涡流检测法在非磁性金属材料电导率测试上的应用
工程技术研究与应用 主持：李艳
涡流检测法在非磁性金属材料电导率测试上的应用
高 虹
(东方电机股份公司，四川 德 阳 618000)
[摘要】：本文介绍了涡流检测法的原理、适用范围及其在非磁性金属材料电导率测试上的应用，重点分析
了影响 电导率测试结果的有关变量。
【关键词】：无损检测；涡流检测；非磁性金属；电涡流传感器；电导率
中图分类号 ：TH1 42 文件标识码 ：B 文章编号：CKN字 07一OO3(201 0)02—052—02
The Application of the Eddy Current Testing Used in
Conductivity Testing of the Non-magnetic M etal
M aterials
GaoHong
(Quality Check Department of Dongfang Electric Machinery Co．Ltd．，Deyang Sichuan，61 8000 China)
Abstract：This paper introduces the principles of the eddy testing，its application range and its印 plication of testing
the conductivity of non-magnetic metal materials．It especially analyzes the relative variables which influence the
results of the conductivity testing．
Keyword：nondestructive testing；eddy current testing； non-magnetic metal；eclectic eddy current sensor；
conductivity
随 着 现 代 科 学 技 术 的不 断 进 步 ，无 损 检 测 作 为
建 ,--'r在 现 代 科 学 技 术 基 础 上 的 一 门 应 用 型 技 术 学
科 得 到 了 广 泛 应 用 。无 损 检 测 是 指 对 材 料 或 工 件 实
施 一 种 不 损 害 或 不 影 响 其 未 来 使 用 性 能 或 用 途 的
检 测 手 段 。 它 以 不 损 坏 被 检 测 物 体 内 部 结 构 为 前
提 ，应 用 物 理 的 方 法 ，检 测 物 体 内 部 或 表 面 的 物 理
性 能 、状 态 特 性 以 及 内 部 结 构 ，从 而 判 断 被 检 测 物
体 是 否 合 格 ，进 而 评 价 其 适 用 性 。无 损 检 测 能 应 用
于 产 品 设 计 、材 料 选 择 、加 工 制 造 、成 品 检 验 、在 役
检 查 (维 修 保 养 )等 多 方 面 ，在 质 量 控 制 与 降 低 成 本
之 间 能 起 最 优 化 作 用 ，有 助 于 保 证 产 品 的 安 全 运 行
和 有 效 使 用 。
涡 流 检 测 法 是 在 电 磁 感 应 原 理 基 础 上 的 一 种
无 损 检 测 方 法 ，它 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 可 以 判 知 导 体 性 质 ，
状 态 。
金 属 材 料 的 电 导 率 是 关 系 到 材 料 导 电 性 能 的
一 项 重 要 指 标 。 我 公 司 军 工 、核 电 上 使 用 的 很 多 导
电 材 料 (如 端 环 )因 形 状 特 殊 或 尺 寸 小 ，且 不 允 许 做
破 坏 性 试 验 而 无 法 使 用 传 统 的 电 压 电 流 法 取 样 测
试 工 件 的 电 导 率 ，涡 流 检 测 法 则 很 好 的 解 决 了 这 些
I收稿 日期]201O-05—24
l作者简介J高虹(1976～)．女 ，东方电机股份公司工程师；研究方向 ：电学检测 。
四川 工程 职业技 术学 院学 报第 二十 四卷 第 二期 一总第 七十 八期 一
问 题 。利 用 涡 流 检 测 法 ，无 需 取 试 样 、无 需 加 工 就 可
快 速 准 确 地 测 得 非 磁 性 金 属 材 料 的 电 导 率 。
1测试 的基 本 原 理
1．1体 积 电 阻 率
单 位 横 截 面 积 、单 位 长 度 金 属 导 体 的 电 阻 值 ，
称 为 体 积 电 阻 率 。 在 标 准 温 度 为 to时 ，它 的 值 由 公
式 (1)计 算 得 出 ：
P( — ? ? ? ? ? (1)
式 中 ：p㈥ 一 标 准 温 度 to时 的 体 积 电 阻 率 ；
R㈦ 一 标 准 温 度 to时 标 距 长 度 试 样 的 电 阻 ；
A(t0)一 标 准 温 度 to时 试 样 的 截 面 积 ；
ll(to)一 标 准 温 度 to时 试 样 的标 距 长 度 。
1．2体 积 电 导 率
定 义 体 积 电 阻 率 的 倒 数 为 体 积 电 导 率 ，用 符 号
or表 示 。 盯=1／p
电 导 率 的 国 际 单 位 制 单 位 为 兆 西 门 子 每 米
(MS／m)，另 一 常 用 的 电 导 率 单 位 为 国 际 退 火 铜 标 准
电 导 率 的百 分 数 (％IACS)，它 们 的换 算 关 系 如 下 ：
l％ IACS=0．58 M S／m
或 1MS／m ：1．724％IACS
1、3涡 流 法 测 电导 率 的 原 理
被测导体
图 1 涡 流 作 用 原 理
涡 流法 检测 电导 率 的原理 如 图 1所 示 ，为 当一
个 扁 平 的 线 圈 置 于 金 属 导 体 附 近 且 通 过 正 弦 交 变
电 流 时 ，线 圈 周 围 就 产 生 交 变 磁 场 H1，置 于 此 磁 场
中 的 金 属 导 体 表 面 和 近 表 面 就 感 应 产 生 电 涡 流 ，而
此 电 涡 流 也 会 产 生 磁 场 H2，两 个 磁 场 方 向相 反 ，由
于 磁 场 H2的 反 作 用 使 通 电 线 圈 的 有 效 阻 抗 发 生 变
化 ，这 种 线 圈 阻 抗 的 变 化 完 整 地 而 且 唯 一 地 反 映 了
待 测 物 体 的 涡 流 效 应 ，它 与 金 属 导 体 的 电 导 率 盯 、
磁 导 率 、线 圈 的 形 状 、几 何 参 数 X、激 励 电 流 强 度
I、激 励 电 流 频 率 f以 及 线 圈 与 被 测 物 体 的 距 离 d等
参 数 有 关 。 假 定 金 属 导 体 材 质 是 均 匀 的 ，其 性 能 是
线 性 的 ，则 线 圈 的 阻 抗 可 用 如 下 函数 表 示 ：
Z=F( ， ，x，I，f，d)
工程技术研究与应用 主持：李艳
对 于 非 磁 性 金 属 材 料 的 恒 定 不 变 ，若 保 持
x，I，f，d因 素 恒 定 不 变 时 ， 阻 抗 Z就 成 为 电 导 率
的 单 值 函 数 。 利 用 这 个 原 理 ，将 阻 抗 的 变 化 转 换 成
电 压 或 电 流 ，通 过 以 电 导 率 单 位 标 定 的 仪 器 可 直 接
测 出 导 电体 的 电 导 率 。
2影 响涡 流 法 测 试 电导 率 结 果 的 因素
涡 流 法 测 电 导 率 还 受 许 多 因 素 的 影 响 ，处 理 好
这 些 因 素 对 保 证 电 导 率 测 试 的 准 确 性 有 着 重 要 的
作 用 。 下 面 对 这 些 影 响 测 试 的 因 素 逐 个 进 行 了 分
析 。
2．1试 件 的 表 面 状 态
试 件 表 面 过 于 凹 凸 不 平 、粗 糙 、材 质 不 均 匀 等
都 会 影 响 电 导 率 的 测 量 值 ，因 此 试 件 表 面 测 试 部 位
应 光 滑 、平 整 、材 质 均 匀 ，无 电 镀 层 、腐 蚀 斑 、灰 尘 和
油 脂 等 。
2．2试 件 的 几 何 形 状 尺 寸
在 涡 流 检 测 中 ，由 于 试 件 几 何 形 状 的 突 变 (如
边 界 、孔 洞 、台 阶 等 )会 产 生 磁 场 和 涡 流 的 变 化 ，即
边 缘 效 应 ，导 致 测 量 误 差 ，因 此 对 于 小 尺 寸 试 件 ，探
头 线 圈 应 置 于 平 整 区 域 中心 进 行 测 量 ，以 避 免 边 缘
效 应 。
根 据 涡 流 测 试 法 原 理 ，感 应 涡 流 的 试 件 必 须 厚
到 足 以 同 涡 流 的 穿 透 深 度 8 相 比拟 。 涡 流 的 穿 透
深 度 8 表 示 涡 流 密 度 在 一 个 形 状 均 匀 的 导 电 体 内
降 至 表 面 上 密 度 的 l／e(e为 自然 对 数 的 底 )，约 37％
处 的 深 度 。 计 算 涡 流 透 人 深 度 的 公 式 (2)为 ：
8：— = === ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2) 、／
1Tf 0 叮
式 中 ：6一 涡 流 透 入 深 度 ，单 位 为 米 (in)
or一 试 件 的 电 导 率 ，单 位 为 西 门 子 每 米 (S／m)
。一 真 空 磁 导 率 ， 0=4叮r ×10 亨 利 每 米
(H／m)
广 一 相 对 磁 导 率 ，对 于 非 磁 性 金 属 值 近 似
为 1
f一 测 试 频 率 (探 头 频 率 )，单 位 为 赫 兹 (Hz)
因 此 为 保 证 测 试 精 度 ，一 般 要 求 测 试 部 位 厚 度
不 小 于 涡 流 透 人 深 度 的 3倍 。测 试 部 位 宽 度 一 般 应
不 小 于 探 头 直 径 的 1．5倍 。由公 式 (2)可 知 改 变 测 试
频 率 f，可 控 制 检 测 深 度 ，因 此 在 测 试 时 对 于 薄 规 格
板 材 或 试 件 可 选 用 较 高 的测 试 频 率 。
2-3探 头 与 试 件 表 面 的 间 隙
由 于 试 件 和 探 头 线 圈 之 间 距 离 等 因 素 的 改 变
会 引 起 磁 性 耦 合 变 化 ，从 而 导 致 电 涡 流 检 测 系 统 输
出 量 产 生 变 化 ，为 了 减 小 其 对 测 试 值 的 影 响 ，试 件
表 面 的 非 导 电 覆 盖 层 (如 阳 极 氧 化 膜 ，油 漆 层 等 )厚
度 超 过 规 定 厚 度 而 影 响 判 定 时 ，需 局 部 清 除 包 层 后
进 行 测 量 。 测 试 曲 面 试 件 时 ，应 将 探 (下 转 第 7：3页 )
高 虹 涡流 检 测法在 非磁性 金属 材料 电导 率测 试上的应 用
四川 工程 职业技术 学院 学报第 二十 四卷 第 二期 一总第 七十 八期 一
Ul U2 U3 Ud U5
Ul O 2 3 × 9× 3
U2。 0 5 7 9×
U3 O 10× a0 X
Ud 0 3
U5 0
U 4
Ul
3
教学研究 主持：李艳
两 法 的 结 果 一 致 。
3结 语
前 面 的 论 述 知 ，表 上 作 业 法 特 别 适 用 于 点 、边 数 很 多
的 结 构 复 杂 的 图 ， 因 为 此 时 采 取 图 上 作 业 法 识 别 图
十 分 困难 ，而 基 本 圈 是 有 规 律 变 化 的 ，故 识 别 容 易 ，
工 作 量 大 为 减 少 。 表 上 作 业 法 的 优 点 即 在 于 此 。
【参考文献】
【1】卜月华．图论及其应用【M】．南京：东南大学出版社，2003
[2]王树禾．图论【M】．北京 ：科学出版社，2004
【3】3(美)韦斯特．图论导引【M】．李建中，骆吉洲译．北京：机械工业出版
社 。2006
(上 接 第 53页 )头 放 在 试 件 曲 面 最 凸 的 部 位 进 行 测
试 ，并 进 行 曲 率 修 正 。 现 在 市 面 上 的 许 多 电 导 仪 都
带 有 自动 曲 面 修 正 功 能 。
2．4环 境 温 度 波 动
由 于 金 属 材 料 的 电 阻 、线 性 尺 寸 都 会 随 温 度 的
变 化 而 变 化 ， 材 料 的 电 导 率 与 温 度 具 有 密 切 的 关
系 ，金 属 的 电 导 率 随 着 温 度 的 增 高 而 降 低 ，因 此 对
测 试 结 果 应 进 行 温 度 补 偿 。对 于 不 清 楚 电 阻 温 度 系
数 的 试 件 ，可 选 择 在 (20-t-O．5℃ )状 态 下 进 行 测 试 ，
避 免 温 度 影 响 。
标 准 温 度 20~C时 的 体 积 电 导 率 应 按 公 式 (3)计
算 ：
盯20==131"(t)【1+(仅20+^y)(t-20)】 ? ? ? ? ? ? (3)
式 中 ：盯犷 一20"12时 试 样 的 体 积 电 阻 率 ；
(t)一 试验温 度 t时 试样 的体 积电阻 率 ；
Or．扩 一20oC时 试 样 的 电 阻 温 度 系 数 。
一 试 样 线 膨 胀 系 数 ，对 大 部 分 材 料 来 说 ，
比 电 阻 温 度 系 数 小 得 多 ，在 (t一2O)较 小 时 ， 可
忽 略 不 计 。
为 了 减 少 环 境 温 度 对 测 试 结 果 的 影 响 ，探 头 、
仪 器 、标 块 及 试 件 应 置 于 同 一 温 场 下 。应 尽 可 能 在
室 温 (20士 5oC)下 进 行 测 试 ，测 试 m-J-应 远 离 暖 气
片 、风 扇 、火 炉 ，避 免 阳 光 直 射 ，且 测 试 时 不 能 用 手
指 触 摸 探 头 端 部 、标 块 和 试 件 的测 试 部 位 。
3结 语
电 导 率 作 为 金 属 材 料 的 一 个 重 要 物 理 性 能 ，在
我 公 司 的 各 大 水 、火 电 机 组 的 材 料 选 择 上 都 占有 举
足 轻 重 的 地 位 。 利 用 涡 流 法 测 电 导 率 可 在 不 破 坏 试
件 的 情 况 下 直 接 快 速 、 准 确 地 得 到 试 件 的 电 导 率
值 ，既 节 约 了 成 本 又 解 决 了许 多 特 殊 尺 寸 的 材 料 无
法 取 样 进 行 电 导 率 测 试 的 难 题 ，在 产 品 质 量 把 关 和
保 证 材 料 人 厂 及 转 序 周 期 上 发 挥 着 愈 来 愈 重 要 的
作 用 。
【参考文献】
[1】ASTM·El004—2002用电磁 (涡流性 )1侧 电导率的标准 【EB／oL]．
ⅥnⅣw ．asl：rl1．org
【2】丁天怀 ，陈祥 林．电涡流传感 器 阵列测试技 术 Ⅱ】．测试技 术 学报 ，
2006
曾 国勋 最小树 求解的 表上 作业 法
四川 工程 职业技 术学院学 报第 二十 四卷 第 二期 一总第 七 十 八期 一
涡流检测法在非磁性金属材料电导率测试上的应用.pdf
