1、开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页1江苏科技大学数理学院开放性选修实验训练涡流无损检测实验报告指导老师： 魏 勤 组员： 彭加福（0640502112）胡进军（0640502107）徐大程（0640502115）江 苏 科技大学数理学院 06 级应 用物理学2009 年 12 月 15 日开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页2涡流无损检测实验报告彭加福（江苏科技大学 数理学院 应用物理 0640502112）涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测
2、方法，它仅适用于导电材料，如果我们把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。由于导体自身各种因素（如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等）的变化会导致感应电流的变化，利用这种现象而判知导体性质、状态的检测方法，叫做涡流检测方法。在涡流探伤中，是靠检测线圈来建立交变磁场，把能量传递给被检导体，同时又通过涡流所建立的交变磁场来获得被检测导体中的质量信息。作为无损检测的一种重要手段，涡流检测在现代工业无损检测中得到了深入而广泛的应用和推广。实验训练期间，我们采用 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪、D60K 数字金属电导率测量仪和 7504 塗层测厚仪等涡流仪器完成了定
3、标、探伤、电导率测定和膜厚测量等实验，掌握了涡流的产生机理及涡流探伤原理，熟练掌握了各种涡流探伤仪、测量仪的基本操作。1 实验目的1.1 熟悉各种涡流探伤仪、测量仪的基本操作，简单了解各实验仪器的工作原理及性能，并通过系列实验了解涡流无损检测在现代工业中的应用；1.2 学习掌握涡流检测的基本方法及相关理论知识，了解涡流检测仪、测量仪及涡流探头的内部结构和工作原理；1.3 分别使用 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪、D60K 数字金属电导率测量仪和 7504 塗层测厚仪进行探伤、测电导率和薄膜厚度。2 实验仪器SMART-2097 智能便携式多频涡流仪、D60K 数字金属电导率测量仪、
4、7504 塗层测厚仪、各种涡流探头及数据传输线、SMART-2097 智能便携式多频涡流仪标准试块（含有深为 0.1mm, 0.5mm, 1.0mm 的划痕） 、D60K 数字金属电导率测量仪高值-低值定标试块、7504 塗层测厚仪标准膜。3 实验原理3.1 螺线管磁场如果将长直导线绕成螺线管，磁力线分布类似于条形磁铁，磁场方向取决于电流方向，同样可以用右手定则表示，其磁场强度取决于两个因素：线圈的圈数和电流的大小，圈数越多或电流越大，则磁场越强。对一个螺线管来说，它所形成的磁场是数个线圈磁场的叠加，所以当交流电通过螺线管时，可形成既强又集中的交变磁场，如图 1 所示。开放选修实验训练涡流无损
5、检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页3H涡流i e交变电流i受检样品 He根据右手定则和电流方向判断磁力线的方向，螺线管所形成磁场强度的大小与其匝数的多少有关。在线圈中，各环线圈可合成一个集中的磁场，当线圈通以交流电时，可形成一个较强的交变磁场。图 1 通电螺线管的磁场3.2 涡流的产生机理变化着的磁场接近导体材料或导体材料在磁场中运动时，由于电磁感应现象的存在，导体材料内将产生旋涡状电流，这种旋涡状的电流叫涡流。同时，旋涡状电流在导体材料中流动又形成一个磁场，即涡流场，线圈产生的磁场和涡流产生的磁场会互相影响，最终达到动态平衡。图 2 所示，线圈中
6、通以交变电流 i ，线圈周围产生交变磁场，因电磁感应作用，在线圈下面的导体（试样）中同时产生一个互感电流，即涡流 ie 。随着原磁场 H 周期性交互变化，产生的感应场（或称互感磁场）即涡流磁场 He ，也呈周期性交互变化。由电磁感应原理可知，感应场 He 总要阻碍原磁场 H 的变化；即当原磁场 H 增大时、感应磁场 He 也要反向增强；反之亦然，最终达到原磁场 H 与感应磁场 He 的动态平衡。通俗的说，感应磁场 He 总是要阻碍原磁场 H 的改变，以便维持相对动态平衡。图 2 检测线圈使受检样品表面产生涡流场交变电流iH开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-m
7、ail： 共 10 页 第 页4工件（导体）探头移动裂纹探头（检测线圈）振荡器（激励） 电压表（检测）涡流仪器3.3 涡流检测仪的基本结构及机理如图 2、图 3 所示，当检测线圈位于导体的缺陷位置时，涡流在导体中的正常流动就会被缺陷所干扰。换句话说，导体在缺陷处，其导电率发生了变化，导致涡流 ie 的状况受到了影响，感应磁场 He 随之发生变化，这种变化破坏了原来的平衡（即 H 与 He 的动态平衡） ，原线圈立刻会感受到这种变化。即通过电流 i 反馈回来一个信号，我们称之为涡流信号。这个涡流信号通过涡流仪拾取、分析、处理和显示、记录，成为我们对试件进行探伤、检测的根据。根据电磁感应的互感原
8、理，只有两个导体之间才能产生互感效应。故产生涡流的基本条件是：能产生交变激励电流及测量其变化的装置，检测线圈（探头）和被检工件（导体） 。通常受检工件包括金属管、棒、线材，成品或半成品的金属零部件等。实际上，除导体存在缺陷可引起涡流变化外，导体的其他性质（如电导率、磁导率、几何形状等）的变化也会影响导体中涡流 He 的流动，这些影响都将产生相应的涡流信号。因此，涡流不仅可以用来探伤，且可以用来测量试样的电导率、磁导率、几何形变（或几何形状）和材质分选等。图 3 涡流仪器的基本结构及原理3.4 电阻抗涡流检测的原理检测线圈拾取的涡流信号可由线圈的电阻抗（Z impedance）变化来表示，涡流检
9、测就是通过测量涡流传感器的电阻抗变化值来实现的，传感器线圈的电阻抗包括阻抗（R resistance）和电抗（X reactance） ，分述如下：3.4.1 阻抗能量损耗无论交流电流，抑或直流电流通过导体材料，电荷在导体中移动将克服一定的阻力，即电阻。开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页5导体材料的电阻使部分电能转化为热，损耗一定的能量。激励电流在线圈中流动，或感应电流在被测导体(工件)中流动都要损耗能量，不同试件因导电率，磁导率等影响因素各异，能量损耗的大小也不一样。铁磁材料的磁滞损耗也等效为有功电阻增大。3.4.2 电抗
10、能量存储当电流通过导体时，导体周围形成磁场，部分电能转化为磁场中的磁能，在一定条件下磁场的磁能可转变为感应电流。涡流检测中，除了自感现象以外，两个相邻的线圈间还有互感现象存在。无论自感电流，抑或互感电流所形成的磁场，总要阻碍原电流增强或减弱，这就是感抗的作用。同理，电容器对电压变化的作用称为容抗，感抗和容抗统称为电抗。一般的说，磁性材料增强检测线圈的电抗，非磁性材料削弱检测线圈的电抗。3.5 实验仪器介绍3.5.1 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪图 4 所示为厦门 EDDYSUN 生产的 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪，其集先进的数字技术、涡流技术和微处理机技术于一体，
11、能实时有效的检测金属材料的缺陷，区分合金种类和热处理状态，测量厚度变化，是一种实用性很强的多功能便携式涡流检测设备。 场致发光显示 电源开关 指示灯 探头插座 触摸键盘屏图 4 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪SMART-2097 智能便携式多频涡流仪的机构框图如图 5 所示。它以两个不同频率（F1, F2）同时激励检测线圈，根据不同频率对不同参数变化所获取的检测信号各异，通过实时混频，进行矢量相加减和其他处理，提取所需信号，抑制干扰信号，达到“去伪存真”的目的。SMART-2097 智能便携式涡流检测仪由电脑控制的具有石英晶体稳定度的可变频率波形发生器可产生所需要的正弦波激励波形，
12、按实际检测的需要选择不同频率（F1，F2）经过功率放大器后，同时送达检测探头激励检测线圈。检测后可获得几种不同的涡流信号，由探头拾取，然后分别进入不同的通道。经前置放大、相敏检波、平衡滤波、相位旋转和可调增益放大器。由计算机控制根据需要将两种涡流信号送入混合单元，经混合单元实时矢量运算处理后进入数据处理单元，开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页6由 A/D 接口送入计算机系统。计算机系统完成食品的管理、控制、计算和图形显示。图 5 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪的原理框图3.5.2 D60K 数字金属电导率测量仪图
13、 6 所示的为厦门鑫博特科技有限公司专业研发生产的 D60K 型数字金属电导率测量仪。D60K 型数字金属电导率测量仪可直接用于测量和分析有色金属材料及其合金材料的电导率值（如测量银、铜、铝、镁、钛、奥氏体等及其合金的电导率值） 。同时也用于间接测量和评价与金属材料电导率有密切关系的参量，如合金识别和验证、热处理状态和热损坏验证、材料力学评估、决定粉末合金零部件的密度等。 低值调节旋钮 高值调节旋钮 读数调节 高低值标定试块 涡流探头图 6 D60K 数字金属电导率测量仪开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页73.5.3 750
14、4 塗层测厚仪图 7 所示为 7504 塗层测厚仪，该测量仪可用于测量各种材质涂层的厚度，测量厚度范围依据于仪器自带的各种标准膜厚（最小值 11.70.5 um，最大值 32.10.9 um） 。该仪器操作简单便捷，具体操作见 4.3 实验步骤。 探头接口 右校准旋钮 左校准旋钮 开关 读数显示图 7 7504 塗层测厚仪4 实验步骤4.1 实验一：SMART-2097 智能便携式多频涡流仪的操作及定标4.1.1 仪器基本操作及定标1) 按“电源开关” ，接通电源，仪器随即显示相关内容，几秒钟后屏幕显示出“主菜单” （包括“程序” 、 “检测” 、 “显示” 、 “参数” 、 “打印” 、 “
15、报警” 、 “文件”等菜单） 。可根据需要选择操作程序和其他参数（按面板上的“左” 、 “右”箭号选择） 。2) 仪器有两种检测程序供选择，即“单阻抗平面显示”和“双阻抗平面显示” ，可根据需要选择。3) 选择“单阻抗平面显示” ，进入“检测”菜单，出现“调试” 、 “分析”等子菜单；4) 按“左” 、 “右”箭头选择“调试” ，进行仪器及探头参数调试，包括校准、调平衡；5) 调试操作时，应接好探头，并置于工件之上，按“左” 、 “右”箭头移动子菜单中的光标，当光标移动到相应的项，可按功能 3和功能 4调整相应变量，调整“匹配”和“驱动” ，使正弦波波形约为屏幕的 1/41/3 的高度。校准完
16、毕后按ESC键，表示确认，返回上一级菜单。6) 选择“平衡位置” ，可对涡流进行平衡点的设置，进入后，按“上” 、 “下” 、 “左” 、 “右”箭头将屏幕中的“+”标志调到中央；完成后按“确认” ，后按“左” 、 “右”箭头使光标移到“退出”开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页8选项，按“确认”退出。7) 回到“检测”界面，使光标移到“检测”后，按“确认”开始检测；8） 准备好定标试块，将探头放在钢制试块完好处，按一下“平衡” ；9） 将探头放在钢制试块 0.1 mm 划痕上，来回移动数次后，按ESC停止检测；10）观察幅值
17、是否分明，若不明显，调节“增益” ，重复 9）的过程；11）扫出一系列峰值后，进入“检测”中的“分析” ，移动两闸门，使一个峰值在闸门内，按“确认” ，读取幅值和百分比；测量多个峰值取平均；12）重复 7）11)步骤，分别测得 0.5 mm、1.0 mm 划痕的标定值。13）得到 0.1 mm、0.5 mm、1.0 mm 划痕的数值后，进入“调试”的“标定”子菜单，按“确认”进入，输入相应数值，按功能键功能 3，屏幕中即出现标定曲线。14）若受检工件是铝制品，则可以用同样的方法对铝试块进行标定；15）标定结束后，就可以将探头放到相应工件工件上进行检测了。4.1.2 涡流有效透入深度实验1) 选
18、择工作频率在 1-5kHz 的放置式线圈，仪器工作频率为 3kHz 左右。2) 调整涡流检测仪的增益、相位旋钮（或按键） 。使提离信号为水平。对于指针式仪器，提离信号影响调至最小。3) 分别依次扫查铝合金和不锈钢试样上埋深不同的人工槽形缺陷，观察并记录不同材料上不同深度人工槽形缺陷的埋深和涡流响应情况。4) 选择工作频率在 50-500kHz 的放置式线圈，仪器工作频率为 60kHz 左右5) 调整涡流检测仪的增益、相位旋钮（或按键） 。使提离信号为水平。对于指针式仪器，提离信号影响调至最小。6) 分别依次扫查铝合金和不锈钢试样上埋深不同的人工槽形缺陷，观察并记录不同材料上不同深度人工槽形缺陷
19、的埋深和涡流响应情况。4.1.3 边缘效应实验1) 选择工作频率在 50-500kHz 的放置式线圈，仪器工作频率为 300kHz 左右；2) 调整涡流检测仪的增益、相位旋钮（或按键） 。使提离信号为水平；3) 探头平稳置于铝合金试样表面中间位置，慢慢向某一边缘扫查，观察涡流响应信号的变化。4) 记录涡流响应信号因探头接近试样边缘发生变化时探头的位置，测量探头在该位置上其中心距离板材边缘的距离；5) 计算探头涡流作用范围的直径与线圈直径的关系。6) 选择工作频率在 50-500kHz 的放置式线圈，仪器工作频率为 50kHz 左右；7) 调整涡流检测仪的增益、相位旋钮（或按键） 。使提离信号为
20、水平；8) 探头平稳置于铝合金试样表面中间位置，慢慢向某一边缘扫查，观察涡流响应信号的变化。9) 记录涡流响应信号因探头接近试样边缘发生变化时探头的位置，测量探头在该位置上其中心距离板材边缘的距离；10) 计算探头涡流作用范围的直径与线圈直径的关系。11) 选择工作频率在 50-500kHz 的放置式线圈，仪器工作频率为 500kHz 左右；12) 调整涡流检测仪的增益、相位旋钮（或按键） 。使提离信号为水平；13) 探头平稳置于铝合金试样表面中间位置，慢慢向某一边缘扫查，观察涡流响应信号的变化。14) 记录涡流响应信号因探头接近试样边缘发生变化时探头的位置，测量探头在该位置上其中心开放选修实
21、验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页9距离板材边缘的距离；15) 计算探头涡流作用范围的直径与线圈直径的关系。4.2 实验二：D60K 数字金属电导率测量仪测钛青铜电导率1） 打开开关，起动 D60K 数字金属电导率测量仪，连接好探头2） 将探头放在标定试块低值试样上，转动“读数”旋钮使读数与试块低值 5.73 M S/m 一致；然后转动“低值”旋钮使电压差为 0 V。3） 将探头放在标定试块高值试样上，转动“读数”旋钮使读数与试块低值 55.8 M S/m 一致；然后转动“高值”旋钮使电压差为 0 V，重复操作几次。4） 将探头放在
22、1 号钛青铜试块的 A 位置上，转动“读数”旋钮使电压差值为 0V，读出读数，然后分别在 B、C、D、E4 个位置上测量，计录读数。5） 重复步骤 3，分别在 2、3、4、5 号试块上测量并计录读数。6） 计录数据汇总处理。4.3 实验三：7504 塗层测厚仪测量膜厚1) 连接好实验探头，打开仪器电源并调至 I 档。2) 将探头置于没有涂层的基底材料上，调节“左校准”旋钮使仪器指针指向左边“0”位置。3) 选择校准用膜片（厚度为 32.10.9m）并将其置于探头与基底材料中间，调节“右校准”旋钮使指针指向 32.1m。4) 用校准完毕的实验仪器对相同基底材料的涂层进行测厚，记录实验数据。5）
23、选用不同厚度的校准用膜片重复以上 4、5 步操作进行实验。5实验结果5.1 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪的操作及定标表 1 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪的标定（钢制试块）仪器参数 频率： 500 K Hz 增益： 18.0 dB 相位： 0 DEG0.1 mm 0.5 mm 1.0 mm 划痕深度测量编号 幅值 百分比（%） 幅值 百分比（%） 幅值 百分比（%）1 48 41 109 48 162 562 53 41 106 48 164 563 57 42 108 48 159 564 54 41 107 48 161 565 52 42 107 48 163
24、566 53 41 106 48 162 56平均值 52.8 41.3 107.2 48.0 161.8 56.0开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页10表 2 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪的标定（铝制试块）仪器参数 频率： 500 K Hz 增益： 18.0 dB 相位： 0 DEG0.1 mm 0.5 mm 1.0 mm 划痕深度测量编号 幅值 百分比（%） 幅值 百分比（%） 幅值 百分比（%）1 14 18 20 29 35 652 13 17 21 31 38 733 17 24 24 38 37 7
25、14 12 15 21 31 37 715 13 16 23 32 36 706 14 19 20 33 39 69平均值 13.8 18.1 21.5 32.3 37.0 69.8图 8 SMART-2097 智能便携式多频涡流仪的标定（a:钢制试块 b:铝制试块）5.2 D60K 数字金属电导率测量仪测钛青铜电导率表 3 D60K 数字金属电导率测量仪测钛青铜电导率标定试块 高值： 55.8 M S/m 低值： 5.73 M S/m 单位： M S/m测量位置试块编号 位置 A 位置 B 位置 C 位置 D 位置 E 平均值试块 1 25.8 27.6 28.7 29.9 27.0 27.80试块 2 26.6 26.6 26.2 27.8 28.0 27.04试块 3 27.6 29.0 29.0 29.0 29.3 28.78开放选修实验训练涡流无损检测实验报告 江苏科技大学数理学院应用物理E-mail： 共 10 页 第 页11试块 4 28.9 28.2 28.5 28.2 28.3 28.42试块 5 12.3 11.4 12.1 11.9 12.0 11.94
