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1、李朝夕：157-158和6.5第六章 涡流检测刘海波：6.1.1和6.1.2，6.1介绍6.1.1 历史背景1831年涡流检测源于迈克尔法拉第的电磁感应现象的发现。19世纪早期，法拉第是英格兰的以为化学家，他由于电磁感应现象，电磁旋转，磁光效应，抗磁性和其他现象的发现而闻名。1879年，另一位科学家休斯记录了放置在不同导电性和磁导率的金属线圈性能的变化。然而，是在第二次世界大战的时候，这些影响被应用投入实际检测材料。20世纪50年代到60年代，他做了大量的工作，特别是在航空和核辐射工业方面。涡流检测正在被广泛的使用也是一项很容易理解的检测技术。涡流检测被用于许多工业中用于检测缺陷然后采取措施。
2、涡流检测最主要的作用之一就是缺陷检测这种缺陷很好的被掌握的时候。一般来说，用于检测相对小的区域，探头设计和参数测试的技术是建立在对要检测的缺陷有良好的理解的基础之上的。由于涡流检测趋向于集中在物体表面的应用，她只能用来检测物体表面或近表面的缺陷。 例如管道，薄钢板这种薄的材料，涡流检测能够检测这些材料的厚度。这就使涡流检测成为检测引起薄性材料的腐蚀以及其他损害的有用的工具。这项技术被用来在飞机表面上在用于像热交换器的管制造组件的墙壁中制定腐蚀稀薄的测量方法。涡流检测也用于测量油漆和涂层的厚度。涡流检测也受材料的电导率和磁导率的影响。因此，涡流检测也能用来分类材料，并且也能知道这种材料是否进行过
3、高温或是热处理，这些变化都能够改变材料的电导率和磁导率。涡流检测设备和探头在许多配置中都可以买到。涡流仪和电导仪都是以很小的电动单元的形式组装的便于携带，计算机基本系统也是很有用的，用来提供实验的简单数据操作功能。信号处理软件还被用于背景消除和去噪消除。阻抗分析仪有时也用于使涡流定量测量的提高成为可能。一些实验室有了生成扫描区域图像的多维的扫描能力。为了一些特殊的应用，如扫描机身区域，一些便携式的扫描系统也出现了。6.1.2 优点和缺点涡流检测广泛应用的理由：涡流检测可以随时检测金属，涡流检测是非接触式的检测，与超声，渗透，磁粉检测相比的主要优势就是允许自动高速检测。与渗透和磁粉检测方法不同，
4、涡流检测方法不需要表面处理。 低成本的涡流检测系统是一个明确优于x射线的方法。涡流检测是极少的高温应用的方法之一。涡流检测比较方便。涡流检测方法对一定范围的几何和物理参数具有很高的灵敏度。另一方面，涡流检测也存在一些不足之处，最重要的就是检测的材料必须是导电材料，尽管反映各种各样的材料和几何特性的能力是正面的特征，但是，它能在反应结果时会产生很大的困难。涡流检测探头不仅对期望的材料特性（如导电性，断点等）有响应，而且还会对不期望的信号如提离效应，以及所有不需要检测但又与电导率或磁导率有关的材料特性作出响应。分离响应信号或是减少干扰信号需要重大的操作员培训或是复杂的算法。表6-1总结了涡流检测的
5、有点和缺点。表6-1 涡流检测方法的有点和缺点涡流检测的优点涡流检测的缺点检测速度快必须是导电材料一定范围的物理特性灵敏度好渗透深度受限制，只能到离表面1厘米的深度检测线圈不需要接触检测工件铁磁性材料影响因素复杂化设备小便于携带结果需要操作人员的技巧可检测的断点最小到1立方毫米对许多参数灵敏度低彭旭钊：6.2.1和6.2.2，6.2 理论和原理6.2.1 基本原理 涡流法是基于电磁感应原理对能够导电的材料进行检测。检测探头本身无非是一个交流换能器。在我们讨论关于涡流检测探头是如何换能的本质之前，记住这些基本的电磁理论概念。在导线中通以电流产生一个磁场，其环绕在导线四周，并且环绕方向为绕行而成的
6、圆圈的切线方向。在接近导体时，磁场会在导体中产生一个电压或者说是感应电动势。如果我们假设在一个封闭的线圈中通以电流。如果在这两种情况下的任意一种中，导线进行缠绕形成一个长的线圈（螺线管），其影响的效果将以缠绕的匝数进行背乘。因此，我们采取这样一个机制，根据线圈的简单几何形状来对信号进行放大。注意：这只在交流情况下可行，在直流条件下是不可行的。 涡流检测法包含以下四个步骤：1.激励信号的产生。2.材料间的相互作用。3.信号的收集。4.信号的调节处理以及仪器上的显示。设想，将一对线圈作为一个涡流检测探头（图6-1）,其中一个线圈即激励线圈，受到交流信号的影响；而另一个线圈即检测线圈，其与一个电压计
7、相连的。首先，激励线圈会产生一个磁场，其部分磁场会穿过检测线圈，因此，产生一个感应电动势。假设有一个恒定的电压读数是保持恒定的，直到一个铁磁性或者导电材料被拿来靠近检测探头以及扰乱磁场。磁场中的这种改变会由检测线圈中的感应电动势反映出来。显然，铁磁性材料对磁场有扰动，但是导体是如何影响磁场呢？回想一下，将一个导体放入一个磁场当中，这是导体中会产生一个电流。同样地，初级磁场会促使被检测试件中产生电流，这电流在一个封闭的圆环路径中进行传递并且被称作为涡流。涡流也会像其它所有电流一样，产生一个（次级）磁场抵制初级磁场的效用。检测线圈会接收到由初级磁场加上次级磁场之后总的减小的大小的量。涡流的大小以及
8、由其产生的次级磁场取决于被检测试件的电导率。一个导电能力极好的导体会很明显地使次级磁场抵制初级磁场的效用。（假使在涡流检测探头与被检测试件之间存在完全耦合）。 图6-1 用来检测导电材料特性的涡流探头 a）无缺陷的导电材料表面 b）有缺陷导电材料表面我们可以通过检测一个材料的电导率推断出一些令人惊奇的信息。电导率会伴随着材料的加工、硬度、温度的改变而改变。材料在没有裂缝、孔洞、绝缘层、或薄度发生改变时的总的电导率与一个存在缺陷的试件的电导率明显不同。除此之外，由于涡流检测法是以电磁理论为基础的，因此，磁场的渗透性发生改变将会影响信号响应。在涡流检测中，响应信号以各种各样的形式体现出来。而所有这
9、些又呈现出许多阻抗形式在检测线圈中发生改变。许多具体的应用系统简单地测量了感应电动势振幅发生改变，但没有显示出所需要的参数，如：绝缘层的厚度或硬度。更先进的涡流系统能够同时测量振幅和相位，这些响应信号能够在一个被称作为阻抗平面的复杂平面上体现出来。6.2.2 磁感应电流、磁场以及电压这三者之间的关系为涡流设备提供了基础。正如它基于现代化的便利设施的操作一样，如：收音机、电视机、电动车，甚至于110伏家用电器电话应答机。简单的说，任何在导线中流经的电流都会产生一个相关的磁场，并且由感应出的任何随时间变化的磁场都将在导线中感应出电压。在后者的情况下，如果导线是封闭环形的，将产生电流。这种电流/电压
10、与磁场间的相互作用被称作为电磁感应。电磁场 设想，在一根长且直的导线中通以电流并产生了磁场，这个场看上去是怎样的呢，它与电流之间存在怎样的关系呢？ 从实验中，我们可以由图6-2a在通电线圈穿过的卡片上洒满铁屑或是图6-2b由指南针绘制出的磁场可以判断出磁场的方向。我们观察到电流垂直于同心圆形成的磁场。由罗盘的磁极表明磁场方向。电流方向与磁场方向之间的关系可通过右手螺旋定则来判断：如果右手弯曲的四指的绕行方向为磁场方向，那么大拇指将指向电流方向。这种环形磁场起始和终止都是其本身不想电场起始和终止于一个电荷、电子或一个黑洞。 图6-2磁场最初的方向与通电直导线中电流的关系 a)在卡片上洒满铁屑 b
11、）在实验中指南针的指向 c）右手螺旋定则通过能量守恒法则，感应的磁场必然会随着与直导线距离的增加而减小。为了弥补这部分的减小，我们可采用增加磁场强度或磁感应强度这两种方法中的一种来实现。首先，假使我们将承载电流的导线的形状制作成一个圆环形，就能够将磁场聚集于这个封闭的区域内，为了更大程度的聚集磁场，我们可能会增加环形导线，以制作出共同的螺线管。磁场强度的增加与环的数量成一定比例。磁场强度(H)与磁感应强度（B）以及磁导率()有关，如 图6-3 由环形载流线圈所聚集磁场形式。磁导率的大小取决于材料螺线管内等因素。螺线管中可以是空芯的或铁芯的。因此，磁感应强度可通过增加线圈的匝数或磁芯材料的磁导率
12、来极大地提高。毕奥沙瓦特定律从数学的角度上阐释了一个导体中的外加电流与激发的磁感应强度之间的关系 （6-1） 图6-4 由电流感应出的磁感应强度其中r表示由空间中的某一点与通电导线的垂直距离，而是从通电导线上一个点与前面所述的空间中的某一点的单位方向矢量指向。而空间这一点的是要计算出来的。 对导线长度超过1的范围进行积分。叉乘表明矢量的方向与电流（限制在导线中）方向相垂直，又垂直于方向矢量，这就是说，是沿着导线的圆周方向。磁感应电流 假使我们将一根导线放置在一个磁场中时，在导线内将产生一个电压（感应电动势）和一个电流（假设这根导线是封闭的）。流过的电流量与封闭的环形区域内 （6-2）穿过的磁通
13、成一定比例。其中是这个封闭区域的单位向量。法拉第电磁感应定律阐释了穿过封闭区域内总的磁通的大小与感应电动势的关系。 （6-3）负号表明由感应电压所激发的感应电流的流动方向是抑制磁通的改变，这就是楞次定律。而电流与磁通之间的关系可表示为： （6-4）其中比例系数L被称作为电感。L代表导线的一些自身的属性，如：线圈的形状、尺寸、匝数以及铁芯材料的渗透性。因此，在电路中常用到一个电源串联的理想电感。 （6-5） 自感 显然，电子运动（电流）可以产生磁场，该磁场的强度由导线的几何形状决定。由于磁场的产生要消耗能量，因此，电流除了受到导线的正常电阻作用外，还受到额外的阻抗作用，即大家所知的感抗。它与频率
14、f和电感L都成正比。阻抗（感抗）的增加及其引起的电流下降证明这是一个典型的暂态回路。 外加电压使导线产生电流，从而产生与之相关的磁场。 磁场在导线的存在感应出二次电流（通过感应电动势产生），以此抵抗外加电流（楞次定律） 总电流等于外加电流与感应电流之和。 该论断揭示了两个重要观点。第一，该事件是循环的，并且可以对自身起作用。因此，电路中的电动势是通过磁场本身的改变而产生的，这也就是自感LS。第二，该事件是瞬态的，因此，自感的感抗必然与时间有关，并且遵循6-5式。但是，电阻的能量是通过热能来消耗的，而电感器（产生电感的物理原件）则将能量存储为磁场。当外加电流撤销时，这个磁场也随之消失。 互感与涡
15、流检测 到目前为止，我们已经看到，有通电线圈（初级线圈）产生的能感生出磁场，这个磁场能延伸到空间并绕回到出发点。如果把第二个线圈（二级线圈）放在磁场里，则该线圈会产生与其所获得的能量成正比的电流（图6-5）。二次线圈产生电流需要由初级线圈提供能量。因此，初级线圈必然会受到一个相应的感抗，这个感抗就叫做互感. 现在试想，如果次级线圈不是一个环形线圈，而仅仅是一个简单的金属板，如图6- 5b所示。情况又会怎样呢？磁场仍然会在金属板里产生电流，从而对初级线圈反馈一个相应的互感，这个互感就是涡流设备的基础。 另一种常用的涡流探头结构（图6-5c）采用一个有源线圈和一个独立的检测线圈。在这种情况下会一个
16、初级线圈和两个次级线圈（检测和试件）。 柳权：6.2.3和6.2.4， 6.2.3 线圈阻抗 涡流检测中最简单的技术就是电磁互感器。EC法是通过测量互感器阻抗的变化来进行图 6-5 主线圈和次级线圈的耦合示意图a)两个线圈回路 b) 线圈（一级）和金属板（次级）c) 两个线圈（一级线圈激励、次级线圈信号拾取）及金属板（次级）测量的。 典型的EC探头（换能器）是由2个或多个线圈组成的- 一个主线圈（激励）和1个或几个次级线圈。主线圈通一外加电流，额就是一个固定的交变电流。次级线圈是用来检测互阻抗变化的，这个互阻抗的变化是由于主线圈产生的磁通在试件中的变化引起的。 不管EC换能器是单线圈还是多线圈
17、探头，它只有连个重要的参数：电压和电流。通过测量电压和电流，就可以推测特定的线圈的阻抗和感抗。如同以前所讨论的，阻抗和感抗的值是由整个换能系统决定的。包括和试件的互感Lm，EC探头的线圈一般是固定的，阻抗和感抗的改变直接与试件本身相关。但其他的参数，比如温度，也会改变探头的阻抗。 通常用来讨论阻抗（或一般的电路分析）的表示方法有两种：正弦法和相量法。 阻抗：在EC系统中有两种阻抗或电阻的概念：（a)线圈的直流电阻，（b）反射电阻。前者为不同材料和金属线的材料特性，后者是线圈中额外产生的电阻，他是由次级线圈的相互耦合以及涡流损耗而产生的，在这两种情况下，总电阻是材料的电阻率及试验频率的函数。然而
18、，反射电阻也取决于反作用于主线圈的磁场耦合。为了确定试件的阻抗特性，必须先确定耦合系数。EC探头在自由空间中的电阻为R0,不管它是几号线圈，探头在试件上的电阻为R，因此，由试件的反射电阻引起的电阻改变为R-R0。 感抗：就像有直接电阻和反射电阻一样，EC探头（换能器）自身也有电感和互感。电感阻碍电流的变化。我们知道，感抗和电感的值是频率的函数，L，也由几何因素有关。感抗的定义是 Z=V/I 假设电感器重的外加电流为一正弦电流， 由方程 可知，其感抗为 然而，一般很少使用时域形式的表达方式，我们一般使用均方根（rms）或相量来表示： 6.2.4 涡流密度与透入深度 涡流是在垂直于磁通平面内分布的
19、感应电流的闭合回路。它们的绕行方向一般平行于线圈绕组且局限于有感应磁场的区域。涡流一般集中在离激励线圈较近的表面，并且它的强度随线圈距离的增加而减少。它的大小随透入深度的增加以指数方式递减。这种现象被称为集肤效应。 当涡流在试件中任意深度处流过时会产生与初始磁场方向相反的磁场，从而净磁通减少，导致电流随着深度的增加而减少，这样就产生了集肤效应。另外，在近表面的涡流可看成屏蔽线圈的磁场，从而减少了磁场在更深处的强度及感应电流的强度。 涡流在材料中的透入深度受激励电流的频率、材料的电导率及磁导率影响。透入深度随频率，电导率及磁导率的增加而减少。定义涡流密度衰减到其表面值的1/e或37%时为标准透入
20、深度。“标准”一词表示激励在试件中的平面电磁波(这种条件很少在实际中达到）。虽然涡流的透入深度比一个标准透入深度要大，但他的强度随深度的增加急剧减少。当在两个透入深度时（2d），涡流密度减少到1/e2或者其表面强度的13.5%。涡流透入深度如图6-6图所示。图 6-6 涡流透入深度 因为涡流检测的灵敏度和在缺陷处的涡流密度有关，所以了解在缺陷处的涡流的强度至关重要。在定位缺陷时，通常选择试验频率能够使缺陷的深度在一个标准透入深度之内。确保涡流的强度足够大，以至于能够充分表征出缺陷。另外，使用涡流测量材料的电导率时，一般选择能达到3个标准透入深度的试验频率。这有助于确保材料背面的涡流足够弱，以至
21、于材料厚度的变化不会影响涡流检测的效果。 定义透入深度为在深度x处，涡流密度的幅度为其表面值的1/e=0.368。计算公式为： 为标准透入深度（mm），=3.14，f为试验频率（Hz），为磁导率，为电导率。 涂文斌：6.3.1到153页底，6.3 涡流检测技术6.3.1 阻抗分析法 阻抗平面图 因为一个涡流传感器是一个变压器，所以我们能直接测量两个量：电压和电流。但是从这两个量，我们可以推断出所有我们想要得到的简单信息：电磁材料的性能，零件几何体，部分完整性。 我们典型地呈现涡流传感器的输出量，像电压转化为电流的比率，也就是变压器的阻抗。比如测试试样的像电导率，磁导率等物理参数的改变，阻抗的改
22、变。在涡流线圈上一个阻抗平面图的变化，阻抗作为测试试样的变量。这个部分讨论当一个涡流探头的阻抗变化时，阻抗平面图的基本构造。由材料变量或共同关注的几何变量引起的是： 1.电导率 2.磁导率 3.激励 4.试样的厚度或层厚度 5.取试样边 一个有效的涡流探头允许我们来识别哪个参量已经改变。为了达到这个目的，我们能够构造一个阻抗平面图来决定最佳实验频率。因为探头的形状影响阻抗图的形状，所以在这个区域，我们设想一个平行表面的探头，另有规定除外。 归一化阻抗 我们详细说明传感器的阻抗是使用真正抵抗力的阻抗的阻抗平面图来反应试样导电性的变化。R与虚构的电抗阻抗相对（如图6-7所示）。然而阻抗平面格式（电
23、阻与感抗）是有用的，对于甚至一个试样在频率上的变化，它需要一个新的图。相反我们能够创造单一的归一化通用曲线，它归一化频率的影响，基本的线圈电抗，电导率和平均的探头直径。 图 6-7 感抗的响应，初级线圈的电导率从0到 一个通用的阻抗图来源于一个给定的探头响应的归一化图（如图6-8a所示），记录下变量的变化。为了方便，总共电阻的参量（线圈加上反射电阻）将以来表示，并且现在将仅表示折合电阻。相似的，总的阻抗现在表示全部。给出变量变化，对于这个调整，让 (6-12) 图6-8 a）归一化阻抗图。记 表示总阻抗 b）归一化阻抗图 表示总的阻抗。归一化的第一步是为了从总的阻抗减去自由空间探头的阻抗，并且
24、识别折合阻抗如 (6-13) 为简单起见，我们定义一个新的阻抗如 （6-14） 归一化的最后一步是以探头的自由空间电抗来划分： （6-15） 我们现在画一个通用的涡流探头阻抗来反应复杂的平面（如图6-8b所示）。归一化的感抗从1变化到0欧姆，例如，试样的电导率从0变化到1西门子或1兆西门子（感抗接近于0欧姆表明在探头和试样之间的感应耦合接近100%）。 许多文献描述了一个圆形的而不是逗点状的曲线，但是这个理想化的模型忽视了投入深度的影响。然而，在非常薄的薄片或薄管上，圆形阻抗曲线几乎完全使用。 试样的电导率和实验频率 阻抗平面曲线简单地描绘了涡流探头的从测试试样到最初线圈（或者拾起线圈）的折合
25、阻抗。如同我们以前知道的那样，折合阻抗是根据诱导的涡流多少转化为热量（试样阻抗）来计算相对诱导附加磁场的二次磁场的涡流的数量（对于这个区域，我们假定探头和试样之间的磁场100%耦合）。 就真正的电阻损耗（）和假定的的无功功率储存（）而言，我们详细说明测试试样的电导率在折合阻抗上的影响（如图6-8所示）。（我们假定探头振荡器的频率是恒定的。）相似的，当我们使用归一化阻抗图时，折合阻抗R从0到最大，又变为0欧姆，就像测试材料的电导率从0变到西门子每米。如果材料的电导率等于0，那么试样上没有产生涡流而且探头的阻抗不会受测试试样存在的影响。在归一化阻抗平面上，。另一种极端，当且时，试样没有电阻损耗，且
26、涡流引起等效二次磁场并且抵消由初级线圈产生的磁场，例如，磁场彼此完全互斥（）。介于这两种极端之间，当测试试样的电导率从0增加，电阻损耗和产生的涡流增加一样多。在某些时候，对于在试样电导率给定增加的情况下，涡流密度的增加要比阻抗损耗重要的多，并且R的值开始减小，最终当电导率接近无穷时，接近0。 有趣的是，如果驱动初级线圈的振荡器的频率从0变到时，探头的阻抗将和试样的固定电导率一样，如果电导率以一个固定频率变化。有启示的争论是当，没有磁场产生（没有涡流），因此，且。当趋近无穷时，涡流完全在试样表面产生，且没有电阻损耗；这和电导率趋近无穷是一样的。这些高频率表面范围上的涡流诱导一个等效磁场和抵消激励
27、磁场；这样这个磁场抵消另一磁场且趋近于0。图6-9说明了当涡流探头频率增加时，五种材料（钛，不锈钢，铅，铝，铜）阻抗的变化。注意到如果材料的电导率增加，阻抗的轨迹和它将要变成的一样。表6-2列出了材料的电阻率（微欧姆每米）和普通材料的电导率（国际退火钢）。 图6-9 涡流探头激励频率在各种电导材料上的影响a)f=25kHz b)f=100kHz c)f=1MHz 表6-2 普通材料的电阻率和电导率材料电阻率电导率IACS钛-6铝-4钒172.001.00X镍合金115.001.50铬镍铁合金600100.001.72316不锈钢74.002.33304不锈钢72.002.392锆镍合金72.0
28、02.402钛48.563.55蒙乃尔铜-镍合金47.893.60锆40.004.30白铜70-3037.484.60铅20.658.35白铜90-1018.959.10铸钢16.0210.70发光青铜16.0011.00铝青铜12.3214.00黄铜6.2028.00钨5.6530.51铝7075-T65.3932.00铝2024-T45.2030.00镁4.4538.60钠4.20041.50铝60614.1042.00金2.4670.00铜1.72100.00银1.64105.00 特性参数 由于试样的电导率和激励频率对探头阻抗产生同样的影响，对于无磁性材料，能描绘阻抗图 ，这样解释了和
29、在曲线上为何变化是一样的。关于完成阻抗图的归一化，线圈的平均半径归一化为有长度单位的。或称作特性长度（数字）和归因于多兹。这样变化的，的影响在阻抗图上描写了同样的曲线（如6-10所示）。毫无疑问，这个特性长度和渗透深度直接相关（）。涡流深入试样的深度对阻抗的轨迹的论证是必要的。这样有长度单位的称作限制长度。 对于环绕的线圈，一个普通的选择性的归一化参数是管或者棒的平均半径，。注意到和都有无量纲的长度-米或米的单位。 铁磁性电导材料 就无磁性的电导材料而言，涡流检测对于磁性电导材料（主要是铁和镍合金）是很普通的。然而，磁性材料影响阻抗图吗？回顾对于一个给定的外加磁场，材料里的磁感应强度B和材料的
30、磁导率成比例的增加，例如，而且由于感抗L和B成比例，对于磁导率大于1的材料的测试将增加折合阻抗如。 图6-10 使用特性（长度）参数的归一化阻抗图由于当测试的样本的相对磁导率大于时，探头的电感（相对电阻）将会增加，这种现象不同于涡流效应会引起电感的减小。简单的说，磁通密度是由于检测区域相对磁导率增加而产生的。（忽略检测区域改变而引起的磁滞损失）涡流产生的二次磁场反作用于检测区域。这二种效应分别引起涡流探头的阻抗变化。蔚道祥：154-156， 在理想的条件下，线圈的阻抗仅仅电感可以增加，其实电阻是不发生任何变化的，图6-11描绘了相对磁导率为1510时的曲线簇，到底是什么产生了真正的损失，图6-
31、12描绘了检测区域改变而引起B-H的变化。B-H曲线所包围的部分是磁滞损失。当检测区域发生变化时，要使检测区域和磁场区域吻合就需要能量。因此当相对磁导率增加时（BH曲线的坡度）导致阻抗增加，同时导致和R的增加，如图6-11所示的箭头所指的方向，表示相对磁导率增加的轨迹，所给出的在点结束。有效磁导率：在图6-12所B-H曲线描述了材料磁化的重要性，一条的磁滞回线解释了涡流检测引起的磁滞循环，涡流效应产生了交变电流场。磁滞回线的斜坡部分叫做可逆磁导率,磁滞回线的轨迹是由于材料被直流磁化而产生的。例如直流磁化饱和区域的应用，磁化饱和区域的目的是将所有的磁场区域联系起来。这样的饱和区将会减小趋肤效应的
32、影响。，因此可以增加涡流在材料中的渗透深度。在涡流计算可逆磁导率必定可以用的到。提离效应：提离效应描述了涡流探头与测试物体之间的距离。很显然，当提离高度增加，探头对测试部分的电感耦合将会减少，因此，检测时间涡流探头的阻抗将会减小（将会产生更少的磁场到达检测材料）探头的阻抗为无磁场区域的阻抗。 图6-13表明了涡流探头的阻抗的提离效应而产生的变化，在这的提离效应是线圈半径的归一化：这里的归一化思想是在给定的提离效应的情况下成立的，由于面积大的探头比面积小的探头的提离效应更小。图6-13虚线表明了提离到固定高度时候的轨迹，实线表明了提离高度从0变化到，最长的实曲线表示100%的提离，=1.00,同
33、时也表示了最高灵敏度由于材料参数的改变（如电导率），注意到产生的磁场完全消失仅仅只能发生在理想的条件下成立，即=1.00时。 从图6-13可以得出以下几点重要结论： 1当探头接近于工件表面时阻抗变化会由于提离效应变化的更快. 2高电导率材料的提离效应主要反映是阻抗的改变. 3面积小的探头比面积大的探头的提离效应更加灵敏. 探头提离所包围的测试工件叫做填充系数，填充系数是大量包围着测试样本的线圈。边缘效应：当涡流探头处于导体测试样本边缘时，涡流电流肯定在几何边缘轮廓上，探头区域部分不在被样本所遮挡，对于非铁磁性材料和铁磁性材料的边缘效应阻抗图如6-14所示，图中箭头表明阻抗随着探头在材料边缘检测
34、变化，将探头放在试样上方开始扫描，离边缘足够远时边缘效应处停止，.通过对比，图6-14描述了边缘效应和不同激励频率的影响。在实际应用中，对于非铁磁性材料，在低频时边缘效应和提离效应的区别增大（低频时二条曲线的角距较大）；对于磁性材料，则在高频时增大。材料厚度：我们知道磁场区域和涡流产生的电流会随着渗入样品的深度增加而减少，这种现象叫做趋肤效应，当材料厚度减小到常用的有效趋肤深度，大量的磁场信号将渗入材料内，那么检测工件将不再有磁场渗入材料，图6-15描述了涡流探头阻抗轨迹随着材料厚度的减小的变化，5种金属（钛，不锈钢，钢，黄铜，铝分别拥有不同电导率），图中螺旋曲线描绘了不同样本厚度下的阻抗曲线
35、，图中实线表明了不同电导率样本中的阻抗曲线变化，其中尖峰表明了提离效应的变化。李朝夕：157-158和6.5 一个常规厚度曲线是扫描曲楔型材料的产生的，螺旋线是由于厚度改变而产生的，当厚度增加时实曲线不会引起探头的阻抗变化而产生的（当达到与5倍趋肤深度时，涡流产生的磁场强度减少为材料表面磁场强度的1%）。另一方面，随着试样厚度的减小，阻抗轨迹将会背离逗号曲线和回旋曲线而趋向于自由空间里的探头阻抗轨迹。此时，并不存在厚度趋于零的试样。值得一提的是，强导电材料的厚度轨迹要比弱导电材料具有更大的旋量。与此同时，对于一个给定的材料（导电率为常量），随着频率的降低，由厚度影响的曲线将会上升。厚度变化对于
36、磁性材料（钢）的影响如图6-15b所示。6.3.2 其它涡流方法多频法：多频涡流检测方法采用多个激励频率，它克服了在检测时受到试样附近其它导体产生干扰信号的问题。多个频率同时作用于传感器，可以在试样上感兴趣的区域获得大量的涡流数据。干扰信号需要提前被识别并运用分析方法抑制该信号。实际上，四频技术已经得到了应用。多数情况下，两种激励频率和抑制后的干扰信号是混合在一起的。一些机构对这种方法进行了研究，例如法国的Intercontrole公司对试样的研究以及对具有支撑板的蒸汽发生器传热管的考核。脉冲法：对铁磁性材料使用脉冲激励能够获得较深的穿透深度。脉冲的持续时间非常重要，它可以在较低电压水平（50
37、V交流）下使用大电容实现。远场低频法：远场涡流检测技术能够实现对厚的铁氧体管道的不连续进行检测。激励线圈远离检测线圈，防止它们之间发生任何电磁耦合。这就和需要其他方法的贴近式线圈形成了对比。和激励频率有关的检测器采集的涡流信号的相位提供了一种测量管壁特性的方法。邹国辉：6.4.1和6.4.2,6.4 检测仪器与辅助装置6.4.1 涡流传感器（探头）涡流探头把时变电流转换为磁场，然后把产生的磁场转换为电压（电动势-这个电动势只有在电路时闭合回路时才会产生电流。）。最常用的涡流探头仅仅是一个有细铜线绕制的线圈，它就构成了一个感应器。其他少用的形势的还含有霍尔传感器以及磁记录介质。本节只关注绕线式涡
38、流探头。但是以下所讨论的都是一般的，能够使用于任何涡流传感器。绝对式和差分式涡流探头 主要有两大类涡流探头：绝对式和差分式。这些术语来源于检测线圈的构造不同，而不是激励线圈。（当然，我们知道有些线圈包含了了激励线圈和检测线圈的作用；他们简称为单线圈涡流探头。）绝对式探头测量的是同一试样或者同一环境下的量；差分试试探头比较来自两个不同探头的反馈（如图616a所示）。要注意的是差分式检测线圈的绕卷方向是相反的（因此“不同”或者”差异”），而那些双标记的有两个线圈，双环绕线圈的虚线表明绕组继续进行，但是没有表示出来。图616b显示了绝对式和差分式探头的实际原理图。关于双线圈，更大的那个作为激励线圈并
39、用来产生穿透磁场。内部的更小的检测线圈用来增强探头对横向不连续增加的磁场的灵敏度。对于大多数无损检测技术，探头的特定形式由实际使用需求而定。有以下三种基本类型（如图616所示）。外穿过式：用于管材及棒材的外部检测；内穿过式：用于管材的内部检测；放置式：表面检测（单向的或者多向传导）。涡流参考线圈 尽管涡流检测探头可以不用参考，但是在大多数使用情况下都需要参考。没有参考，探头仅仅只是测量出线圈和检验组合的总阻抗，并且很难从信号获得而外的信息。一般，参考信号被从感测信号中减去了。参考信号的偏差表示变量（电导率或者厚度）的变化或者不连续性的存在。实际获取参考的方法分为三大类：1. 内部参考线圈。2.
40、 外部参考线圈。3. 自比式参考线圈。内部参考线圈作为一个额外的线圈直接安装到探头壳体内。它被串联到检测线圈，垂直安装并且尽可能的远离检测线圈（如图617a所示）。这种结构降低了参考线圈对试样检测的灵敏度。当探头放在空气中（自由空间），检测线圈的信号与参考信号相同。如果他们反接，信号则相互抵消。当探头放在试样表面，探头的输出是来自空气与试样之间信号的差异。我们可以通过检测一块与检测线圈所检对象材料相同的无缺陷的试样来提高这种结构的灵敏度（如图617b所示）。简而言之，就是将一片相同材料插入到参考线圈旁边。图616一种提高灵敏度更更有效的方法是用两个匹配的探头，它们仅仅只含有一个检测线圈（如果我
41、们用双探头，则有一个激励线圈）。一个探头作为传感器而另外一个作为外部参考线圈。当两个探头都在空气里时，信号相互抵消。然而，在测试中第二个探头可以放在很多材料上（例如标准导电试块）而得到更高灵敏度的检测方法。图617自参考式是一种在外部参考线圈上发展来的。这种方法只用了一个探头；它放在参考试块上，得到的信号以电参量的形势储存。然后检测信号与储存的参考信号相比较。尽管用两个独立的探头是困难的（尽管你买了一个将两个匹配好了的装置），这种方法拥有“激励探头”与“参考探头”相互独立的优点。6.4.2 涡流检测仪器涡流检测设备有多种模式，从简单的或多功能的手持设备到用于做特定检测的快速扫描系统（一般都集成
42、到制造或者组装线），以及高度灵敏的阻抗分析仪（通常用于研究和开发）。这些系统的花费从几百美元的手持设备到成千上万美元的制造检测系统。图618是两种电池供电的手持设备：一个简单的用于测导电厚度的涡流仪器，另外一个多功能的设备用于检测缺陷（裂缝，点蚀，腐蚀等等），电导率，以及不导电涂成厚度。第二种频率响应从5HZ8MHZ。不连续响应还可以显示在阻抗平面上，以及带状图。电导率单位可以用ISCA制（以铜的电导率为100%）或者MS/m（西门子等于欧姆的倒数） 。那设备的双频工作模式可以让操作者减少干扰信号的影响，例如提离或者温度的影响。涡流检测系统同样还可以用于大规模生产以及质量控制中的快速检测。通常
43、，这些系统有很多涡流探头而变得很复杂。它的复杂性在于被检部位以及探头的操作，而并不在于涡流检测方法。图619是一个用于汽车转向推杆检测全自动的裂纹检测系统。六个同时扫描的涡流探头检查了推杆的一切可能有裂纹的部位。这个智能化的涡流检测系统工作量大约为每小时600个工件，根据接受拒绝准则来分离工件。这个系统用于处理大量的推杆工件。图619大多数涡流检测设备是网络化的阻抗分析仪。实验室这台基本的一起可以提供极高的灵敏度、扫频范围（低频100 MHZ），以及多种频率选择。它不仅能测量相位和幅，还能直接测量阻抗的实部与虚部，并可提供多功能编程及补偿等。这种一起的三个主要缺点是：（a）它没工业硬化容易被损
44、坏，（b）要求操作者有丰富的经验，（c）成本高。李朝夕 6.56.5 应用涡流检测方法在很多工业领域得到了广泛的应用。如：研究、生产、发电、维护。这种方法能容易的应用到过程控制，质量控制和在役整体检测。和很多无损检测方法相比，涡流传感器只能对一些参数有响应，如：电导率、磁导率、探头和试样的几何形状。但是这些简单的参数提供了大量的关于电磁材料的有用的信息。下面列举一些涡流检测的用途。1 测量金属板，管壁的厚度。2 测量材料涂层厚度，有涂层区域的材料具有明显不同的电特性或磁特性。3 通过分析影响检测材料电特性或磁特性的构成或结构，识别或分选材质。4 检测材料的不连续性（存在于垂直于涡流的平面内），例如:裂纹、焊缝、凹陷、刻痕或插孔，钻孔和其他一些孔以及位于金属板边缘的薄板。5 识别和控制热处理状况，评价热损伤对材料结构的影响。6 定义钢和其他一些含铁合金的表面硬化强度。7 对埋藏的金属物体定位，如：地下管道、地雷或者矿石。等等、