涡电流

涡电流在金属块内流动时,释放出大量的焦耳热。用交流线圈激发交变磁场，使放置在交变磁场中的金属块内产生涡电流而被加热，这叫做感应加热，它是感应电炉所依据的原理，用于加热、熔化及冶炼金属。感应加热的独特优点是无接触，可在真空容器内加热，因而可用于提纯半导体材料等工艺中。

在变压器、交流电机等交流设备的铁芯中，线圈中交变电流所引起的涡电流导致能量损耗，叫做涡流损耗。涡流发热对电器是有害的，故铁芯常用互相绝缘的薄片（薄片平面与磁力线平行）或细条（细条方向与磁力线平行）叠合而成，以减小涡流损耗。在无线电技术中、高频率范围内，常用铁粉或软磁性铁氧体作磁芯。交变磁场在铁芯中引起涡电流时，如果涡电流所产生的交变磁场可以略去不计，则铁芯内每单位体积的平均涡流损耗功率 pe与频率f的二次方、磁感应强度极大值B涡电流的二次方以及薄片的厚度t（或导线的半径r）的二次方均成正比。其计算公式（用国际单位制）为

其中ρ为电阻率。可见使用薄片或细条以及使用电阻率较大的材料可使涡流损耗大大降低。

当涡电流所产生的交变磁场不可忽略时，应考虑涡电流所引起的趋肤效应。

金属块中的涡电流将受到磁场的作用力。当金属块相对于磁场运动时，涡电流所受磁力总是反抗相对运动，即产生阻尼作用，叫做电磁阻尼，常用于制造电磁阻尼器及电磁制动器。在一些电磁仪表中，利用线圈的铝制框架中涡流的阻尼作用，使线圈较快地稳定在平衡位置上。在千瓦时计（即电度表）中，利用制动磁铁在铝盘中引起涡流,产生阻尼作用,以稳定转动线圈的转速。根据同一原理，当磁场旋转时，置于旋转磁场中的闭合导线或金属导体产生涡电流,所受的磁力反抗相对运动,从而跟随磁场旋转，但转速较旋转磁场略小。这就是感应式异步电动机的运转和磁式转速计测转速所依据的原理。在感应式继电器中，则用交变磁场在金属片中产生涡电流受另一交变磁场的磁力，以驱动金属片的运动。

涡电流热效应

在金属圆柱体上绕一线圈，当线圈中通入交变电流时，金属圆柱体便处在交变磁场中。由于金属导体的电阻很小，涡电流很大，所以热效应极为显著，可以用于金属材料的加热和冶炼。

理论分析表明，涡电流强度与交变电流的频率成正比，涡电流产生的焦耳热则与交变电流的平方成正比， 因此，采用高频交流电就可以在金属圆柱体内汇集成强大的涡流，释放出大量的焦耳热，最后使金属自身熔化。这就是高频感应炉的原理。

另一方面，导体中发生涡电流，也有有害的方面。在许多电磁设备中常有大块的金属部件，涡电流可使铁芯发热，浪费电能，这就是涡流耗损。

涡电流机械效应

(1)电磁阻尼涡电流还可以起到阻尼作用。利用磁场对金属板的这种阻尼作用，可制成各种电动阻尼器，例如磁电式电表中或电气机车的电磁制动器中的阻尼装置，就是应用涡电流实现其阻尼作用的。

(2)电磁驱动这是对"电磁阻尼作用起着阻碍相对运动"的另一种形式的应用。感应式异步电动机就利用了这一基本原理。

涡电流是法国物理学家J.B.L.傅科发现的，所以，也叫做傅科电流。对于大块的良导电体，由于电阻很小，涡电流强度可以很大。

它是这样来描述的：当大块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，在这块导体中也会出现感应电流。由于导体内部处处可以构成回路，任意回路所包围面积的磁通量都在变化，因此，这种电流在导体内自行闭合，形成涡旋状，故称为涡电流，以“i涡”表示。

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。 2100433B

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 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（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。

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。