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⑶影响金属导电性能的因素(A)
1)温度;
2)合金成分:
纯金属ρ较小,合金ρ变大;
3)强度、硬度和应力:
(冷加工后,强度、硬度↗,导电性能↘;
残余应力→导电性能变化)
4)热处理状态:
(冷热剧变热处理→ρ↗;
冷加工后退火处理→ρ↘)
3.1.2金属的导磁性能
⑴磁场与金属的磁化(B)
磁场强度H,单位A/m,工程上用奥斯特(Oe)——(描述磁场的强弱)与介质无关
H=(N/l)IN/l---线圈密度
磁场的分布也可用磁力线描述:
磁力线(切线方向→磁场方向),(磁力线密→磁场较强,磁力线疏→磁场较弱)
金属的磁化:
不同的金属在同一磁场的作用下具有不同的磁性。
磁感应强度B,(磁通密度),单位T,工程上用高斯(Gs)——与介质有关
B=H
-磁导率,r相对磁导率
=r0
0-真空磁导率空气磁导率
空气和有色金属,r1;
铁磁材料r>
>
1
表3.4
长线圈内置入金属圆棒
B=r0(N/l)I
通过某点处垂直于B的单位面积的磁力线的条数等于该点B的数值。
即B=磁力线密度(磁通密度)
----通过一给定面的总磁力线数称为通过该面积的磁通量。
磁通量=BS,B=/S
⑵金属的磁特性(B)
非铁磁性材料:
顺磁质(r>
1)——铝、锰、铂
抗磁质(r<
1)——金、银、铜
铁磁性材料:
黑色金属(铁,钴,镍及其合金)r>
图3.3铁磁性金属的磁化特性曲线
o-a-b-m初始磁化曲线
图3.4磁滞回线;
剩磁Br,矫顽力Hc
磁性的显现(磁化)――磁畴规则排列
磁性的消失(退磁)――磁畴紊乱分布
磁性的变化――合金元素,冷热加工,居里点
⑶影响金属导磁性能的因素(A)
1)加工:
(冷加工、淬火热处理、掺入微量元素→r↘;
退火处理→r↗)
2)温度:
(分子热运动→磁性削弱;
居里温度)
R变大时感应电流的方向
3.2电磁感应原理
检测线圈→电磁感应→产生涡流
检测线圈←电磁感应←工件质量信息
3.2.1电磁感应的基本定律
1楞次定律(A)
闭合导电回路――回路内的磁通量变化――感应电流――电磁感应。
感应电流产生的磁场总是阻碍激励(引起)感应电流的磁通量的变化。
电流方向判断:
楞次定律
2法拉第定律(B)
感应电动势与磁通量的时间变化率成正比。
电流大小描述:
法拉第定律
3.2.2涡流检测中的电磁感应(A)
导电回路――圆筒状薄壳,感生电流――涡流
3.2.3线圈的电感(B)
两个载流线圈互相激起感应电动势的现象称互感;
线圈中涡流的变化而在线圈自身所引起的感应现象叫自感;
线圈的磁通量φ与I成正比
比例系数L称为自感系数(简称自感),单位是H
线圈的自感由线圈本身的几何参数和匝数决定
自感电动势
3.3正弦交流电及其表示方法
3.3.1正弦交流电的基本概念(B)
正弦交流电的数学表达
图3.9,三个特征量:
频率、幅值和相位
=2f-角频率,单位:
弧度/秒,f-频率,单位:
Hz;
V或I-幅值,单位:
V或A
-初相位,单位:
弧度或度,1rad=180/3.14=57.3
t+―相位
相位的超前或滞后,图3.10
3.3.2正弦交流电路的阻抗(B)
反映某一元件上v和i之间的关系必须的两个量
阻抗:
Z=U/I,
相位差:
=v-i
●纯电阻电路
Z=U/I=R,阻抗=电阻,单位
=v-i=0v和i相位一致
●纯电感电路
Z=U/I=L,阻抗=感抗,单位电感的感抗∝∝f
=v-i=/2v相位超前i相位90°
电感元件的电流落后电压/2弧度
●电阻和电感的串联电路
见下节图3.13
3.3.3正弦交流电的矢量表示方法(B)
点与坐标原点的连线=交流电压的峰值V
连线与横轴之间的夹角=交流电压的初相位
图3.12:
电压平面图
实轴;
虚轴;
电压的实部;
电压的虚部
图3.13:
阻抗平面图
阻抗的实部=电阻,阻抗的虚部=感抗
3.4涡流的趋肤效应
3.4.1金属平板中的趋肤效应
1趋肤效应(A)
涡流i或磁场H集中于导体表层的现象
原因:
能量衰减
2磁场强度和涡流密度的渗透深度(A)
关系:
磁场强度和涡流密度均呈指数衰减,衰减的快慢程度取决于金属的电磁特性(σ、μ)及交变磁场的频率(f)。
规定:
渗透深度δ=磁场强度H和涡流密度J的幅度降至表面值的1/e(约36.7%)处的深度
计算:
(cm)
σ单位——1/μΩcm;
f单位——(Hz);
μr——无量纲
意义:
渗透深度关系到探测灵敏度和探测深度,
通过激励频率控制渗透深度,兼顾表面和内部
3磁场强度和涡流密度的相位滞后(B)
内部比表面涡流相位滞后:
=-x/
深度x等于渗透深度δ时,相位滞后量为1个弧度(rad)或57.3°
根据相位滞后大小可以判断缺陷的深度位置
3.4.2金属圆棒中的趋肤效应
1磁场强度的分布(C)
图3.16
2涡流密度的分布(C)
图3.17
渗透深度和相位滞后近似应用平板的相应公式
3.4.3铁磁性材料磁导率对趋肤效应的影响(B)
铁磁性材料的趋肤效应强烈,渗透深度很小
观察图3.3:
将材料磁化到近饱和状态时,磁导率明显降低,渗透深度大大增加,同时消除了(初始)磁导率不均匀的影响。
3.5检测线圈的感应电压
3.5.1空心线圈的感应电压(B)
感应电压正比于线圈参数(匝数等)、激励频率、激励磁场强度
3.5.2含有试件的线圈的感应电压
感应电压正比于线圈参数(匝数等)、激励频率、激励磁场强度有效磁导率
有效磁导率率μeff――假想的磁导率,是一个模小于1的复数。
加入试件后,由于涡流的产生,使感应电压减少
图3.21有效磁导率曲线
试件填充线圈的面积比――填充系数,也会影响感应电压。
=S试件/S线圈=(d/D)2
⑴有效磁导率与特征频率(B)
⑵圆棒直径等于测量线圈时的感应电压(C)
⑶圆棒直径小于测量线圈时的感应电压(C)
3.5.3检测线圈感应电压的归一化(B)
归一化:
V/V0
目的:
消除空心线圈的感应电压的影响
归一化结果:
3.5.4检测线圈感应电压与阻抗的关系(C)
归一化电压和归一化阻抗:
当=1,r=1时,
归一化电压、归一化阻抗和有效磁导率曲线形状一样,规律相同――阻抗分析
3.6涡流检测的阻抗分析
涡流检测法—根据检测线圈阻抗(感应电压)→检测对象的质量信息;
→检测线圈阻抗(感应电压)受各种因素影响的变化规律。
阻抗分析目的――研究各种因素对线圈阻抗(感应电压)的影响,反映在阻抗图上,即阻抗点的变化规律(方向,大小)
3.6.1穿过式线圈检测金属棒材的阻抗分析(C)
Z/Z0=1-η+η·
r·
eff
独立变量:
f/fg;
η
⑴非铁磁性棒材,r=1
归一化阻抗图的解释:
横坐标,纵坐标;
曲线的形成;
阻抗的幅值和相位
阻抗的变化:
变化的大小、方向
空心线圈的阻抗位置
基本影响因素:
试件方面:
σ,μ,d
线圈方面:
f(R0和L0已归一化)
耦合方面:
缺陷是基本因素的综合影响,依靠模型试验得出图线
频率和电导率变化引起的阻抗变化方向:
切向
直径和填充系数变化引起的阻抗变化方向:
弦向
指导意义:
选取适当的工作点,使待测因素和干扰因素的阻抗变化方向差别大,以利于相位鉴别
f/fg>4
⑵铁磁性棒材r>>1
Z/Z0=η·
由于两个d2·
r的存在,∴r变化与d的变化不可区分
依靠磁饱和技术变成非铁磁性材料处理
3.6.2穿过式线圈检测金属管材的阻抗分析(C)
⑴非铁磁性薄壁管
线圈的归一化阻抗与棒材的公式具有相同的形式,但有效磁导率不同。
有效磁导率和归一化阻抗曲线为半圆,壁厚是重要影响因素。
特征频率和有效磁导率曲线
fg=50.66/(σdiW)
⑵非铁磁性厚壁管
非铁磁厚壁管的线圈阻抗曲线介于薄壁管与实心圆棒的阻抗曲线之间
阴影区域表示管子各种特性发生变化时,线圈阻抗的变化范围
fg=50.66/(σdo2)
实线---f/fg=4、9、25、100时,由实心→空心的阻抗变化。
即各曲线σ、d0为常数,di、W的变化
虚线---di、d0、W为常数,σ、f的变化,
3.6.3内插式线圈检测金属管材的阻抗分析(C)
图3.25和图3.26所示的非铁磁性薄壁管的阻抗曲线,(外穿过式),也适用于内插式线圈检测薄壁管的情况。
fg=50.66/(σdi2)类似圆棒材的情况,将外径d替换为内径di
填充系数=S线圈/S试件=(D线圈/d内径)2
应用:
检测管壁腐蚀引起的内壁变化
3.6.4点式线圈检测金属板材的阻抗分析
点式线圈和穿过式线圈的阻抗分析差别较大。
⑴三个变量:
归一化频率:
F=σ0ωR2;
归一化距离:
h/R;
线圈长径比:
l/R
⑵归一化阻抗平面(C)
涡流检测的最高灵敏度在归一化阻抗的实部达到最大值的地方(曲线拐点处)
⑶提离与提离效应(B)
提离与提离效应:
线圈到金属表面的距离也称提离间隙,简称“提离”。
提离引起线圈阻抗变化的效应称为“提离效应”。
点式线圈阻抗受“提离效应”影响很大
提离效应是膜层测厚、位移测量、振动测量的基本原理。
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