渦電流

渦電流在金屬塊內(nèi)流動時,釋放出大量的焦耳熱。用交流線圈激發(fā)交變磁場，使放置在交變磁場中的金屬塊內(nèi)產(chǎn)生渦電流而被加熱，這叫做感應(yīng)加熱，它是感應(yīng)電爐所依據(jù)的原理，用于加熱、熔化及冶煉金屬。感應(yīng)加熱的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是無接觸，可在真空容器內(nèi)加熱，因而可用于提純半導(dǎo)體材料等工藝中。

在變壓器、交流電機(jī)等交流設(shè)備的鐵芯中，線圈中交變電流所引起的渦電流導(dǎo)致能量損耗，叫做渦流損耗。渦流發(fā)熱對電器是有害的，故鐵芯常用互相絕緣的薄片（薄片平面與磁力線平行）或細(xì)條（細(xì)條方向與磁力線平行）疊合而成，以減小渦流損耗。在無線電技術(shù)中、高頻率范圍內(nèi)，常用鐵粉或軟磁性鐵氧體作磁芯。交變磁場在鐵芯中引起渦電流時，如果渦電流所產(chǎn)生的交變磁場可以略去不計(jì)，則鐵芯內(nèi)每單位體積的平均渦流損耗功率 pe與頻率f的二次方、磁感應(yīng)強(qiáng)度極大值B渦電流的二次方以及薄片的厚度t（或?qū)Ь€的半徑r）的二次方均成正比。其計(jì)算公式（用國際單位制）為

其中ρ為電阻率?？梢娛褂帽∑蚣?xì)條以及使用電阻率較大的材料可使渦流損耗大大降低。

當(dāng)渦電流所產(chǎn)生的交變磁場不可忽略時，應(yīng)考慮渦電流所引起的趨膚效應(yīng)。

金屬塊中的渦電流將受到磁場的作用力。當(dāng)金屬塊相對于磁場運(yùn)動時，渦電流所受磁力總是反抗相對運(yùn)動，即產(chǎn)生阻尼作用，叫做電磁阻尼，常用于制造電磁阻尼器及電磁制動器。在一些電磁儀表中，利用線圈的鋁制框架中渦流的阻尼作用，使線圈較快地穩(wěn)定在平衡位置上。在千瓦時計(jì)（即電度表）中，利用制動磁鐵在鋁盤中引起渦流,產(chǎn)生阻尼作用,以穩(wěn)定轉(zhuǎn)動線圈的轉(zhuǎn)速。根據(jù)同一原理，當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時，置于旋轉(zhuǎn)磁場中的閉合導(dǎo)線或金屬導(dǎo)體產(chǎn)生渦電流,所受的磁力反抗相對運(yùn)動,從而跟隨磁場旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速較旋轉(zhuǎn)磁場略小。這就是感應(yīng)式異步電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和磁式轉(zhuǎn)速計(jì)測轉(zhuǎn)速所依據(jù)的原理。在感應(yīng)式繼電器中，則用交變磁場在金屬片中產(chǎn)生渦電流受另一交變磁場的磁力，以驅(qū)動金屬片的運(yùn)動。

渦電流熱效應(yīng)

在金屬圓柱體上繞一線圈，當(dāng)線圈中通入交變電流時，金屬圓柱體便處在交變磁場中。由于金屬導(dǎo)體的電阻很小，渦電流很大，所以熱效應(yīng)極為顯著，可以用于金屬材料的加熱和冶煉。

理論分析表明，渦電流強(qiáng)度與交變電流的頻率成正比，渦電流產(chǎn)生的焦耳熱則與交變電流的平方成正比， 因此，采用高頻交流電就可以在金屬圓柱體內(nèi)匯集成強(qiáng)大的渦流，釋放出大量的焦耳熱，最后使金屬自身熔化。這就是高頻感應(yīng)爐的原理。

另一方面，導(dǎo)體中發(fā)生渦電流，也有有害的方面。在許多電磁設(shè)備中常有大塊的金屬部件，渦電流可使鐵芯發(fā)熱，浪費(fèi)電能，這就是渦流耗損。

渦電流機(jī)械效應(yīng)

(1)電磁阻尼渦電流還可以起到阻尼作用。利用磁場對金屬板的這種阻尼作用，可制成各種電動阻尼器，例如磁電式電表中或電氣機(jī)車的電磁制動器中的阻尼裝置，就是應(yīng)用渦電流實(shí)現(xiàn)其阻尼作用的。

(2)電磁驅(qū)動這是對"電磁阻尼作用起著阻礙相對運(yùn)動"的另一種形式的應(yīng)用。感應(yīng)式異步電動機(jī)就利用了這一基本原理。

渦電流是法國物理學(xué)家J.B.L.傅科發(fā)現(xiàn)的，所以，也叫做傅科電流。對于大塊的良導(dǎo)電體，由于電阻很小，渦電流強(qiáng)度可以很大。

它是這樣來描述的：當(dāng)大塊導(dǎo)體放在變化著的磁場中或相對于磁場運(yùn)動時，在這塊導(dǎo)體中也會出現(xiàn)感應(yīng)電流。由于導(dǎo)體內(nèi)部處處可以構(gòu)成回路，任意回路所包圍面積的磁通量都在變化，因此，這種電流在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，形成渦旋狀，故稱為渦電流，以“i渦”表示。

為了克服傳統(tǒng)渦電流檢測的一些缺點(diǎn)，其他不同的渦電流檢測技術(shù)因而被開發(fā)出來。

眽沖渦電流

傳統(tǒng)的渦電流檢測使用固定頻率的正弦交流電流來驅(qū)動探頭。眽沖渦電流檢測使用階躍函數(shù)的電壓來驅(qū)動探頭。使用階躍函數(shù)電壓的優(yōu)點(diǎn)是這樣一個眽沖就包含了一定范圍的頻率。因此只要一個脈沖就可以測量電磁響應(yīng)。由于渦電流的滲入深度取決于勵磁頻率，因此一次就能獲得一組滲入深度的資訊（也就是通過時間的函數(shù)查看訊號的強(qiáng)度），并且能夠顯示靠近檢測線圈距離更遠(yuǎn)的缺陷或其他特征。

當(dāng)比較眽沖渦電流與傳統(tǒng)渦電流檢測時，渦電流檢測是一種傳遞單一頻率波的方法，確切來說，通過非常窄的帶寬。用眽沖方法，在較寬的帶寬中勵磁，其范圍與眽沖長度成反比；這準(zhǔn)許多頻率的操作。對于眽沖波而言，對眽沖波而言，在相同的強(qiáng)度以及時間周期內(nèi)，它所消耗的能量遠(yuǎn)小于連續(xù)波。因此眽沖渦電流比起傳統(tǒng)渦電允許輸入更高的電壓到勵磁線圈上。

這種類型的檢測方式的優(yōu)點(diǎn)之一就是不需要直接接觸被測物體?？梢源┻^涂層、護(hù)套、腐蝕生成物、和絕緣材料進(jìn)行測試。這種方法甚至使高溫檢查成為可能。

渦電流陣列

渦電流陣列和傳統(tǒng)的渦電流檢測工作原理基本上相同。渦電流陣列技術(shù)提供了以電子的方式驅(qū)動線圈陣列（多個線圈）的能力，被稱作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊排列方式能夠產(chǎn)生穩(wěn)合于目標(biāo)缺陷的分布圖。

渦電流陣列的優(yōu)點(diǎn)有：

• 更快速的檢測；

• 更廣的檢測范圍；

• 更少的操作員依賴性—比起人工掃描，陣列探頭的結(jié)果更為一致；

• 夠佳的探傷能力；

• 因?yàn)楹唵蔚膾呙枘Ｊ剑治龈鼮槿菀祝?/li>

• 編碼的數(shù)據(jù)改善了定位和尺寸判定；

• 陣列探頭可以被簡單的設(shè)計(jì)成具有靈活性或是符合特定場合的形狀，使得難以接觸的區(qū)域更易于檢查。

勞侖茲力渦電流檢測

盡管最實(shí)際的挑戰(zhàn)就是檢測深層缺陷和不均勻的導(dǎo)電材料。

在傳統(tǒng)的渦電流檢測中，使用交變磁場引起被測材料內(nèi)部的渦電流。如果材料還有導(dǎo)致電導(dǎo)率分布不的裂紋或缺陷，則渦電流的路徑受到阻礙，并造成產(chǎn)生交變磁場的線圈的阻抗改變。借由測量該縣圈的阻抗，就可以檢測到裂紋。由于渦電流是由交變磁場產(chǎn)生，因此他們滲透到材料表面下的能力受到集膚效應(yīng)的限制。因此傳統(tǒng)渦電流僅適合用分析于材料表面或近表面，通常約為1mm。使用低頻線圈和超導(dǎo)磁場感測器來克服這個基本限制的方法并沒有被廣泛應(yīng)用。

一個最近的技術(shù)，被稱作勞侖茲力渦電流檢測，利用直流磁場與相對運(yùn)動提供對于導(dǎo)電材料深度與相對快速測量的優(yōu)點(diǎn)。理論上，LET顯示了兩種和傳統(tǒng)渦電流檢測的差異：

• 如何產(chǎn)生渦電流

• 如何偵測渦電流的擾動

在LET中的渦電流是透過被測導(dǎo)體和永久磁鐵之間的相對運(yùn)動產(chǎn)生。LET檢測原理中的關(guān)鍵來自于，如果磁鐵經(jīng)過一個缺陷，作用在它上面的勞侖茲力會表現(xiàn)出改變。如果物體沒有缺陷，則勞侖茲力保持不變。 2100433B

渦電流檢測是一門基于電磁學(xué)的檢測技術(shù)。渦電流于1824年被Fran?ois Arago首次觀測到，但是于1885年才被法國物理學(xué)家Léon Foucault發(fā)現(xiàn)。 英國科學(xué)家 Michael Faraday's 于1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)使渦電流檢測技術(shù)有重大的躍進(jìn)。 Faraday 發(fā)現(xiàn)當(dāng)隨時間變化的磁場通過導(dǎo)體時會產(chǎn)生封閉的電流回路（反之亦然）流過導(dǎo)體。

在1879年，另一位英國科學(xué)家，David Edward Hughes，展示了，當(dāng)線圈接觸不同導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率的金屬時，線圈的性質(zhì)會發(fā)生變化，并且應(yīng)用在冶金的分類測試上。

ET作為工業(yè)應(yīng)用的非破壞檢測技術(shù)大部分是來自于二次世界大戰(zhàn)期間的德國，F(xiàn)riedrich F?rster 教授在Kaiser-Wilhelm Institute (也就是 Kaiser Wilhelm Society) 工作時，將渦電流技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)用途，開發(fā)了用于測量導(dǎo)電率和分類混合鐵成分的儀器。

戰(zhàn)后，在1948年F?rster成立了一間公司（被稱為Foerster Group），他開發(fā)并商品化ET儀器有著很好的表現(xiàn)。

渦電流檢測是一種廣泛使用并易于理解的缺陷檢測技術(shù)，并且也被用于厚度以及導(dǎo)電率的測量。

Frost & Sullivan于2012分析全球非破壞檢測設(shè)備的市場，評估包含渦電流、磁粒檢測、渦電流陣列和遠(yuǎn)場渦電流檢測在內(nèi)的電磁非破壞檢測設(shè)備占有2.2億美元的市場價值，這個市場將以7.5%的復(fù)合年均增長率成長，預(yù)計(jì)到了2016年會增長至3.15億美元。

以最簡單的形式來說：單元件探頭，一個線圈導(dǎo)體被交流電電流所驅(qū)動。該線圈在其周圍產(chǎn)生交變磁場。 磁場與流經(jīng)線圈的電流以相同的頻率振蕩。當(dāng)線圈接近導(dǎo)電材料時，在材料中感應(yīng)出與線圈中的電流相反的電流，這個電流就是渦電流。

基本上標(biāo)準(zhǔn)的渦電流，就是透過測量線圈中阻抗的變化來測量對象的電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率以及檢測缺陷。缺陷的存在會引起渦電流的相位以及振幅的變化，這些變化可以透過測量線圈中阻抗的變化來判斷。渦電流檢測有非常廣泛的應(yīng)用。因?yàn)闇u電流檢測的本質(zhì)來自于物質(zhì)的電性，所以它僅是用于導(dǎo)電材料。 并且它還有產(chǎn)生渦電流及滲透深度（集膚效應(yīng)）的物理限制。