涡流检测线圈：又称涡流探头。有多种分类方法。 按感应方式分：自感式线圈和互感式线圈。
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
29
涡流检测装置
◎按应用方式分：放置式线圈、外通过式线圈和内穿过 式线圈。
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
15
涡流检测相关技术
◎线圈阻抗分析： 理想线圈只有感抗，而实际线圈都有内阻，其阻抗可表 示为Z＝R＋jX=R+jwL， R：电阻，X：感抗，w：角频率
◎单个线圈的等效电路如下图所示
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
16
《测试与检测技术基础》
第15讲：涡流检测
涡流与涡流检测
涡流：导体处在变化的磁场或相对于磁场运动时，其内 部会感应出自成闭合回路的电流。
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
2
今日授课内容
◎涡流检测技术发展回顾 ◎涡流检测的理论基础 ◎涡流检测相关技术 ◎涡流检测装置 ◎涡流检测技术的应用实例
◎曲线半径等于 K 2L1
2
K M L1L2
◎可以认为一次线圈中的电流和电压 的变化是由于视在阻抗引起的，根 据视在阻抗可以知道二次线圈对一 次线圈的影响，从Mechanical Engineering, Tsinghua University
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
6
涡流检测的理论基础
◎磁化曲线：铁磁性 材料的磁化曲线如右 图所示。
◎磁化强度M：用来描 述材料的磁化状态： 单位体积内所有磁矩 的矢量和。
M H M：磁化强度(A/m)，H : 磁场强度(A/m), ：磁化率(无量纲) B μH μ0 μrH μr＝1＋
◎涡流检测是以电磁感应理论为基础的无损检测方法，适 用于导电材料。
导体切割磁力线，或者 说电路包围的磁力线发 生变化，即变化的磁场 会产生电场：在导体内 产生电流。
Ei

N
d
dt
电磁感应现象
Ei Blvsin
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
涡流检测相关技术
◎线圈耦合等效电路： 两个相互耦合的线圈如下图所示。将二次线圈电路阻 抗通过互感转换为一次线圈电路的折合阻抗，如图C 所示。
I1
E
(R1 jL1 )I1 jMI 2 U1 (R2 jL2 )I 2 jMI1 0
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
27
涡流检测装置
◎涡流检测仪器可分为：涡流测厚仪、涡流电导仪和涡 流探伤仪等。
◎涡流检测装置包括：检测线圈、检测仪器、辅助装置 等（装卡具、送料装置、磁饱和装置等）。
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
28
涡流检测装置
18
涡流检测相关技术：视在阻抗平面图
◎二次线圈的折合阻抗和一次线圈的阻抗之和称为视在阻 抗Zs＝Rs＋Xs
Rs

R1

2M 2 R22 (L2 )2
R2

R1

XM 2
R22

X
2 2
R2
Xs
L1
2M 2 R22 (L2 )2
L2
X1
XM 2 R22 X 22
奠定了涡流检测的理论基础。 ◎ 1926年，第一台涡流测厚仪问世。 ◎ 20世纪40年代，德国的福斯特博士推动了涡流检测技术
的发展。 ◎ 20世纪60年代，我国开始涡流检测研究工作。
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
4
涡流检测的理论基础
30
涡流检测装置
◎按比较方式分：绝对式线圈、它比式线圈和自比式线 圈。
绝对式线圈
他比式线圈
自比式线圈
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
31
涡流检测装置
◎几种涡流探头：
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
32
涡流检测装置

I ＝I I：正弦量的有效值，：正弦量的初相位
◎电流的相量图如右图所示
◎在同一电路中频率相同， 可以用相量图来表示。
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
10
涡流检测的理论基础
◎阻抗及其矢量图
◎在正弦电压 u 2U cos(t u ) 的作用下，线路中的电
5
涡流检测的理论基础
◎与涡流检测有关的材料的性质： 材料的导电性相关知识：电导率、电阻等。 材料的磁特性 抗磁性物质：使磁场减弱的物质，磁化率为负。 如金、银、铜。 顺磁性物质：使磁场略有增强的物质，磁化率 为正。如空气、铝、铂。 铁磁性物质：使磁场剧烈增加的物质，磁化率 为正。如铁、镍、钴。
25
线圈直径对阻抗的影响
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
26
涡流检测相关技术：穿过式线圈的阻抗分析
◎ 棒材或管材有裂纹时，线圈阻抗的变化情况
裂纹
对那一个裂纹敏感?
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
dt
◎互感：当通有电流I1和I2的两个线圈接近时，线圈1中的电 流I1所引起的变化的磁通会在线圈2中引起感应电动势；反 之亦然。这种线圈中相互激起感应电动势的现象叫做互感。
E21 M 21 dI1 dt
E12 M 12 dI 2 dt
E21为线圈1的电流I1在线圈2中产生的感应电动势 M21为线圈1对线圈2的互感系数，单位H，M21＝M12＝M 两线圈之间的耦合程度用耦合系数K表示。K M
21
涡流检测相关技术：归一化后的阻抗平面图
K M L1L2
X轴右移，然后XY轴压缩
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
22
涡流检测相关技术：放置式线圈的阻抗分析
◎影响阻抗变化的主要因素： 提离效应的影响 边沿效应的影响 工件电导率σ的影响 磁导率μ的影响 实验频率的影响 工件厚度的影响 线圈直径的影响
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
13
涡流检测相关技术
◎透入深度：涡流透入导体的距离。涡流衰减到表面值
的1／e时的透入深度成为标准透入深度，用符号δ表示。
f: 交流电的频率 μ:材料的磁导率 σ:材料的电导率
1 fu
L1L2
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
12
涡流检测相关技术
◎导体对线圈电流i的影响规 律：涡流会影响线圈的感 抗，插入导体线圈感抗变 化情况。
◎集肤效应：直流电通过导体时，截面上电流密度均匀， 而交流电通过导体时，电流主要集中在导体表面附近。
X2
(R
R1 )2
[X

X1 (1
1 2
K 2 )]2

(1 2
X1K 2)2
K M L1L2
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
19
涡流检测相关技术：视在阻抗平面图
◎如果二次线圈的电阻R2从∞递减到0， 或者X2由0逐渐增加到∞，计算出一 系列对应的Rs－Xs，可得阻抗平面 图如右图所示。
17
涡流检测相关技术
◎折合阻抗的计算：
Ze Re jXe
Re

X
2 M
R22

X
2 2
R2
R2：副边线圈的电阻
X
：副边线圈的电抗，
2
X
2＝L2
X M：互感抗，X M M
Re：折合电阻
X
：折合电抗
e
Xe


X
2 M
R22

X
2 2
X2
感应出涡流的导体可以按二次线圈来分析
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
B : 磁感应密度（T），μ：磁导率（H/m）， μ0：真空磁导率（H/m），μr：相对磁导率（无量纲 ）
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
7
涡流检测的理论基础
◎正弦交流电：
瞬时电流可表示为： i Im cos(t ) Im, , 称为正弦量的三要素。
则：ψ＝ψ1－ψ2 称为电压和电流之间的 相位差
ψ＝0 :同相；ψ＝ ：正交；ψ＝：反相