[科普中国]-涡电流检测

涡电流检测(Eddy-current testing)，也被简称为ET，是多种使用电磁方法的非破坏检测其中的一种检测方式。

历史涡电流检测是一门基于电磁学的检测技术。涡电流于1824年被François Arago首次观测到，但是于1885年才被法国物理学家Léon Foucault发现。 英国科学家 Michael Faraday's 于1831年发现的电磁感应使涡电流检测技术有重大的跃进。 Faraday 发现当随时间变化的磁场通过导体时会产生封闭的电流回路（反之亦然）流过导体。

在1879年，另一位英国科学家，David Edward Hughes，展示了，当线圈接触不同导电率、导磁率的金属时，线圈的性质会发生变化，并且应用在冶金的分类测试上。

ET作为工业应用的非破坏检测技术大部分是来自于二次世界大战期间的德国，Friedrich Förster 教授在Kaiser-Wilhelm Institute (也就是现在的 Kaiser Wilhelm Society) 工作时，将涡电流技术应用于工业用途，开发了用于测量导电率和分类混合铁成分的仪器。

战后，在1948年Förster成立了一间公司（现在被称为Foerster Group），他开发并商品化ET仪器有着很好的表现。

涡电流检测目前是一种广泛使用并易于理解的缺陷检测技术，并且也被用于厚度以及导电率的测量。

Frost & Sullivan于2012分析全球非破坏检测设备的市场，评估包含涡电流、磁粒检测、涡电流阵列和远场涡电流检测在内的电磁非破坏检测设备占有2.2亿美元的市场价值，这个市场将以7.5%的复合年均增长率成长，预计到了2016年会增长至3.15亿美元。1

原理以最简单的形式来说：单元件探头，一个线圈导体被交流电电流所驱动。该线圈在其周围产生交变磁场。 磁场与流经线圈的电流以相同的频率振荡。当线圈接近导电材料时，在材料中感应出与线圈中的电流相反的电流，这个电流就是涡电流。

基本上标准的涡电流，就是透过测量线圈中阻抗的变化来测量对象的电导率、导磁率以及检测缺陷。缺陷的存在会引起涡电流的相位以及振幅的变化，这些变化可以透过测量线圈中阻抗的变化来判断。涡电流检测有非常广泛的应用。因为涡电流检测的本质来自于物质的电性，所以它仅是用于导电材料。 并且它还有产生涡电流及渗透深度（集肤效应）的物理限制。2

应用涡流检测的两个主要应用是表面检查和管道检查。 表面检测广泛用于航空航天工业，也用于石化工业。该技术非常灵敏，即便是非常密合的裂缝也可以被检出。表面流检测可以在铁磁性材料和非铁磁性材料上进行。

管道检查通常仅限于非铁磁性材料并且被称作常规涡电流检测。常规涡电流检测用于检查核能电厂的蒸气产生管路或是发电厂和石油工业的热交换管线。这个技术非常善于发现并且测量坑洞。管壁的损失或腐蚀可以被检测，但是不宜测量缺陷的大小。

有一种常规涡电流检测对于特定种类的磁性材料会先使其磁饱和，这种技术通过外加磁场来仰制导磁率的变化。饱和涡电流检测的探头包含涡电流线圈以及磁铁，这种检测用于部分的铁磁性材料，诸如镍合金、二相合金和肥粒铁铬钼不锈钢之类的亚铁磁性材料。饱和涡电流技术的应用取决于材料的渗透性、管厚度和直径。

远场涡电流检测试是对于碳钢管的一种方法。这种方法对于壁面的损失很敏感，但是对于小坑洞和裂缝不敏感。

对表面的涡电流检测当应用于表面的检测时，任何检测技术的性能很大程度的取决于各种特定条件（主要是材料和缺陷的类型以及表面条件...等）。然而再大多数情况下，以下的描述会是正确的：

对油漆/涂层是否有效：有；

数位纪录：部分；

3D/高级成像：没有；

使用者依赖度：高；

检测速度：慢；

检测后的分析：不用；

需要化学品/消耗品：不需要。

其他应用涡电流检测在确认导电率和涂层厚度的测量等方面也很有用。3

其他涡电流检测技术为了克服传统涡电流检测的一些缺点，其他不同的涡电流检测技术因而被开发出来。

眽冲涡电流传统的涡电流检测使用固定频率的正弦交流电流来驱动探头。眽冲涡电流检测使用阶跃函数的电压来驱动探头。使用阶跃函数电压的优点是这样一个眽冲就包含了一定范围的频率。因此只要一个脉冲就可以测量电磁响应。由于涡电流的渗入深度取决于励磁频率，因此一次就能获得一组渗入深度的资讯（也就是通过时间的函数查看讯号的强度），并且能够显示靠近检测线圈距离更远的缺陷或其他特征。

当比较眽冲涡电流与传统涡电流检测时，涡电流检测是一种传递单一频率波的方法，确切来说，通过非常窄的带宽。用眽冲方法，在较宽的带宽中励磁，其范围与眽冲长度成反比；这准许多频率的操作。对于眽冲波而言，对眽冲波而言，在相同的强度以及时间周期内，它所消耗的能量远小于连续波。因此眽冲涡电流比起传统涡电允许输入更高的电压到励磁线圈上。

这种类型的检测方式的优点之一就是不需要直接接触被测物体。可以穿过涂层、护套、腐蚀生成物、和绝缘材料进行测试。这种方法甚至使高温检查成为可能。

涡电流阵列涡电流阵列和传统的涡电流检测工作原理基本上相同。涡电流阵列技术提供了以电子的方式驱动线圈阵列（多个线圈）的能力，被称作拓扑结构的特殊排列方式能够产生稳合于目标缺陷的分布图。

涡电流阵列的优点有：

更快速的检测；

更广的检测范围；

更少的操作员依赖性—比起人工扫描，阵列探头的结果更为一致；

够佳的探伤能力；

因为简单的扫描模式，分析更为容易；

编码的数据改善了定位和尺寸判定；

阵列探头可以被简单的设计成具有灵活性或是符合特定场合的形状，使得难以接触的区域更易于检查。

劳仑兹力涡电流检测尽管最实际的挑战就是检测深层缺陷和不均匀的导电材料。

在传统的涡电流检测中，使用交变磁场引起被测材料内部的涡电流。如果材料还有导致电导率分布不的裂纹或缺陷，则涡电流的路径受到阻碍，并造成产生交变磁场的线圈的阻抗改变。借由测量该县圈的阻抗，就可以检测到裂纹。由于涡电流是由交变磁场产生，因此他们渗透到材料表面下的能力受到集肤效应的限制。因此传统涡电流仅适合用分析于材料表面或近表面，通常约为1mm。使用低频线圈和超导磁场感测器来克服这个基本限制的方法并没有被广泛应用。

一个最近的技术，被称作劳仑兹力涡电流检测，利用直流磁场与相对运动提供对于导电材料深度与相对快速测量的优点。理论上，LET显示了两种和传统涡电流检测的差异：

如何产生涡电流

如何侦测涡电流的扰动

在LET中的涡电流是透过被测导体和永久磁铁之间的相对运动产生。LET检测原理中的关键来自于，如果磁铁经过一个缺陷，作用在它上面的劳仑兹力会表现出改变。如果物体没有缺陷，则劳仑兹力保持不变。3

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学