演讲稿15-涡流检测原理.ppt

假定一次电流的振幅不变，线圈和金属工件之间的距离也保持固定，那么，涡流和涡流磁场的强度和分布就由金属工件的材质所决定。 也就是说，合成磁场中包含了金属工件的电导率、磁导率、裂纹缺陷等信息。 因此，只要从线圈中检测出有关信息，例如从电导率的差别就能得到纯金属的杂质含量、时效铝合金的热处理状态等信息，这是利用涡流方法检测金属或合金材质的基本原理。 演示课件 由于涡流也有趋肤效应，因此，涡流密度在金属表面最大，离表面愈远衰减愈大。 不同导电材料(电导率和磁导率不同)以及通过的交变电流的频率不同，电流密度在工件横截面上的分布也有所不同，它是按指数规律从工件表面向工件内部衰减的。 演示课件 电流密度下降到表面电流密度37%的深度，称为透入深度(δ)。它与激励电流的频率、金属材料的电导率和磁导率有直接关系，可表示为 式中 f-交流电流频率(Hz)，μ-材料磁导率(H/m)，σ-材料电导率[m/(Ω.mm2)] 从上式可知，频率、电导率和磁导率愈大，透入深度也就愈小。 演示课件 几种典型材料的透入深度如图6-1，显示导电材料的透入深度与检测频率的关系 演示课件 演示课件 除了透入深度的定义外，它也是交流电流的相位差为180o的深度。 工件表面的涡流密度最大，它的检测灵敏度最高，离工件表面愈深，涡流密度愈小，检出灵敏度愈低。 涡流检测中，要用许多阻抗平面图来描述缺陷、电导率，磁导率和尺寸变化与线圈阻抗的关系。 演示课件 首先需要了解两个线圈相距很近而又有互感的情况，当线圈2不接负载时，线圈1的等效阻抗为线圈1原有的阻抗Z1不变(Z1=R1+jωL1) 演示课件 而当线圈2的负载短路时，线圈1的等效阻抗为R1+jωL1(1-k2)，即比线圈1的原有阻抗减小了jωL1k2大小(其中k为耦合系数 演示课件 如将线圈l的阻抗作一复数阻抗平面，即以电阻R为横轴，以感抗X为纵轴并以负载Rr为参变数作出的轨道曲线，如图a所示 演示课件 是一个近似半圆(右边)，半圆直径为k2ωL1，线圈1感抗X从ωL1单调减少到(1-k2)ωL1，而电阻R由R1，增加到Rl+k2ωL1/2最大值后减小回到R1 演示课件 用这样的阻抗平面来了解线圈阻抗变化要比用公式直观得多，容易理解。 但是由于不同的线圈阻抗和不同的电流频率有不同的半圆直径和位置，而且有时线圈阻抗的轨迹曲线不是半圆，因此要进行相互比较有困难。 演示课件 为此，用线圈1的视在感抗ωL1来除纵轴和横轴的X和R，可以获得归一化阻抗曲线，如图b 演示课件 这样，半圆直径在纵轴上的位置，上端为(0,1)，下端为(0,1-k2)，直径为k2，半圆上参变数Rr，用归一化频率F来表示，则有 演示课件 在半圆上端F等于零，中间F等于1，下端F为无穷大。归一化处理后的电阻和电抗都是无因次量，并且都一定小于l。根据这个方法得到的阻抗平面图的格式是统一的，因而具有通用性。 演示课件 在涡流检测时，若通以交变电流的线圈中没有试样，则可以得到空载阻抗Z0=R0+jωL0，若在线圈中放入试样，线圈阻抗将变为Z1=R1+jωL1 随着材料和工件性质的不同，对检测线圈的影响也不一样，因而，工件性质的变化可以用检测线圈阻抗特性的变化来描述。 演示课件 由于引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是线圈中磁场的变化，检测时需要分析和计算工件被放入检测线圈后磁场的变化，然后得出检测线圈阻抗的变化，才能对各种因素进行分析。 这样做比较复杂，德国福斯特(Forstcr)提出有效磁导率的概念，使涡流检测中的阻抗分析问题大大简化。 演示课件 福斯特在分析线圈阻抗的变动时，提出一个模型，当放在通有交变电流的无限长圆筒形线圈中的导电圆柱体时，圆柱体的整个截面上有一个恒定磁场。 而磁导率却在截面上沿半径方向变化，并使这种情况下所产生的磁通量等于真实情况下圆柱体内的磁通量。 演示课件 用事实上变化着的磁场强度和恒定不变的磁导率，用恒定的磁场强度和变化着的磁导率所取代，这个变化的磁导率称为有效磁导率。用符号μeff表示 式中 k=(ωμσ)1/2，r圆柱体的半径，J0(-j)1/2kr-零阶贝塞尔函数， J1(-j)1/2kr阶贝塞尔函数。 演示课件 引入有效磁导率的概念并对它进行分析，福斯特把使贝塞尔函数变量(-j)1/2kr的模为1的频率称为特征频率(或界限频率)，用符号fg表示： 对于非磁性材料μ=μ0=4π×10-7H/m，因此 式中 σ-电导率，d-工件直径(cm) 演示课件 因为有效磁导率μeff的数值随变量(kr)的不同而变化，因此，只要知道一个工件的特征频率fg，并计算出检