产生影响。管材特征频率（三）管材阻抗分析与管棒材线圈相比，放置式线圈的最大特点在于线圈与试件间的耦合路径和面积同时发生变化。当线圈与试件之间距离发生变化时，线圈线阻抗发生变化，这种线圈阻抗受线圈和试件间距离影响的效应称为提离效应。很小提离就会产生很大的变化，间距越小，提离效应越明显。随着线圈直径增加，试件中磁通密度增大，从而涡流增大，相当于电导率增大，阻抗值沿着曲线向下移动，与频率增加效应相同。（四）放置式线圈阻抗分析线圈功能是实现涡流的产生与接收，直接与检测试件接触，线圈工作方式包括绝对式和差分式，差分式又根据差分对象不同，分为标准比较式和自比较式。绝对式线圈由单个线圈组成，该线圈既是激励线圈，也是测量线圈，直接测量线圈的阻抗或感应电压。差分式检测线圈由一对反向连接的线圈组成，其检测分辨力由两个线圈尺寸决定。(a)绝对式(b)标准比较式(c)自比较式（一）线圈工作方式四、线圈阻抗测量方法绝对式线圈简单有效，对被检试件的几何和电磁性能的缓慢变化或缺陷的局部变化都有反映，可应用于材料分选，厚度测量，缺陷探伤。但由于发热对线圈电阻影响较大，易受温度影响，同时检测过程中对线圈抖动也比较敏感。差分式线圈对小缺陷比较敏感，对提离变化和线圈抖动不再敏感，适用于检测表面局部缺陷；差分式线圈是通过比较方式完成检测的，因而可能会漏检长而缓变的缺陷，而且只能检测出缺陷的始点和终点。（一）线圈工作方式四、线圈阻抗测量方法

检测线圈桥式阻抗检测电路

（二）检出电路四、线圈阻抗测量方法

(a)缺陷试件(b)阻抗测量信号(c)幅值测量信号（二）检出电路四、线圈阻抗测量方法用于金属管、棒、丝材的涡流自动化检测，该自动涡流检测系统一般包含有上、下料机构、运输机构、检测单元、报警和分选单元等。对于小直径构件（一般小于φ75mm），采用穿过式线圈检测；对于大直径构件采用探头式检测线圈。管棒材的涡流自动检测系统探头式线圈一、制造过程中的检测涡流自动探伤第三节涡流检测的应用1、石油、化工、核电等行业中热交换管的检测，其材料有铁磁和非铁磁性两类，受检测工况限制，只能采取内通过方式进行检测，也可与旋转线圈技术、阵列线圈技术联合使用。如果是铁磁性管道，还需外加饱和磁化装置将管道磁化到饱和。2、钢结构焊缝处的疲劳裂纹，可采用与被检表面平行和垂直的双向圆形线圈结构进行检测，两个线圈采用差动方式连接，并产生正交涡流，当裂纹与线圈切割涡流方向不同时，会引起线圈阻抗变化。3、航空结构的维护检测，用于飞行、起飞或降落过程中由于周期性负载而产生的疲劳裂纹检测，如焊接、铆接结构中的裂纹，机身腹部铝皮腐蚀减薄，机翼蒙皮中紧固件周围的层间腐蚀等。4、海洋工程的检测，主要用于水下焊接结构检测、无法去除涂层的检测、有缆操作以及水下操作人员视力受限的磁粉无法检测的场合。二、在役检测第三节涡流检测的应用1、热处理工艺的评定以航空工业中广泛应用的铝合金为例，由于不同合金的热处理可使其电导率和力学性能变化很大，通过建立每种铝合金和热处理的电导率变化范围，可为飞机部件制造过程和使用过程质量评定提供基础。2、材料分选通过标定出已知材料的阻抗值，然后将待测试件阻抗值与已知试件的阻抗值进行比较，即可识别出不同材料。采用电导率进行材料分选的前提是混杂材料或零部件的电导率的分布带不能相互重合，并且一定需要预先知道并测定出需要分选的材料的电导率。三、材质评定第三节涡流检测的应用1、单一金属厚度测量：金属薄板或箔厚度采用两种频率探头，高频探头测量电导率，低频探头测量电导率与厚度之积，两者信号之比即为板厚。实际应用中，既可采用同侧布置的反射式工作方式，也可采用对侧式布置的透过式测量方式。2、多层金属厚度测量：金属材料表面覆层厚度根据覆层与基体电磁特性不同，分为非磁性金属非导电层厚度测量、磁性金属非磁性覆层厚度测量和复合镀层厚度测量。涡流法测厚时至少需要三个已知厚度的试件来对仪器标定，即测量范围的最大、最小壁厚及一个中间厚度。所用的标准试件必须与被测部件具有相同的电导率、磁导率、基体厚度和几何形状。四、涡流测厚第三节涡流检测的应用常规涡流检测系统由线圈和二次仪表组成。线圈与试件的关系：电磁场的近距离作用。磁场测量方式：以单线圈为主。系统的输入输出关系：单一频率输入。第四节先进涡流检测技术概述改进方法：利用电磁场的扩散特性进行远场涡流。改变线圈数量及测量方式形成阵列涡流和磁-光涡流。增加输入频率的数目形成多频涡流或脉冲涡流。

第四节先进涡流检测技术概述一、远场涡流检测技术远场涡流检测技术克服了趋肤效应带来的局限性，适于检测铁磁性和非铁磁性管子的表面及内部缺陷，可以同时检测管道内壁与外壁缺陷，并且具有相同灵敏度，在地下管线、各种工业管道检测中具有优越性。第四节先进涡流检测技术概述一、远场涡流检测技术由于只有缺陷与涡流相互垂直时，缺陷才会改变涡流分布引起线圈阻抗变化，但实际缺陷方向是随机的，为避免漏检，需要多个方向扫查。阵列涡流采用相互正交的线圈布置方式，一次扫查就可检出不同方向的缺陷。阵列探头由多个传感线圈组成，能够覆盖比单线圈探头更大的测试区域，用于大面积表面检查，检测效率提高数十倍。线圈布置与缺陷作用示意图平板检测探头管道内检测探头第四节先进涡流检测技术概述二、涡流阵列检测技术磁光涡流成像是借助于磁光薄膜传感器将涡流磁场变化转换为光场变化，通过图像传感器实现磁场成像，原理是法拉第电磁感应定律与法拉第磁光效应的综合运用。检测效率高，一次可以完成对磁光传感元件覆盖区域的检测；检测结果图像化，直观易识别；可对表面及近表面缺陷进行实时检测。检测深度主要取决于涡流渗透深度，成像清晰度受缺陷深度影响，缺陷越深成像越不清晰。主要用于飞机螺纹孔和铆钉孔等紧固件周围的疲劳裂纹、铝蒙皮铆接处裂纹及蒙皮腐蚀损伤等检测。铆钉涡流检测图像第四节先进涡流检测技术概述三、磁光涡流检测技术将一恒定电流或电压通入线圈，在一定时间内可在构件内产生稳定的磁场。当断开该输入时，线圈周围产生的电磁场由两部分叠加而成：一部分是直接从线圈中耦合出的一次电磁场，另一部分是试件中感应出的涡流场所产生的二次电磁场。后者包含了构件本身的厚度或缺陷等信息，采取合适的检测元件和方法对二次场信号进行测量及瞬态分析，可得到被测构件信息。当激励由低电平升高至高电平时，理论上也会产生同样的电磁场，但实际检测中，上升脉冲会给电路造成冲击，激励往往不稳定，故一般不选取该时段进行检测。第四节先进涡流检测技术概述四、脉冲涡流检测技术用于导磁材料的特征量：-3dB点、弯曲点、晚期信号斜率等。用于非导磁材料的特征量：峰值、峰值时间、过零时间、提离交叉点等。峰值高度与金属损失大小相关；过零时间与缺陷深度相关；铁磁材料信号不存在提离交叉点。(a)峰值、峰值时间和过零时间(b)提离交叉点(c)晚期信号斜率脉冲涡流检测信号包含表面缺陷的高频成分，以及深层缺陷的低频成分，避免了传统涡流检测的局限性，具有一次检测就可获取多层次缺陷信息的优点。用于核电燃料元件镀锆层的厚度测量，飞机蒙皮搭接机构多层腐蚀、铆接连接区域疲劳裂纹等的检测，石化、电力等行业用于在不拆除包覆层情况下检测管道、容器腐蚀。第四节先进涡流检测技术概述1、什么是趋肤效应？分析趋肤效应对涡流检测的利与弊。2、影响涡流检测灵敏度的因素有哪些？如何提高涡流检测灵敏度？3、什么是归一化阻抗，为什么要对检测线圈阻抗做归一化处理？4、分析磁性材料与非磁性材料阻抗平面图异同，为什么？5、涡流相似性定律是什么，在涡流检测中有什么作用？6、如何计算涡流检测中的特征频率，在涡流检测中有什么作用？7、什么是提离效应？其在涡流检测中有何利与弊？8、什么是填充系数？在涡流检测中有什么作用？9、简述涡流测厚有哪些方法？10、当涡流检测铝合金和低碳钢有缺陷，画图