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涡流检测基本原理

新闻来源:江苏伟力无损检测设备制造有限公司
 

涡流检测就是运用电磁感应原理,将正弦波电流激励探头线圈,当探头接近金属表面时,线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。对于平板金属,感应电流的流向是以线圈同心的圆形,形似旋涡,称为涡流。同时涡流也产生相同频率的磁场,其方向与线圈磁场方向相反。
涡流通道的损耗电阻,以及涡流产生的反磁通,又反射到探头线圈,改变了线圈的电流大小及相位,即改变了线圈的阻抗。因此,探头在金属表面移动,遇到缺陷或材质、尺寸等变化时,使得涡流磁场对线圈的反作用不同,引起线圈阻抗变化,通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其它物理性质变化。
影响涡流场的因素有很多,诸如探头线圈与被测材料的耦合程度,材料的形状和尺寸、电导率、导磁率、以及缺陷等等。因此,利用涡流原理可以解决金属材料探伤、测厚、分选等问题。

涡流检测是许多NDT(无损检测)方法之一,它应用“电磁学”基本理论作为导体检测的基础。涡流的产生源于一种叫做电磁感应的现象。当将交流电施加到导体,例如铜导线上时,磁场将在导体内和环绕导体的空间内产生磁场。涡流就是感应产生的电流,它在一个环路中流动。之所以叫做“涡流”,是因为它与液体或气体环绕障碍物在环路中流动的形式是一样的。如果将一个导体放入该变化的磁场中,涡流将在那个导体中产生,而涡流也会产生自己的磁场,该磁场随着交流电流上升而扩张,随着交流电流减小而消隐。因此当导体表面或近表面出现缺陷或测量金属材料的一些性质发生变化时,将影响到涡流的强度和分布,从而我们就可以通过一起来检测涡流的变化情况,进而可以间接的知道道题内部缺陷的存在及金属性能是否发生了变化。





涡流作为一种NDT工具的一大优点是它能够做多种多样的检查和测量。在适当的环境下,涡流可以用于:
裂缝、缺陷检查 、材料厚度测量 、涂层厚度测量 材料的传导性测量

涡流检测的优越性主要包括:
1、 对小裂纹和其它缺陷的敏感性
2、检测表面和近表面缺陷速度快,灵敏度高
3、检验结果是即时性的
4、设备接口性好
5、仅需要作很少的准备工作
6、测试探头不需要接触被测物
7、可检查形状尺寸复杂的导体

什么是涡流?
当金属导体处在变化的磁场中或是在磁场中运动,由于电磁感应原理,在导体内产生漩涡状的电流,称之为涡流。

什么是阻抗平面显示?

涡流检测就是通过测量涡流传感器的电阻 抗变化值实现的。点阻抗包括电抗和阻抗,显 示时我们以阻抗R(Resistance)为横坐标, 电抗X(Reactance)为纵坐标形成直角坐标 系。通过涡流检测传感器的阻抗变化,可以通 过信号处理在仪器上用点信息(Q)进行显示,而点Q是个二维的矢量点,它具有一定的幅值(Amplitude)和相位(Phase)。而由于各种原因造成涡流信号分量R、X的变化,使得点Q的位置也随之变化,Q点的变化轨迹图则为阻抗平面。


影响阻抗显示漂移的因素有哪些?
材料的电导率、磁导率、外形尺寸,填充系数,提离效应,边缘效应等。

什么是提离效应?
当检测线圈和被测材料之间的相对位置发生变化时,检测线圈在材料上产生的涡流密度就发生变化,涡流密度随检测线圈与材料之间的距离增大而减小,从而使得矢量点Q在显示平面上发生移动,这种现象叫作提离效应。运用这原理可以进行金属表面非金属涂层的测厚。

什么是填充系数?
检测探头与材料之间的耦合程度,填充系数越大,探头与材料耦合的越好,电磁感应效果越好,检测灵敏度越高。填充系数可以表示为η=(d/D)2; D--线圈内直径(mm);d--试件直径(mm)。

什么叫边缘和末端效应?
线圈上的磁场方向是向各个方向伸展的。当线圈达到被测试件边缘时,由于边缘信号的作用,涡流发生变化,这就叫做边缘效应。当检测线圈接近试件的始末两端时,常称作末端效应。

什么叫交流电流的趋肤效应?
当直流电流通过一圆柱体时,横截面上的电流密度均相同;而交流电通过圆柱体时,横截面各处的电流密度就不一样了,表面电流密度大,到圆柱体中心越小,这种现象称为趋肤效应。金属导体中通以交变电流,交变电流的密度在导体截面上的分布是以指数规律从表面向内部衰减的,其衰减律表达式如下:Jx=Joе-αx 式中:x--从表面算起的深度;Jx--导体中深度为x处的电流密度;Jo--导体表面的电流密度;α--衰减系数为(πfuμσ)1/2,f是频率,μ是磁导率,σ是电导率。上式说明,交变电流密度在导体横截面上的衰减与交变电流的频率、导体的磁导率、电导率等诸因素有关。

检测线圈及分类
穿过式线圈
穿过式线圈是将被检试件放在线圈内进行检测的线圈,主要应用于管、棒、线材的探伤。由于线圈产生的磁场首先作用在试件外壁,因此检出外壁缺陷的效果较好,内壁缺陷的检测是利用磁场的渗透来进行的。一般来说,内壁缺陷检测灵敏度比外壁低。厚壁管材的内壁缺陷是不能使用外穿过式线圈来检测的。
 内通过式线圈
内通过式线圈是放在管子内部进行检测的线圈,主要用来检查厚壁管子内壁或钻孔内壁的缺陷,也可用来检测成套设备中管子的质量,如热交换器管的在役检验。
 探头式线圈
探头式线圈是放置在试件表面上进行检测的线圈,它不仅适用于形状简单的板材、板坯、方坯、圆坯、棒材及大直径管材的表面扫描探伤,也适用于形状较复杂的机械零件的检查。与穿过式线圈相比,由于探头式线圈的体积小,磁场作用范围小,所以适于检出尺寸较小的表面缺陷。

什么是多频涡流和远场涡流技术
在检测很多复杂的构件时,构件本身会产生很强的干扰信号,这使得单频涡流很难准确的对缺陷进行检测。为了克服这种干扰,让检测信号去伪存真、提高检测可靠性,可以利用几个频率同时激励线圈,通过检测线圈可同时获得多组数据,然后对采集的数据进行混频处理以抑制干扰信号,这种就叫多频涡流技术。
而远场涡流则是一种能穿透管壁的低频涡流技术,通常检测时用内穿式探头,其激励线圈和测量线圈之间的距离大约为两倍管直径,通以低频交流电,线圈能够检测到穿出管壁又重新返回的激励磁场信号,从而能有效的检测金属管内外壁的缺陷或壁厚的减薄度。

什么是漏磁场?
当用磁化器磁化被测铁磁材料时,若材料的材质是连续、均匀的,则材料中的磁感应线将被约束在材料中,磁通是平行于材料表面的,几乎没有磁感应线从表面穿出,被检表面没有磁场。但当材料中存在着切割磁力线的缺陷时,材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化,由于缺陷的磁导率很小,磁阻很大,使磁路中的磁通发生畸变,磁感应线会改变途径,除了一部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外,还有部分的磁通会离开材料表面,通过空气绕过缺陷再重新进入材料,在材料表面缺陷处形成漏磁场。

漏磁检测为什么要磁化?
由于对材料的磁化,使得材料其中的磁场分布的更均匀。这样使得绕过缺陷而外漏磁通量更大,从而也更有利于检测缺陷信号,提高灵敏度。

影响漏磁场强度的因素有哪些,为什么漏磁只能检测铁磁性材料?
影响缺陷漏磁场的因素有:材料的此特性、磁化强度以及缺陷本身的性质,如缺陷的形状、大小、深度、走向等。
漏磁检测只是针对铁磁性材料。因为非铁磁性材料的磁导率约等于1,与所处环境的磁导率基本相同,这样缺陷周围的磁场就不会因为磁导率变化而变化,从而也就不会产生漏磁场。

漏磁能否检测内部缺陷?
漏磁检测主要也是针对表面和亚表面的缺陷检测。对于内部缺陷检测的主要取决于缺陷离表面的距离以及材料的磁化强度。如果缺陷在材料内部较深的话,那么就无法进行精确检测了。

什么是磁机械效应、磁记忆效应?
机械零部件和金属构件发生损坏的主要根源,是各种微观和宏观机械应力集中。在应力集中区域,腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为激烈。机械应力同铁磁材料的自磁化现象和残磁状况有直接的联系,在地磁作用的条件下,缺陷处的导磁率减小,工件表面的漏磁场增大,铁磁性材料的这一特性称为磁机械效应。磁机械效应的存在使得铁磁性金属工件的表面磁场增强,这一增强了的磁场“记忆”着部件的缺陷或应力集中的位置,这就是“磁记忆”效应。

磁记忆(MMM)的主要检测对象
金属磁记忆的检测主要是用于铁磁性材料的早期诊断预防,可对管道、容器、汽轮机叶片、飞机机体、飞机起落架、油井钻杆以及各种不同形状构建、焊接头等。MMM检测不需进行表面处理,检测快速方便。

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